химический каталог




МАССООБМEН

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

МАССООБМEН, необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или несколько фаз. Осуществляется в результате хаотич. движения молекул (мол. диффузия), макроскопич. движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках - также в результате хаотич. движения вихрей различные размера. МАССООБМEН включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз). Различают эквимолярный МАССООБМEН (например, ректификация), при котором через поверхность раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный (например, абсорбция).

МАССООБМEН лежит в основе разнообразных процессов разделения и очистки веществ, объединяемых в класс массообменных процессов (см. схему). Мн. тепловые процессы, такие, как прокаливание, конденсация, выпаривание, испарение, а также гидромеханические - флотация, промывание газов, перемешивание - сопровождаются МАССООБМEН При проведении химический процессов МАССООБМEН определяет скорость подвода веществ в зону реакции и удаления продуктов реакции.

В большинстве случаев в МАССООБМEН участвуют две или более фаз, в которых концентрации целевого компонента при равновесии различаются. При взаимодействие двух фаз в соответствии со вторым началом термодинамики их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством температур и давлений фаз, а также равенством химический потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах. Движущая сила переноса к.-л. компонента из одной фазы в другую - разность химических потенциалов этого компонента во взаимодействующих фазах. Переход компонента происходит в направлении убывания его химический потенциала. МАССООБМEН осуществляется также под действием градиентов электрический потенциалов (при электрофорезе, в электрохимический процессах), температуры (например, в термодиффузионной колонне для разделения изотопов) и др. Однако на практике движущую силу МАССООБМEН обычно выражают через градиент концентраций, что значительно упрощает связь между скоростью процесса и составом технол. потоков. В ряде случаев использование концентрац. движущей силы можно обосновать теоретически.

Учет условий существования данного кол-ва фаз и законов распределения компонентов в них, определяемых фаз правилом и законами равновесия (см. Химическое равновесие), необходимо для понимания и анализа любого процесса МАССООБМEН Термодинамич. теория фазовых равновесий разработана достаточно хорошо, хотя для практическое расчетов, когда это возможно, в ряде случаев надежнее использовать эксперим. данные, приводимые в справочной литературе.

Условия контактирования фаз в процессах МАССООБМEН исключительно разнообразны. Так, при дистилляции в непосредств. контакте находятся насыщ. пар и кипящая жидкость, что способствует переносу менее летучих компонентов из пара в жидкость и более летучих - из жидкости в пар. В процессах адсорбции газовая или жидкая смесь разделяется в результате предпочтительной сорбции одного из компонентов на поверхности твердого адсорбента. Кристаллизацию используют для выделения кристаллизующейся твердой фазы из раствора путем создания условий пересыщения по нужному компоненту. Мембранные процессы разделения основаны на способности некоторых тонких пленок или пористых перегородок пропускать одни соединение и задерживать другие. Операции сушки зависят от переноса как жидкости, так и пара внутри твердого тела и затем пара в осушающий газ. Все эти процессы, а также ионный обмен, сублимация и др. объединяются общими кинетическая закономерностями, определяющими скорость межфазного переноса массы. Последняя зависит от скорости мол. диффузии в неподвижной среде (см. Диффузия) и скорости конвективной диффузии - в движущейся среде, а также от специфический условий на границе раздела фаз.


Конвективная диффузия. Перенос вещества в движущейся среде обусловлен двумя различные механизмами. Наличие разности концентраций в жидкости (газе) вызывает мол. диффузию; кроме того, частицы вещества, растворенного в жидкости, увлекаются последней при ее движении и переносятся вместе с ней. Совокупность обоих процессов называют конвективной диффузией. Для мат. описания конвективной диффузии в ламинарном потоке несжимаемой жидкости используют уравение:

где СА - концентрация диффундирующего компонента А, в моль/м3, t - время, в с, u - вектор скорости макроскопич. течения, в м/с, С - набла (оператор Гамильтона), div jA - дивергенция, jA - вектор плотности диффузионного потока (количество вещества, переносимого путем диффузии в единицу времени через единицу площади поверхности), в моль/(м2* с).



