Шпаркалка по "Химии"

Рис. 1-1. Взаимное направление движения потоков  в аппаратах:

а прямоток; ^-противоток

Рассмотрим  установившийся процесс поглощения газа жидкостью (абсорбцию), например поглощение аммиака водой из аммиачно-воздушной смеси (рис. 1-2) при условии отсутствия перемешивания фаз по высоте аппарата. Количество компонента (аммиака), переходящего из газовой фазы в жидкую, из выражения (1.1) определяется как

м == м, = G{y^ - v,) = L(^ - ^), 

Рис. 1-2. К выводу уравнений материального баланса и рабочей линии процесса (на примере абсорбции):

а противоток; б - прямоток

где G и L-расходы соответственно инертного газа и жидкости, кмоль/с; у^ и \\ - концентрации компонентов газа на входе в аппарат и выходе из него, кмоль/кмоль инертного газа; -v„, х^ -концентрации компонента в жидкости на входе в аппарат и выходе из него, кмоль/кмоль инертной жидкости.

Для того чтобы получить связь между текущими концентрациями в фазах, запишем материальный баланс для верхней части аппаратов (сечение 1-1, рис. 1-2, а):

поскольку L/G == const, а второй член правой части уравнения (1.7) также является постоянной величиной, получим

где А = L/G -тангенс угла наклона прямой линии; .о—отрезок, отсекаемый на оси ординат  прямой линией.

Уравнение (1.8) описывает связь рабочих концентраций компонента в потоках, обычно его называют уравнением рабочей линии.

Для прямоточного движения потоков уравнение рабочей  линии получают по аналогии с предыдущим случаем:

Уравнение (1.9) отличается от (1.8) знаком перед коэффициентом А. На рис. 1-2,д и 1-2,6 построены линии рабочих концентраций по уравнениям (1.8) и (1.9), которые в дальнейшем, после рассмотрения условий равновесия систем (гл. 2), позволят подойти к определению движущих сил процессов переноса массы.

в2. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Из первого закона термодинамики может быть сформулировано выражение закона сохранения энергии: внутренняя энергия U изолированной от внешней среды системы постоянна, т. е. U = const.

В уравнении (1.10) величины теплоты Q и производимой работойА характеризуют не систему, а процессы ее взаимодействия с окружающей средой, поэтому они не являются полными дифференциалами. Переход системы из одного энергетического состояния ц другое характеризуется новым значением внутренней энергии I/, sbk как U меняется на определенную величину независимо от пути перехода. Энергетический баланс. При анализе и расчете химико-техно-югических процессов часто необходимо определить расход энергии па его проведение, и в частности, теплоты. Чтобы определить расход теплоты, составляют тепловой баланс как часть общего щергетического баланса. Тепловой баланс составляют для многих процессов, протекающих в реакторах, теплообменных аппаратах, массообменных аппаратах (перегонка жидкостей, сушка и т.п.).

По аналогии с материальным балансом тепловой баланс в общем виде выражается следующим образом:

; ic \Q^ теплота, вводимая в аппарат с исходными материалами; ^Qp тепловой >ффект физических и химических превращений; ^бк теплота, выводимая из аппарата продуктами; ^бп потери теплоты в окружающую среду.

На рис. 1-3 приведены примеры нагревания жидкости в аппаратах идеального вытеснения и идеального смешения. В аппарате идеального вытеснения температура жидкости плавно изменяется по длине аппарата / от начальной ^ до конечной ^, так как текущие н аппарате объемы жидкости вытесняют друг друга, не смешиваясь. 1^ аппарате идеального смешения поступающая жидкость прак-гически мгновенно смешивается с находящейся в аппарате, поэтому начальная температура /ц жидкости в таком аппарате мгновенно изменяется до конечной ^.

Средняя разность температур At^p при условии сохранения начальных температур нагреваемой жидкости ^ и греющего пара t^ (средняя движущая сила процесса) в аппарате идеального вытеснения выше, чем в аппарате идеального смешения. Следовательно, н количество переданной при этом теплоты в аппарате идеального вытеснения больше, т.е. бк.выт > бк.смеш-

Тепловой  баланс для обоих случаев идентичен:

но значения величин, входящих в уравнение (1.12), различны. Поэтому при составлении  тепловых балансов часто приходится принимать модель, по которой работает данный аппарат (идеальное вытеснение, идеальное смешение и т. д.-см. гл. 5), что приводит

Рис. 1-3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах идеального вытеснения (а) и идеального смешения (о):

а-двухтрубный  теплообменник; б -аппарат с мешалкой (7) и паровой рубашкой (2)

к определенной ошибке, так как работа реального  аппарата может отличаться от работы принятой модели.

Помимо  расхода теплоты, энергетический баланс позволяет определить расходы кинетической и потенциальной энергии на проведение процесса (перемещение жидкостей, сжатие и транспортирование газов и др.).

