Модели массобмена

Министерство  образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «УрФУ  имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Химико-технологический  институт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

«Модели массообмена»

 

 

 

 

 

 

 

 

 Руководитель     

 доц. к.х.н.        Л.Ю. Лаврова

 

 

 

Студент, гр. Х-300807с      М.В. Стихина      

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

Содержание

 

 

Введение

Массообмен  – это самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента (в простейшем случае - с неоднородным полем концентрации или парциального давления этого компонента), в случае термодиффузии массобмен вызывается также разностью температур. Массообменные процессы обычно многостадийны и включают как перенос вещества в пределах одной фазы, так и переход вещества через фазовую поверхность.

Массообмен  осуществляется в результате хаотичного движения молекул (молекулярная диффузия), макроскопического движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках - также в результате хаотичного движения вихрей различного размера. Массообмен 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 массообмен (например, ректификация), при котором через поверхность раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный (например, абсорбция) массообмен.

Массобмен лежит в основе многих технологических процессов: ректификации, экстракции, абсорбции, адсорбции, сушки, изотопного обмена и других, которые широко используются для разделения веществ и для их очистки от вредных или балластных примесей. Общими примерами массообменных процессов являются такие процессы, как испарение от воды из пруда в атмосферу, очищение крови в почках и печени, перегонка спирта и др.

При прохождении  через аппарат потока вещества D, концентрация диффундирующего компонента в котором изменяется от y₁ до y₂, количество вещества G = D (y₁ – y₂), перешедшее за время τ через межфазную поверхность F, определяется уравнением массообмена: G = K Δc F τ, где Δс – средняя разность рабочих и равновесных концентраций фазы, движущая сила процесса массообмена, которая может быть выражена через разности химических потенциалов, концентраций, парциальных давлений и т. д.; К – коэффициент массопередачи, численная величина которого определяется физико-химическими свойствами контактирующих фаз, конструкцией аппарата и гидродинамическими условиями процесса. При технологических расчётах часто используется понятие объёмного коэффициента массопередачи, поскольку неизвестна истинная поверхность контакта фаз.

 

Глава 1. Общая характеристика массообменных процессов

1.1 Основы массопередачи

Массопередача – это самопроизвольный перенос  вещества из одной фазы в другую в направлении достижения системой равновесия.

Технологические процессы, скорость протекания которых  определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называют массообменными процессами. Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды, прежде всего, для очистки сточных вод и отходящих газов, данный пример показан на рис.1-1.

 

Рисунок 1-1 – Связь реактора с разделительной аппаратурой в

технологической схеме

В разделительном агрегате могут проводиться разнообразные  процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионообменные процессы и мембранное разделение. Кроме перечисленных основных процессов разделения должны быть упомянуты и такие, как термодиффузия, зонная плавка и другие.

1.2 Классификация массообменных процессов

Наиболее распространенными  в химической промышленности являются следующие массообменные процессы.

• Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов. Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного газа из жидкости, называют десорбцией.
• Перегонка и ректификация – разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей.
• Экстракция (жидкостная) – извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.
• Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси. Процесс, обратный адсорбции, т.е. выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя, называют десорбцией.
• Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.
• Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.
• Растворение и экстрагирование из твердых тел – это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.
• Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.
• Мембранные процессы – избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки – мембраны. Эти процессы представляют собой переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

Вообще все  массообменные процессы можно разделить  на 5 больших групп:

1. тепломассообменные процессы,
2. сорбционные процессы,
3. экстракционные процессы,
4. электродиффузионные процессы,
5. мембранные процессы.

В свою очередь  эти группы делятся также на подмножества. Виды массообменных процессов представлены на рис.1-2.

Рисунок 1-2 – Классификация массообменных процессов

В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через стенку, массопередача  осуществляется, как правило, при  непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов). При этом граница соприкосновения - т.е. поверхность контакта фаз - может быть подвижной (системы газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость) или неподвижной (газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело).

По этому  принципу массообменные процессы подразделяют на массопередачу:

1) в системах  со свободной границей раздела  фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость- жидкость);

2) в системах  с неподвижной поверхностью контакта  фаз (системы газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело);

3) через полупроницаемые перегородки (мембраны).