Величину jA находят из уравения:

jA= - DABgrad CA, (2)

где DAB - коэффициент мол. диффузии компонента A, в м2/с, grad СА -градиент поля концентрации. В случае турбулентного потока в уравении (1) СА и и заменяют на усредненные по времени величины и , а правую часть уравения дополняют выражением для дивергенции плотности турбулентного потока распределяемого компонента А (см. Турбулентная диффузия). Поскольку можно принять, что турбулентная и мол. диффузия независимы, то в этом случае

где EM - коэффициент турбулентной диффузии, в м2/с. Решение уравения конвективной диффузии кроме начальных и граничных условий для СА требует знания поля скоростей. Последнее требование в реальных условиях редко выполняется и поэтому строгие решения уравения (1) получены только для отдельных простых случаев.

При наличии химический реакций в системе правая часть уравения (1) должна быть дополнена членом, характеризующим расход компонента на реакцию в единице объема за единицу времени. О влиянии химический превращаются и их взаимосвязи с процессами переноса массы в гетерог. системах с твердой фазой см. в ст. Макрокинетика; МАССООБМEН, осложненный химический реакциями в газо-жидкостных системах, рассмотрен в ст. Абсорбция.


Коэффициент массоотдачи. Во многие случаях массоотдачи, особенно к турбулентному потоку или от него, наиболее резкое падение градиента концентрации по нормали к границе раздела фаз сосредоточено в тонком слое, прилегающем к этой границе, на которой, как правило, существует равновесие.

Учитывая это, удобно ввести для расчета процессов переноса вещества в пределах данной фазы от границы раздела в глубь потока (в ядро потока) или из ядра потока к межфазной поверхности коэффициент массоотдачи b в виде отношения плотности диффузионного потока к характеристич. разности концентраций. Тогда

jA = bAi- СA), (4)

где СAi - равновесная концентрация на границе раздела фаз. Соотношение (4) поясняет физических смысл коэффициент массоотдачи и математически выражает экспериментально установленный факт, называют иногда законом Щукарева, - количество вещества, перенесенное в единицу времени через единицу площади поверхности, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока.

Движущая сила в уравении (4) может быть выражена в различные единицах, используемых для описания состава фаз, в соответствии с чем меняются и размерности b . Hаиболее употребит. соотношения следующие:

jA = b CAi - CA) =b yAi - уA) = b G(pAi- pA), (5)

где jA - имеет размерность моль/(м2* с), СА и СAi - моль/м3, b C - м/с, уA и уAi - молярная доля компонента А соответственно в ядре потока и на границе раздела фаз, b y - моль/(м2* с), рА и рAi - парциальные давления компонента А в газовой (паровой) фазе соответственно в ядре потока и на границе раздела фаз, в Па, b G - моль/(м2* с* Па). Зная соотношения между различные способами выражения состава фаз, нетрудно пересчитать значение коэффициент массоотдачи в любой системе единиц.

Количеств. зависимости, как теоретич., так и экспериментальные, для скорости массоотдачи в данной фазе часто записывают в обобщенных переменных, имеющих смысл критериев подобия (см. Подобия теория).

Анализ методами теории подобия уравения конвективной диффузии (1) позволяет получить диффузионное число Фурье Fo» = DABt /l2 (где l - характерный линейный размер, в м), которое характеризует изменение потока диффундирующей массы во времени и необходимо только для характеристики нестационарных процессов, а также диффузионное число Пекле Ре» = ul/DAB. К этим величинам должны быть добавлены безразмерные параметры, получаемые из уравения движения: число Рейнольдса Re = ul/n , где n - кинематич. вязкость, в м2/с; число Фруда Fr, а для случая естеств. конвекции также число Грасгофа для МАССООБМEН Gr». Число Пекле часто преобразуют к виду Ре» = ReSc, где Sc = n /DAB - число Шмидта.

