Шпаркалка по "Химии"

      4. 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 1шзы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из six смеси. Процесс, обратный адсорбции, т.е. выделение сорби-рованного вещества из твердого поглотителя, называют десорбцией.

      5. 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.

      6. Сушка - удаление влаги из твердых влажных материалов, ц 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.

      7. 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.

      8. 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.

      9. Мембранные процессы- избирательное извлечение компонен-\ ов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки-мембраны. Эти процессы представляют собой пере-\од 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.

      Таким образом, во всех перечисленных выше процессах общим является переход  вещества (или веществ) из одной фазы в другую. Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы ^ другую в направлении достижения равновесия называют массопе-редачей. 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 (система газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость) или неподвижной (газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело).

Перенос вещества внутри фазы - из фазы к границе  раздела фаз или  наоборот - от границы  раздела в фазу - называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы-теплоотдачей).

Процессы  массопередачи обычно обратимы. Причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия.

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 температуры и давления не установится подвижное фазовое равновесие. При этом в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул, сколько в первую из второй. Если теперь количество распределяемого вещества увеличить (например, в фазе Фу) на п молекул, то распределяемое вещество будет переходить из фазы Фу в фазу Ф^. Причем скорость перехода будет определяться не общим числом молекул (тА-п) вещества М, находящегося в фазе Фу, а числом молекул, избыточным по отношению к равновесному (т). Так как концентрация пропорциональна числу молекул, то скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между фактической (или рабочей) концентрацией распределяемого вещества в данной фазе (т+п) и равновесной (w). А это означает, что чем больше такая разница, тем больше (при всех прочих равных условиях) перейдет вещества М из одной фазы в другую. Если эта разница отрицательна, то вещество М переходит из фазы Ф^ в фазу Фу (т. е. процесс пойдет в обратном направлении).

Таким образом, знание равновесных концентраций распределяемого вещества позволяет определить направление процесса-из какой фазы в какую будет переходить вещество М - и в определенной степени-скорость процесса.

Как отмечалось выше, массообменные процессы протекают  лишь при нарушении фазового равновесия. Только при этом условии распределяемое вещество переходит из одной фазы в другую. При этом различают два вида переноса вещества - молекулярный и конвективный.

В неподвижной  среде распределяемое вещество переходит  из внутренних слоев данной (первой) фазы к поверхности раздела фаз  и, пройдя ее, распределяется по всему  объему другой фазы, находящейся в контакте с первой. Такой переход массы вещества из одной фазы в другую называют молекулярной диффузией. Она является следствием теплового движения молекул (ионов, атомов), которому оказывают сопротивление силы внутреннего трения.

Конвективный  перенос (конвективная диффузия) характеризуется перемещением (переносом) вещества движущимися частицами по-ока в условиях турбулентного движения фаз. Конвективный перенос вещества под действием турбулентных пульсаций иногда называют турбулентной диффузией.

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

Скорость  процесса [в кг/(м² -с)] равна движущей силе Д, деленной 'ui сопротивление R:

1 i,c dM-количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF поверхность контакта фаз.

Обозначив \/R = К, получим

В последнем  выражении, называемом основным уравнением массопередачи, величина К характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую. По аналогии с процессом теплопередачи коэффициент К называют коэффициентом массо-чсредачи.

Найдем  размерность коэффициента массопередачи:

i.e. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество /•^определяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей < иле, равной единице. Размерность движущей силы может быть ;различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно  уравнение массопередачи применяют  для определения поверхности  F контакта фаз, а исходя из этой поверхности - размеров массообменных аппаратов. В интегральной форме уравнение массопередачи, записанное относительно величины F, примет следующий вид:

Обычно  величина К является функцией многих переменных, и единого уравнения для определения значения К нет.

При анализе  массообменных процессов будем  исходить из условия состояния границы контакта фаз, что существенно различает механизмы процессов переноса массы. По этому принципу массообменные процессы подразделяют на массопередачу в системах со вободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость), массопередачу в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело) и массопередачу через полупроницаемые перегородки (мембраны).