1.3 Основное уравнение массопередачи

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов.

Скорость процесса [кг/(м² ∙ с)] равна движущей силе Δ, деленной на сопротивление R:

,                (1-1)                

где М – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени;

S – поверхность  контакта фаз.

Обозначив 1/R = К, получим:

               (1-2)

Уравнение (1-2) называют основным уравнением массопередачи.

Величину К называют коэффициентом массопередачи, его размерность:

Коэффициент К характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую и показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение  массопередачи применяют для  определения поверхности контакта фаз, а исходя из этой поверхности  – размеров массообменных аппаратов.

1.4  Равновесие массообменных систем

В массообмене  участвуют в большинстве случаев три вещества: распределяющее вещество, составляющее первую фазу; распределяющее вещество, составляющее вторую фазу; распределяемое вещество, которое переходит из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую в изолированной замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа фаз, возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами при данных условиях (температуре и давлении) установится подвижное фазовое равновесие. Оно характеризуется тем, что в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул компонента, сколько из второй в первую (т.е. преимущественного перехода вещества из одной фазы в другую нет). Достигнув состояния равновесия, система может находиться в нем без количественных и качественных изменений сколь угодно долго, пока какое-либо внешнее воздействие не выведет ее из этого состояния.

Назовем первую фазу G, вторую L, а распределяемое вещество М. Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах.

Допустим, что  распределяемое вещество находится  вначале только в фазе G и имеет  концентрацию y. В фазе L в начальный момент распределяемого  вещества  нет  и, следовательно,  концентрация  его  в  этой  фазе x = 0.

Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, начнется переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и в последней обнаружится определенная концентрация распределяемого вещества x > 0. С момента появления вещества М в фазе L начинается и обратный переход его в фазу G, но до некоторого момента число частиц М, переходящих в единицу времени через единицу поверхности соприкосновения из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих из фазы L в фазу G; конечным итогом процесса является переход М из фазы G в фазу L.

Через определенный промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из фазы G в фазу L и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которые при равновесии системы называются равновесными.

Возможное существование данной фазы в равновесии с другими определяется законом равновесия фаз Гиббса:

К + C = Ф + N,             (1-3)

где К – количество компонентов в системе;

Ф – число фаз;

N – число степеней  свободы; 

С – число внешних  факторов, влияющих на положение равновесия.

Для процессов  переноса массы С = 2, так как внешними факторами в этом случае являются температура и давление. Правило фаз позволяет определить число параметров, которое можно менять, не нарушая фазового равновесия системы.

Очевидно, что  любой концентрации х соответствует равновесная концентрация y*, и наоборот, любой концентрации y соответствует равновесная концентрация x*.

Чтобы определить направление процесса и его скорость, необходимо знать равновесные концентрации при рабочих условиях или зависимость равновесных концентраций у* распределяемого вещества в одной фазе от рабочей концентрации х в другой, например:

у* = mхⁿ,                (1-4)

где n и m – величины, определяемые опытным путем.

Значение m зависит от физико-химических свойств системы, от температуры, давления, а часто и от концентрации распределяемого между фазами вещества. Поэтому на диаграмме в координатах у - х линии равновесия, описываемые зависимостью (1-4), могут иметь вид кривых (рисунок 1-3).

 

                                  а                                                      б

а – по уравнению (1-4); б – по уравнению (1-6);

1 – рабочая линия; 2 –  линия равновесия

Рисунок 1-3 – Фазовые диаграммы у – х

Для идеального раствора, если его температура выше критической температуры растворяющегося газа, применим закон Генри, по которому парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доле в растворе:

р* = Ех,                (1-5)

где р* – парциальное давление поглощаемого газа над раствором, находящимся в равновесии, при концентрации раствора х;

Е – константа Генри.

При постоянных температуре и давлении зависимость  между равновесными значениями у и рабочими х выражается графически прямой линией, проходящей через начало координат, с углом наклона, тангенс которого равен m.

Закон Генри точен для  идеальных растворов. Если температура идеального раствора ниже критической температуры газа, т.е. происходит конденсация газа, то система подчиняется закону Payля. Для двухкомпонентной системы связь между рабочими и равновесными концентрациями выражается формулой (1-6):