Определяемый параметр в виде безразмерной формы коэффициент массоотдачи находят из граничного условия на поверхности раздела фаз:

jA = bC(CAi - CA) = - DAB (grad СА)i , (6)

где (grad СА)i - величина градиента концентрации компонента А на границе раздела фаз по нормали к ней. Соотношение (6) отражает тот факт, что поток вещества на межфазной границе непрерывен и определяется только мол. диффузией. Из соотношения (6) нетрудно получить безразмерный параметр Sh = b l/DАB, называют числом Шервуда.

Для установившегося вынужденного течения, когда влиянием объемных сил можно пренебречь, справедливы функцион. зависимости:

Sh = f (Re, Sc), (7)

Sh = const RenScm. (7a)

Соотношения вида (7) и (7а) - наиболее часто используемые формы безразмерных зависимостей для расчета коэффициент массоотдачи. Величины const, n и m определяют экспериментально или получают в результате преобразования к безразмерному виду теоретич. решения. Так, решение задачи стационарной массоотдачи от твердой сферич. частицы диаметром d в бесконечную неподвижную жидкость приводит к постоянному значению числа Шервуда Sh = b C d/DAB = 2.

Простейшим примером конвективной диффузии может служить решение уравения (1) для случая массоотдачи от пластины к продольному потоку несжимаемой жидкости. При ламинарном пограничном слое теоретич. решение легко преобразовать к виду

Shx = 0,332 Rex1/2Sc1/3, (8)

где Shx = b C x/DAB, Rex = Ux/n , х - расстояние от передней кромки пластины, в м, (U - скорость набегающего потока, в м/с, b C = jA/(CAi - СА) - локальный коэффициент массоотдачи на расстоянии х.

Коэф. b для описания элементарных актов МАССООБМEН в стекающих пленках, пузырях, каплях, струях и пр. находят также с помощью ряда упрощенных теоретич. моделей или на основе аналогии между процессами переноса кол-ва движения, теплоты и массы. наиболее известны модели "неподвижной пленки", турбулентного пограничного слоя и "проницания".

В модели неподвижной пленки принимается, что у границы раздела фаз существует тонкий слой жидкости (газа), в котором сосредоточен весь градиент концентрации, и перенос через этот слой происходит исключительно вследствие мол. диффузии. Толщина этого слоя d подбирается такой, чтобы получить экспериментально наблюдаемое значение b = DAB/d . С помощью этой модели нельзя предсказать значение d , однако модель позволяет вполне надежно рассчитывать скорость массоотдачи при одновременном протекании химический реакции, если проводить сопоставление со скоростью в тех же условиях при отсутствии реакции. Основные недостаток модели состоит в том, что она дает зависимость b ~ DAB, которая не подтверждается экспериментально. Развитие теории пограничного диффузионного слоя и эксперим. данные показали, что толщина этого слоя зависит от гидродинамич. условий, причем величина d связана с толщиной гидродинамич. пограничного слоя d 0 соотношением

d ~ d 0Sc- 1/3 (9)

Если в соотношение (9) подставить значение d 0, например для ламинарного пограничного слоя, обтекающего пластину, , и записать b = DAB/d , то после несложных тождеств. преобразований получим с точностью до постоянной теоретич. соотношение (8). Таким образом оказывается, что для массоотдачи от твердой стенки в ламинарный пограничный слой b ~ DAB2/3.

Модель турбулентного пограничного слоя описывает перенос между фиксированной границей раздела и турбулентным потоком жидкости (газа). Для определения плотности потока вещества используют выражение (3), пренебрегая конвективным МАССООБМEН По известному значению потока и разности между средней концентрацией и концентрацией вблизи стенки вычисляют b . Так, применение этой модели к массоотдаче от твердой сферич. частицы, взвешенной в турбулентном потоке жидкости, позволяет получить b = 0,267Sc- 3/4(en )1/4, где e - скорость диссипации энергии, в Вт/кг. Уравнение справедливо для частиц с диаметром d > 100 мкм. Основные трудность заключается в определении зависимости ЕM от расстояния от стенки у (в м). Обычно принимают ЕM ~ y3 или ЕM ~ у4. Предложено много эмпирическая и полуэмпирическая зависимостей для определения ЕM.

