Масообмінні процеси. Основи масопередачі. Рівновага при масопередачі

Лекція №8.

СРС – бінарні суміші [1-5, 45-53].

Масообмінними процесами називають процеси, швидкість яких визначається законами перенесення маси з однієї фази в іншу крізь поверхню поділу фаз.

Коментар:

Фаза – це сукупність усіх частин гетерогенної системи, які обмежені поверхнями поділу й мають однакові фізичні властивості в усіх своїх точках, якщо немає зовнішніх полів

Масообмінні процеси широко використовуються в промисловості для концентрування й розділення рідких, газоподібних і твердих сумішей, у тому числі і для захисту навколишнього середовища (передусім для очищення стічних вод і відхідних газів).

Найбільшого поширення в промисловості набули такі масообмінні процеси (рисунок 1):

- абсорбція – процес вибіркового вбирання газів або парів рідким вбирачем – абсорбентом. При абсорбції має місце перехід речовини з газової або парової фази в рідку;

- адсорбція – процес вибірного вбирання газів, парів або розчинених у рідині речовин твердим вбирачем – адсорбентом. При адсорбції речовина переходить з газової, парової або рідкої фази у тверду;

Коментар:

Вбирання твердим тілом або рідиною речовин з навколишнього середовища називається сорбцією (від лат. sorbeo - вбираю).

- десорбція – процес виділення з рідкого або твердого вбирача увібраних речовин. При десорбції речовина переходить з рідкої фази у газову або парову, а з твердої – у газову, парову або рідку;

- іонний обмін – процес вибірного видобування іонів з розчинів електролітів. У цьому процесі речовина переходить з рідкої фази у тверду;

- дистиляція (перегонка) – процес розділення рідких сумішей на різні за складом фракції, збагачені тим чи іншим компонентом, що мають різні температури кипіння, шляхом одноразового часткового випарювання розділюваної рідини й конденсації утворених парів;

- ректифікація – процес розділення рідких сумішей на практично чисті компоненти, що мають різні температури кипіння, шляхом багаторазового випарювання розділюваної рідини й конденсації утворених парів;

- екстракція з рідин (рідинна екстракція) – процес видобування речовини, розчиненої в одній рідині, іншою рідиною, причому ці рідини обмежено розчинні одна в одній. При рідинній екстракції речовина переходить з однієї рідкої фази в іншу рідку фазу;

Коментар:

Малорозчинна речовина – речовина, для розчинення 1 г якої потрібно від 30 до 100 г розчинника. Погано розчинна речовина - речовина, для розчинення 1 г якої потрібно від 100 до 1000 г розчинника. Дуже погано розчинна речовина - речовина, для розчинення 1 г якої потрібно від 1000 до 10 000 г

- екстракція з твердих тіл - процес видобування рідиною речовини на основі вибірної розчинності з твердого пористого матеріалу. У цьому процесі речовина переходить з твердої фази в рідку;

- сушіння – процес видалення вологи з твердих вологих матеріалів, в основному шляхом її випаровування. При сушінні волога з твердого матеріалу переходить у газову або парову фазу;

- кристалізація – процес виділення твердої фази у вигляді кристалів з розчинів, розплавів або парів. При кристалізації відбувається перехід речовини з рідкої фази у тверду;

- мембранні процеси – це процеси вибіркового видобування компонентів з газової, парової або рідкої суміші з використанням мембран. У цих процесах речовина переходить з однієї фази в іншу крізь мембрану, що їх розділяє.

Отже, у всіх указаних процесах речовина (або кілька речовин) переходить з однієї фази в іншу.

Процес переходу речовини (або кількох речовин) з однієї фази в іншу в напрямку досягнення рівноваги називається масопередачею.

На відміну від теплопередачі, яка реалізується крізь стінку, масопередача відбувається зазвичай при безпосередньому контакті фаз (за винятком мембранних процесів). При цьому межа контакту фаз (тобто поверхня контакту фаз) може бути рухомою (вільною) (системи газ – рідина, пара – рідина, рідина - рідина) або нерухомою (газ – тверде тіло, пара – тверде тіло, рідина – тверде тіло).

Рисунок 1. Основні масообмінні процеси

Під час масопередачі речовина рухається спочатку з однієї фази до межі поділу фаз, а потім, пройшовши її, - від межі поділу фаз у іншу фазу. Перенесення речовини з фази до межі поділу фаз або навпаки називають масовіддачею.

Необернений процес перенесення маси компонента суміші у межах однієї або кількох фаз називається масообміном. Отже, масообмін містить масовіддачу та масопередачу. При цьому розрізняють еквімолярний масообмін (наприклад ректифікація), при якому крізь поверхню поділу фаз у протилежних напрямках переноситься однакова кількість компонентів, і нееквімолярний (наприклад абсорбція).

Процеси масообміну зазвичай обернені. При цьому напрямок переходу речовини визначається концентраціями речовин у фазах і умовами рівноваги. Процес переходу речовини з однієї фази, наприклад , в іншу () в заізольованій замкненій системі, яка складається з двох або більше фаз, виникає самочинно і триває доти, доки між фазами за даних умов не встановиться рухома фазова рівновага. Якщо після цього кількість розподілюваної речовини М збільшити в одній розподілюваній фазі, наприклад , то речовина М почне переходити з фази у фазу , і цей перехід триватиме доти, доки між фазами і не відновиться рівновага.

Масообмінні процеси з рухомою межею фаз за принципом участі фаз у масопередачі поділяють на дві групи. До першої з них належать процеси, у яких беруть участь щонайменше три речовини: дві розподілювальні, які утворюють фази і , і одна розподілювана речовина М, наприклад при вбиранні (речовина М) водою (фаза ) з аміачно-повітряної суміші (фаза ); у цьому разі розподілювальні речовини називаються носіями. До другої групи процесів (дистиляція й ректифікація) належать процеси, у яких речовини, що утворюють фази, беруть безпосередньо участь у масообмінних процесах і тому не можуть розглядатися як носії розподілюваної речовини.

У процесах масообміну розрізняють два процеси перенесення речовини – молекулярний і конвективний.

У нерухомому середовищі речовина переноситься внаслідок теплового руху молекул (атомів, іонів), якому чинять опір сили внутрішнього тертя, такий процес називають молекулярною дифузією.

Конвективне перенесення (конвективна дифузія) характеризується перерозподілом речовини рухомими частинками потоку в умовах турбулентного руху фаз. Конвективне перенесення речовини під дією турбулентних пульсацій іноді називають турбулентною дифузією.

Основними питаннями, які вивчають у масопередачі, є закони фазової рівноваги (вони дозволяють установити рівноважні концентрації й напрямок ходу процесу), рушійна сила масообмінних процесів і коефіцієнти швидкості масообмінних процесів. Два останні питання вивчає кінетика масопередачі.

Дата добавления: 2014-01-07