Способы выражения состава фаз. Законы фазового равновесия

Классификация массообменных процессов и их общая характеристика

Классификация массообменных процессов и их общая характеристика. Способы выражения состава фаз. Законы фазового равновесия

В химической технологии широко применяются процессы, протекающие при непосредственном соприкосновении различных фаз исопровождающиеся переходом вещества из одной фазы в другую. Такие процессы получили название массообменных (Лазарев).

Процессом массообмена называется диффузионный переход одного или нескольких компонентов бинарных и многокомпонентных смесей из одной фазыв другую(Гельперин).

Различают два варианта массообмена:

- односторонний,

- двухсторонний.

В первом случае процесс завершается переходом вещества из одной фазы в другую, во втором - встречным переходом веществ из каждой фазы в другую.

Различают следующие массообменные процессы (см. рис.1.1):

- абсорбция;

- экстракция;

- ректификация;

- адсорбция;

- сушка;

- кристаллизация;

- растворение.

Рис.1.1. Основные массообменные процессы

Абсорбция - поглощение газов иди паров жидким поглотителем (аб­сорбентом). При абсорбции вещество переходит из газо­вой или паровой фазы в жидкую. Обратный процесс выде­ления газа из жидкости называется десорбцией.

Экстракция - извлечение вещества из жидкого или твердого тела другой жидкостью. При экстракции вещество переходит или из жидкости в жидкость, или из твердого тела в жидкость. В последнем случае процесс называется выщелачиванием.

Ректификация - разделение гомогенных жидких смесей путем многок­ратного взаимодействия между жидкой и паровой фазами. При ректификации вещества переходят из жид­кой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Адсорбция - процесс поглощение газа, пара или вещества из раство­ра твердым пористым поглотителем (адсорбентом). При адсорбции вещество переходит из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс - десорбция. Разновидностью адсорбции является ионный обмен - про­цесс разделения, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов электролитов.

Сушка - удаление влаги из твердых материалов главным образом пу­тем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.

Кристаллизация - выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация харак­теризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости.

Растворение - процесс обратный кристаллизации, характеризуется переходом твердой фазы в жидкую (растворитель).

Для всех названных процессов общим является переход вещества из одной фазы в другую.

Подобно теплообмену, который включает в себя более узкие понятия - теплоотдачу и теплопередачу, массообмен также подразделяется на массоотдачу и массопередачу.

Массопередача - представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос его через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы.

Массоотдача - перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной фа­зы.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы.

К первой группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно образует первую фа­зу, другое - вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество. Вещества, составляющие каждую из фаз, являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воз­духом, вода и воздух служат носителями распределяемого вещества - амми­ака.

Ко второй группе относятся процессы (например, ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, са­ми непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматри­ваться как инертные носители распределяемого вещества.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диф­фузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными процессами.

Напомним, что диффузия - это распространение вещества в какой-ли­бо среде в направлении убывания его концентрации, обусловленное тепло­вым движением ионов, атомов, молекул, а также более крупных частиц.

Для диффузионных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе.

Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от сос­тояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов распределяемого вещества.

Отсюда еще одно определение массообмена как самопроизвольного, не­обратимого процесса переноса массы какого-либо компонента из одной фа­зы в другую иди в пределах одной фазы в направлении уменьшения хими­ческого потенциала этого компонента.

Под химическим потенциалом понимают функцию состояния, используе­мую для описания термодинамической системы с переменным числом частиц. В общем случае, химический потенциал многокомпонентной, гомогенной сис­темы (или какой-либо фазы гетерогенной системы) равен приращению изобарно-изотермического потенциала G системы (фазы), обусловленному уве­личением на единицу количества n_i i-го компонента при условии, что давление, температура и количество всех остальных компонентов системы остаются неизменными.

Изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса, свободная энтальпия) равен

где Н - энтальпия;

S - энтропия;

T - термодинамическая температура.

Диффундирующее в пределах фазы вещество, перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, а в расчетах движущую силу процессов массообмена выражают приближенно через разность концентраций распределяемого вещества в данной фазе и в состоянии равновесия с дру­гой контактирующей фазой.

Процессы массопередачи избирательны (селективны) в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальных ее компонентов.

Процессы массопередачи большей частью обратимы, т.е. могут протекать в противоположных направлениях в зависимости от температуры, давления и других условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия.

Обычно количественный состав фаз выражают (см. табл.1.1):

- в объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или 1 кмоль; объемная концентрация представляет собой число килограммов (или киломолей) данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (в кг/м³ или кмоль/м³);

- в массовых (весовых) или мольных долях, представляющих собой отношение килограммов (или киломолей) данного компонента к массе всей фазы, выраженное общим числом килограммов или киломолей соответствен­но;

- в относительных концентрациях, т.е. в виде отношения килограм­мов (или киломолей) данного компонента, являющегося распределяемым ве­ществом к числу килограммов (или киломолей) компонента-носителя, коли­чество которого остается постоянным в процессе массопередачи.

Пересчет массового состава в мольный или наоборот производится следующим образом.

Пусть имеется смесь, состоящая из компонентов А, В,..., K,..., N, массовые доли (или массовые проценты) которых в смеси х_A, х_B, ..., х_K,..., х_N и молекулярные веса равны М_A,, М_B,,..., М_K,,...,М_N..

Число молей любого компонента, например, компонента K, приходяще­еся на 1 кг смеси, составляет х_K/М_K. Соответственно содержание этого компонента в смеси (в мольных долях) составит

(1.1)

Таблица 1.1

Дата добавления: 2014-01-07