В целом, модели пограничного слоя лучше всего описывают процессы МАССООБМEН на твердых фиксированных поверхностях. К границе раздела между газом и жидкостью, по-видимому, более применимы модели нестационарного МАССООБМEН (см. ниже).

Так, в модели проницания рассматривается процесс неустановившейся диффузии за характерный для данной системы (движущиеся пленки, пузыри, капли) короткий промежуток времени контакта двух фаз t e. Конвективным переносом пренебрегают. В этом случае выражение для среднего за время t е коэффициент массоотдачи имеет вид

Из модели проницания следует, что b ~ DAB1/2. Эта зависимость получила подтверждение в многочисленные эксперим. работах по МАССООБМEН на границе раздела газ (пар) - жидкость. В ряде простых случаев удается оценить время t e, что делает возможным использование уравения (10). Так, при ламинарном отекании пленки жидкости по вертикальной поверхности высотой l время контакта элемента поверхности с газовой фазой (например, при абсорбции) t e = l/ui, где ui - скорость на поверхности пленки жидкости. В этом случае безразмерная форма выражения (10) имеет вид

Sh = bq /DAB = 0,725 Re1/3SC1/2 (q/l)1/2, (11)

где q = (n 2/g)1/3 - приведенная толщина пленки, в м, g - ускорение свободный падения, в м/с2. Соотношение (11) подтверждается экспериментально для случая кратковременного контакта газа с гладкой пленкой жидкости.

Для турбулентных потоков существ. дополнением теории проницания явилась теория обновления поверхности П. Данквертса. Он предположил, что турбулентные пульсации достигают границы раздела фаз, представляющей собой мозаику обновляющихся элементов поверхности, каждый из которых характеризуется своим временем жизни в пределах от нуля до бесконечности. Усредненный по времени коэффициент массоотдачи в этом случае имеет вид:

где s - скорость обновления поверхности, в с- 1. Как правило, значения s неизвестны и уравение (12) используют главным образом для анализа и интерпретации эксперим. данных. В отдельных случаях величина s может быть определена, однако для этого необходимы детальные сведения о структуре турбулентности вблизи границы раздела жидкость - газ. Согласно выражению (12) b ~ DAB1/2.

Для определения коэффициент массоотдачи используют также аналогию между массоотдачей, теплоотдачей (см. Теплообмен) и переносом кол-ва движения, основанную на сходстве уравений, описывающих соответствующие потоки. Простейшая форма таких соотношений - известная аналогия Рейнольдса:

согласно которой число Стантона St пропорционально коэффициент трения Фаннинга f = t 0/r u2, где t 0 - касательное напряжение на стенке, в Па, r - плотность среды, в кг/м3 (например, для турбулентных потоков в гладких трубах f = 0,0791 Re- 1/4). Соотношение (13) можно использовать только при Sc ~ 1. Т. Чильтон и А. Кольборн предложили эмпирическая соотношение:

St = (0,5f)Sc- 2/3. (14)

Оно является одним из наиболее полезных и определенно простейшим среди многие выражений, связывающих перенос массы, теплоты и кол-ва движения. Экспериментально установлено, что соотношение (14) справедливо для турбулентных потоков жидкостей и газов в интервале Sc от 0,6 до 3000 и выше. Существенным для соотношений (13) и (14) является то, что f в них характеризует поверхностное трение. Поэтому в случае плохо обтекаемых тел, когда преобладает сопротивление формы, эти соотношения неприменимы.

