Основы массопередачи

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы), называются массообменными. К массообменным процессам относятся: абсорбция, адсорбция, ионный обмен, перегонка и ректификация, растворение и кристаллизиция, сушка, экстрагирование и экстракция, мембранные процессы.

Движущей силой массобменных процессов является разность концентраций. При растворении вещества в воде оно переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую. При разбавлении растворов происходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз. Переход вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называется массопередачей. Значит, в основе наших представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Массоперенос начинается, если концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Достижение равновесия системы подчиняется принципу Ле-Шателье: реакция системы против внешнего воздействия направлена на уменьшение этого воздействия. При этом, скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между его фактической концентрацией в данной фазе и равновесной концентрацией. Это и есть истинная движущая сила этого процесса.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, которое гласит: для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два:

С = К – Ф + 2 (29)

Число степеней свободы – это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах). Если однокомпонентная система состоит из двух фаз находящихся в равновесии, число степеней свободы в этом случае равно 1. Это значит, что для нее произвольно выбирать можно только один параметр, с помощью которого эту систему можно будет вывести из равновесия и начать технологический процесс. Например, для однокомпонентной системы вода-пар от изменения давления изменяются количество воды, обращенной в пар и температура смеси.

Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих кинетических закономерностей физико-химических процессов: скорость процесса равна движущей силе, деленной на сопротивление:

d²M/dFdτ = ΔC/R, (30)

где dM – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, dF – площадь поверхности фазового контакта; dτ – продолжительность процесса; ΔC – движущая сила массообменного процесса; R – сопротивление массопереносу.

Заменив сопротивление R в уравнении (30) на коэффициент массопередачи

k_м = 1/R и проинтегрировав его по времени получим для установившихся процессов основное уравнение массопередачи:

М = k_м ΔC F (31)

Дата добавления: 2014-01-07