1.3. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ  ИМПУЛЬСА

Закон сохранения импульса (количества движения) является общим выражением первого  закона термодинамики [уравнение (1.10)] для контрольного объема (см. рис. 1-1). Импульс по определению равен произведению массы выделенного элемента жидкости т на вектор скорости его движения н⁷; следовательно, импульс mw-тоже вектор. Поэтому закон сохранения импульса можно представить и в векторной форме, и в скалярной-в виде трех скалярных уравнений в направлениях осей координат х, у, z.

Баланс  количества движения (или импульса) будет рассмотрен в гл. 3 при выводе основных уравнений движения потока.

Подробнее балансы субстанций (массы, энергии  и импульса) будут рассмотрены  далее при анализе и расчете конкретных процессов тепло- и массопереноса. 

    Глава 3 РАЗДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ 

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие по меньшей мере из двух фаз. При этом одна из фаз является сплошной, а другая - дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т. д. Сплошную фазу часто называют дисперсионной средой.

    В зависимости от физического состояния  фаз различают следующие бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

    Суспензия - система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии условно подразделяют на грубые (с частицами размером более 100 мкм), тонкие (содержащие частицы размером 0,1-100 мкм) и коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

    Эмульсия - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

    Пена - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа.

    Пыль - система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером более 5 мкм. В процессах химической технологии пыль образуется преимущественно при дроблении, смешивании и транспортировании твердых материалов.

    Дым - система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером менее 5 мкм; образуется при горении.

    Туман - система, состоящая из газа и распределенных в нем капель жидкости размером менее 5 мкм.

    Пыли, дымы и туманы представляют собой  аэродисперсные системы и носят общее название -  аэрозоли.

    Неоднородные  системы характеризуются концентрацией  дисперсной фазы и размерами образующих ее частиц. Для эмульсий и пен  при определенных концентрациях  дисперсной фазы возможен ее переход  в сплошную; при этом фаза, бывшая сплошной, становится дисперсной. Этот переход называют инверсией фаз.

    В большинстве случаев дисперсные системы содержат частицы, различающиеся  по размеру. Такие системы называют полидисперсными. Они характеризуются фракционным, или дисперсным, составом, т. е. долей частиц определенного размера от общего содержания дисперсной фазы. Иногда встречаются системы, в которых все частицы близки по размерам. Их называют монодисперсными.

    Большинство дисперсных систем неустойчиво, т. е. имеет  тенденцию к укрупнению частиц. Укрупнение капель или пузырей путем их слияния называют коалесценцией, а укрупнение твердых частиц вследствие их слипания - коагуляцией.

    Процессы, связанные с разделением неоднородных систем, играют большую роль в химической технологии при подготовке сырья и очистке готовых продуктов, при очистке сточных вод и отходящих газов, а также при выделении из них ценных компонентов.

    Применяют следующие основные методы разделения: осаждение, фильтрование и мокрую очистку  газов.

    Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс и центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в электрическом поле).

    Фильтрование  - это процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений. В случаях, когда разность давлений создается центробежными силами, процесс называют центробежным фильтрованием.

    Мокрая  очистка газов - процесс разделения, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется, как правило, под действием сил инерции.

    Выбор метода разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, а также  от разницы плотностей дисперсной и  сплошной фаз и вязкости последней.

    Составим  материальный баланс процессов разделения. Пусть разделению подвергается система, состоящая из сплошной и дисперсной фаз.

    Введем  следующие обозначения: G_см, G_оч, G_ос - массовый расход соответственно исходной смеси, очищенной сплошной фазы и осадка (сгущенной дисперсной фазы), кг/с; x_см, x_оч, x_ос - концентрация дисперсной фазы соответственно в исходной смеси, в очищенной сплошной фазе и в осадке, масс. доли.

    При отсутствии потерь вещества в процессе разделения можно записать следующие  уравнения материального баланса:

    по  всему веществу 

    G_см= G_оч+ G_ос                                                                                                          (10.1) 

    по  диспергированному веществу 

    G_см x_см = G_оч x_оч + G_ос  x_ос;                               (10.2) 

    Если  известны расход исходной смеси и все концентрации, то решением уравнений (10.1) и (10.2) можно найти расходы G_оч и G_ос.

    G_оч  = G_см(x_ос -x_см)/(x_ос - x_оч);

3.1. ОСАЖДЕНИЕ 

к основным видам осаждения относят осаждение  под действием сил тяжести - отстаивание; осаждение под действием центробежных сил - циклонный процесс и осадительное (отстойное) центрифугирование; очистку газов в электрическом поле. 

3.1.1. Отстаивание 

Отстаивание применяют в промышленности для  сгущения суспензий или классификации  суспензий по фракциям частиц твердой фазы, для грубой очистки газов от пылей и для разделения эмульсий. Ввиду малой движущей силы (сила тяжести) в процессе отстаивания, возможно с достаточной эффективностью отделять только крупные частицы. Однако отстаивание - это наиболее простой и дешевый процесс среди гидродинамических, поэтому его часто используют для первичного разделения, что удешевляет последующее окончательное разделение гетерогенной смеси более сложными способами.