Изложенные выше теоретич. методы, модели и аналогии позволяют определять коэффициент массоотдачи в движущихся сплошных фазах только в отдельных, хотя и многочисленных, случаях на поверхностях с простой конфигурацией. Обычно конкретный вид зависимости этих коэффициент от рабочих параметров процесса устанавливают опытным путем для каждого типа аппаратов.

МАССООБМEН в системах с твердой фазой (например, в случаях адсорбции, сушки, экстрагирования из твердых тел) кроме рассмотренной выше массоотдачи от поверхности раздела фаз в поток жидкости (газа, пара) включает и перемещение вещества в твердом теле по различные механизмам.

Различают: 1) непористые материалы, в которых поглощение распределяемого вещества определяется механизмом абсорбции, а его перемещение - мол. диффузией; 2) капиллярнопористые материалы, когда перенос распределяемого вещества происходит по системе пор; 3) коллоидные капиллярнопористые материалы, в которых стенки пор проницаемые и перенос массы осуществляется в результате суммарного действия механизмов, характерных как для непористых, так и для капиллярнопористых материалов. Для описания внутр. МАССООБМEН в системах с пористой твердой фазой пользуются так называемой коэффициентами "стесненной диффузии", т. к. в пористом материале коэффициент диффузии всегда меньше соответствующего DAB в сплошной среде.


Коэффициент массопроводности. Более общий кинетическая подход к описанию процессов МАССООБМEН в системах с твердой фазой основан на понятии массопроводности. Определением коэффициент массопроводности ks служит уравение (2), если в нем DAB заменен на ks. Принимают, что плотность потока вещества, переместившегося в пористой твердой фазе в результате массопроводности, пропорциональна градиенту концентрации. Коэф. ks не является постоянной величиной. Он зависит от природы процесса, структуры твердого пористого тела (величины и конфигурации пор, распределения пор по размерам, характера соединения их между собой), энергетич. состояния поверхности стенок пор, степени физических-химический сродства молекул распределяемого вещества и твердого тела, температуры, физических-химический свойств системы.

Дифференц. уравение массопроводности имеет вид

дcAt = div(ks gradCA). (15)

В общем случае ks - функция концентрации распределяемого вещества. Это обстоятельство - естеств. результат того, что с изменением концентрации происходит, по существу, изменение системы твердое тело - распределяемое вещество. Уравнение (15) должно быть дополнено уравением типа (6), характеризующим условия на границе раздела твердой и жидкой (газовой, паровой) фаз:

- ks(дCA/дx) = b C(CAi - CA). (16)

Методы теории подобия позволяют из уравения (15) получить диффузионное число Фурье в виде Fo» = kst /l2, а из уравения (16) - диффузионное число Био Bi» = b Cl/ks. Дифференц. уравение массопроводности для простейших случаев одномерного перемещения вещества связывает число подобия (СА — CAi)/(CAo — CAi), представляющее собой безразмерную концентрацию распределяемого вещества в твердой фазе в точке с координатой х (САо - начальная концентрация компонента A, СА - его концентрация в точке с координатой х в момент времени t ), функцион. зависимостью с числами Fo» (в момент времени t ) и Bi» и безразмерной координатой точки x/d (d - определяющий размер тела, составляющего твердую фазу), в которой концентрация равна СА. Коэф. ks обычно определяют экспериментально.


Коэффициент массопередачи. При расчете скорости МАССООБМEН между двумя фазами часто используют коэффициент массопередачи, определением которых служит уравение массопередачи:

jA = Ky(yA - yA*), (17)

где Ку - коэффициент массопередачи, в моль/(м2* с), отнесенный к гипотетич. движущей силе в фазе Y (газ, пар), уA - мольная доля компонента А в ядре потока фазы, уA* - мольная доля компонента А, отвечающая равновесию со всей фазой х (жидкость). Аналогично можно найти коэффициент массопередачи Кх и движущуюся силу (хA* - xА), где хA - мольная доля А в ядре потока фазы, xA* - мольная доля A, отвечающая равновесию со всей фазой Y.

Связь между коэффициент массоотдачи в фазах и коэффициент массопередачи находят на основе двухпленочной модели Льюиса и Уитмена. Предполагают существование двух тонких концентрац. слоев вблизи границы раздела фаз ("пленочная" модель) и принимают условия равновесия на границе раздела фаз, хорошо подтвержденное многочисленные экспериментами.

Очевидное соотношение jA = b хАi - xА) = b yA - уAi) = КуА — уА*) позволяет найти:

1/Ky = 1/b y + m/b x , (18)

где т = (yAi — yA*)/(xAi - хA), xAi и yАi - равновесные концентрации А на границе раздела фаз; m - тангенс угла наклона равновесной линии (в координатах xА, уA) в интервале концентраций от хA, уA* до xAi, yAi. Выражение (18) записано для локального коэффициент массопередачи Ку. Величины, обратные коэффициент массоотдачи, имеют смысл сопротивлений переносу вещества в соответствующих фазах и называют фазовыми сопротивлениями переносу вещества. Соотношение (18) называют иногда уравением аддитивности фазовых сопротивлений. Линейные соотношения (18) между общим (1/Ку) и фазовыми "сопротивлениями являются строгими только при линейном соотношении между составами равновесных фаз (закон Генри). Последнее условие наблюдается всегда для локальных коэффициент при малом изменении движущей силы. При искривленной линии равновесия необходимо учитывать изменение m с концентрацией. Коэф. массопередачи для фаз х и у связаны соотношением 1/Кх / 1/т»Ку, где т» = (yA - yA*)/(хA* — хA). Ограничения, связанные с кривизной равновесной линии, становятся несущественными в случаях, когда процесс контролируется сопротивлением газовой, паровой (1/b у >> m/b x) или жидкой (1/b х >> mb у) фазы.

Принцип аддитивности фазовых сопротивлений нельзя надежно использовать до тех пор, пока надлежащим образом не определены все сопротивления. Если на границе раздела фаз имеется ПАВ, то необходимо учитывать диффузионное сопротивление поверхности раздела. Кроме того, наличие ПАВ меняет гидродинамич. структуру потока вблизи границы раздела, что отражается на величине b x или b у, либо обоих коэффициент одновременно. Даже когда поверхность чистая, под воздействием массопередачи может возникнуть поверхностная конвекция, которая значительно повышает преимущественно b х, но может отразиться и на b y. Конвективные потоки на поверхности в виде регулярных структур появляются вследствие возникновения локальных градиентов поверхностного натяжения (эффект Марангони), из-за естеств. конвекции вследствие разности в плотностях у границы раздела и в ядре фазы и по ряду др. причин.

При расчетах движущей силы весьма существенным является также учет тепловых эффектов в процессах МАССООБМEН Вблизи границы раздела фаз могут возникнуть достаточно большие градиенты температуры, приводящие к существ. изменению истинных равновесных концентраций. При учете всех названных явлений расчет кинетики МАССООБМEН на основе коэффициент массоотдачи достаточно обоснован.

Если определение истинной поверхности контакта фаз затруднено, в практическое расчетах МАССООБМEН используют условные коэффициент массоотдачи b уа и b хa, где а - площадь поверхности контакта фаз (в м- 1), приходящаяся на 1 м3 объема аппарата. Тогда количество вещества GA (в моль/с), переданного в единицу времени, при рабочем объеме аппарата V = HF, где H - высота рабочей зоны аппарата, F - площадь его поперечного сечения, составит

где - средняя движущая сила МАССООБМEН Произведение Куа иногда называют объемным коэффициент массопередачи. При этом

где yA1, yA2 - соответственно начальная и конечная локальные концентрации перераспределяемого компонента А в газовой (паровой) фазе. В случаях, когда линии фазового равновесия и рабочие линии процесса (уравение материального баланса) являются прямыми,

где D y1 = (yA1 - yA1*), D y2 = (уА2 - yA2*) - движущие силы в начале и в конце поверхности фазового контакта. Средняя движущая сила МАССООБМEН может быть отнесена к любой из двух фаз рассматриваемой системы (можно использовать Кх и ). Из уравений (19)-(21), учитывая, что GA = G(yA1 - уА2), где G - расход газовой фазы (в моль/с), находят рабочую высоту аппарата:

Интеграл в правой части уравения (22) представляет собой некоторое безразмерное число N, определяемое величиной движущей силы и пределами изменений концентраций, а величина G/KyaF, имеющая размерность высоты, на которой переносится вещество, характеризует скорость МАССООБМEН и называют общей высотой единицы переноса hoy. По принципу аддитивности фазовых сопротивлений hоу связана с величинами фазовых высот соотношением:

где hy и hx - высоты единицы переноса в газовой и жидкой фазах соответственно, L - расход жидкой фазы (в моль/с), параметр mG/L = l называют иногда фактором диффузионного потенциала. Аналогичная уравению (23) зависимость может быть записана и для hох. Значения hox, hoy, hx, hy определяют, как правило, на основании опытных данных или рассчитывают по известным коэффициент массоотдачи.

Т. обр., высоту Н находят из уравения:

H = hoyNoy = hoxNox. (24)

Безмерные величины выражают перепады концентраций компонента А, приходящиеся на единицу локальной движущей силы, и называют числами единиц переноса. Число единиц переноса при однонаправленной диффузии (абсорбция, экстракция) определяется уравением:

Связь между Noy и Nox может быть найдена из соотношения между тангенсом угла наклона линии равновесия т и рабочей линии процесса L/G:

Noy/Nox=1/l , hoy = hoxl .

Изложенный выше метод расчета кинетики МАССООБМEН применим главным образом к аппаратам с непрерывным контактом фаз - насадочным, пленочным, роторным. Эффективность массообменного аппарата может быть выражена также через число теоретич. ступеней контакта или число теоретич. тарелок, а кинетическая характеристика - через кпд, что часто используется для описания МАССООБМEН в колоннах с дискретным контактом фаз (см. Тарельчатые аппараты), или через высоту, эквивалентную теоретич. ступени контакта.

Число теоретич. тарелок может быть найдено аналитически путем совместного решения уравений, описывающих равновесную и рабочую линии процесса, или графически. В последнем случае строятся ступени между рабочей и равновесной линиями в пределах заданных концентраций. Следует иметь в виду, что одна теоретич. тарелка выражает одно изменение движущей силы по газовой D уА и одно по жидкой D xА фазам, причем число теоретич. тарелок и движущая сила процесса находятся в обратном соотношении, т. е. чем больше движущая сила, тем меньше потребуется теоретич. тарелок для заданного разделения. Действительное число тарелок, которое необходимо установить в аппарате, определяется с помощью кпд. Различают: кпд колонны h , кпд тарелки h T и точечный кпд h O.

Кпд колонны - отношение числа теоретич. тарелок п к числу тарелок пд, практически установленных в колонне, т. е. h = п/пд. Среднюю эквивалентную высоту теоретич. ступени контакта (теоретич. тарелки) hэ = H/n, где H - высота слоя насадки (в м), используют чаще всего для описания кинетики МАССООБМEН в посадочных аппаратах и пленочных аппаратах. Локальный (или точечный) кпд h O представляет собой отношение разности концентрации пара (газа), поднимающегося в данной точке тарелки, и среднего состава пара (газа), поступающего на эту тарелку, к разности равновесной концентрации пара, отвечающей составу жидкости, покидающей эту тарелку, и среднего состава пара, поступающего на нее. Кпд тарелки h T, или кпд Мерфри, представляет собой отношение изменения среднего состава пара (газа) или жидкости на тарелке к изменению состава при достижении равновесной концентрации в результате контакта фаз на тарелке. По значениям h O и h T оценивается эффективность тарелки. Соотношение между ними определяет степень смещения жидкости на тарелке. При полном перемешивании жидкости и пара значения h O и h T для каждой фазы совпадают.

Связь между различные способами выражения движущей силы и кинетическая характеристик устанавливается в виде следующей соотношений

1 - h O = ехр[- KyaFH/G] = exp(- Noy);

h Tx = Nox/(1 + Nox); hoy/hэ = n/Noy = (l + 1)/ ln l .

Если линия равновесия и рабочая линия параллельны, то mG/L = l = 1 и hэ = hоу = hох.

Т. обр., при расчете процессов массопередачи движущую силу процесса и кинетику МАССООБМEН принято выражать тремя способами: 1) движущую силу процесса - через разность концентраций, а кинетику - через коэффициент массопередачи; 2) движущую силу процесса - косвенно, через число единиц переноса и параметр l , а кинетику - через высоту единицы переноса; 3) движущую силу процесса - косвенно, через число теоретич. ступеней контакта или через число теоретич. тарелок, а кинетику - через кпд или через высоту, эквивалентную теоретич. ступени контакта.


Массообменные аппараты. Эти аппараты конструируют таким образом, чтобы в них создавались макс. поверхность МАССООБМEН, миним. гидравлич. сопротивление при макс. интенсивности межфазного переноса. Обычно стремятся уменьшить габариты аппарата с целью снижения материалоемкости и обеспечить экологич. чистоту отходящих потоков.

В основу классификации массообменных аппаратов положен принцип образования межфазной поверхности: 1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта; к этому типу относятся насадочные и пленочные аппараты, а также аппараты (для сушки, с псевдоожижением), в которых осуществляется взаимодействие газа (жидкости) с твердой фазой; 2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; среди аппаратов этого типа наиболее распространены тарельчатые, для которых характерно дискретное взаимодействие фаз по высоте аппарата; к этому классу следует также отнести насадочные колонны, работающие в режиме эмульгирования фаз, и аппараты, в которых осуществляется МАССООБМEН в системе жидкость - жидкость (экстракция); 3) аппараты с внешний подводом энергии - аппараты с мешалками (см. Перемешивание), пульсационные аппараты, вибрационные (см. Вибрационная техника), роторные аппараты и др.

Основные параметры при расчете массообменных аппаратов -диаметр аппарата D и его высота H или длина зоны контакта, необходимая для завершения процесса разделения до заданных конечных концентраций. Эта величина определяется на основе кинетическая расчета, изложенного выше. Диаметр аппарата зависит от скорости сплошной фазы U, рассчитываемой для полного сечения аппарата и называют приведенной скоростью. Для оценки предельно допустимого значения U часто используют фактор , где r G - плотность газовой (паровой) фазы. Эффективность работы массообменных аппаратов оценивают в основные энергетич. затратами на МАССООБМEН и капитальными вложениями.

При расчете и конструировании массообменных аппаратов исключительно важное значение имеют вопросы масштабного перехода от лабораторная условий к промышленным, а также проблемы моделирования и оптимизации.

Ближайшие и отдаленные перспективы химический технологии несомненно связаны с развитием массообменных процессов и аппаратов. Пути снижения энергo- и материалоемкости существующих производств в основные сводятся к совершенствованию тепломассообменных процессов. Эффективность защиты окружающей среды от газовых выбросов и пром. сточных вод определяется успехами катализа и в равной мере эффективностью массообменных процессов, таких, как абсорбция, экстракция, адсорбция и др.

Hаиболее перспективные пути интенсификации массообменных процессов - использование явлений самоорганизации на межфазной поверхности (например, в результате возникновения локальных градиентов поверхностного натяжения), организованная нестационарность массопередачи, воздействие пульсаций и вибраций, звуковых и ультразвуковых колебаний, электрический и магн. полей, разработка новых гидродинамич. режимов и направленное совмещение химический и массообменных процессов.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
аквапарк г судак
купить светодиодную надпись такси
ограды из сварной сетки
урна металличская

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.05.2017)