5.1.3 КОНВЕКЦИЯ И МАССООТДАЧА

Под конвективным массопереносом понимаю! процесс переноса вещества при движении жидкости или  газа. Этот процесс происходит как бы механически -макрообъемными частицами жидкостного

или газового потока.

Рассмотрим некоторые вопросы переноса массы внутри одной фазы, т.е. от ядра потока к границе раздела фаз или наоборот-от границы раздела фаз в ядро потока. Полагаем, что в нашем случае процесс массопереноса происходит между газом и жидкостью (процесс абсорбции, т.е. массоперенос идет из фазы Фу в фазу Ф^-), режим движения турбулентный.

Гидродинамические особенности турбулентного потока в канале были рассмотрены в гл. 3. Здесь же следует отметить влияние  гидродинамических условий на перенос  вещества. В пограничном слое толщиной 8^ (рис. 15-2) происходит резкое, близкое к линейному изменение концентраций; поскольку в этой области потока скорость процесса определяется молекулярной диффузией, роль конвективной диффузии мала. Это объясняется тем, что на границе раздела фаз усиливается тормозящее действие сил трения между фазами и сил поверхностного натяжения на границе жидкой фазы. Образование гидродинамического пограничного слоя вблизи поверхности раздела фаз ведет к возникновению в нем диффузионного пограничного слоя толщиной 5д, обычно не совпадающей с 5^. В ядре потока массоперенос осуществляется в основном турбулентными пульсациями, поэтому концентрация распределяемого вещества в ядре потока практически постоянна. Как отмечалось выше, перенос вещества движущимися частицами, участвующими в турбулентных пульсациях, называют турбулентной диффузией. Перенос вещества турбулентной диффузией описывается уравнением, аналогичным уравнению (15.14а): 

где U средняя пульсационная скорость движения частицы жидкости в поперечном направлении; /-расстояние, на которое перемещаются частицы в поперечном направлении; Бд = UI- коэффициент турбулентной диффузии.

Очевидно, что пограничный слой создает основное сопротивление процессу переноса.

Перенос по рассмотренной схеме называют массоотдачей. По мере приближения к ламинарному режиму пограничный слой сильно разрастается, как бы заполняя все сечение потока. В этих

Рис. 15-2. Профили изменения скорости потока жидкой фазы (н⁷) и концентрации растворенного вещества (х) в турбулентномпотоке*с ювиях конвективный перенос идет в направлении, параллельном жнжению потока. При этом перенос массы к границе раздела определяется в основном молекулярной диффузией. Очевидно, что корость конвективного переноса существенно выше скорости мо-юкулярной диффузии. Поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективного переноса массы.

Теоретическим путем толщину пограничного диффузионного  юя можно определить для самых  простых случаев массопереноса. Поэтому использование первого  закона Фика

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества переходит от единицы поверхности раздела фаз в ядро отока (или наоборот) в единицу времени при движущей силе, равной динице.

Коэффициент массоотдачи, в отличие от коэффициента массо-!средачи, характеризует скорость переноса вещества внутри фазы конвекцией и молекулярной диффузией одновременно. Коэффициент массоотдачи зависит от многих факторов (физических

свойств фазы, скорости потока, определяющих геометрических размеров и т.д.) и является аналогом коэффициента теплоотдачи. Ввиду сложной зависимости коэффициента массоотдачи от этих факторов получение обобщенной зависимости для определения величины ру или Р^ крайне затруднительно.

При разработке моделей массопереноса обычно принимают допущение о том, что на поверхности раздела фазы находятся в состоянии равновесия, а общее сопротивление процессу переноса складывается из суммы сопротивлений двух фаз. Из этих допущений следует, что на границе раздела фаз отсутствует сопротивление процессу (т.е. равновесие на границе устанавливается очень быстро-во всяком случае, быстрее изменения средней концентрации в ядре фазы, что для ряда процессов массопереноса доказано экспериментально) и что процесс массопереноса подчиняется правилу аддитивности фазовых сопротивлений.

Вследствие  взаимного влияния движения фаз, участвующих в процессе массопереноса, математическое описание скорости процесса чрезвычайно сложно. Поэтому решение дифференциальных уравнений переноса (см. гл. 3) оказывается возможным лишь в простейших случаях, когда точно известна поверхность контакта фаз и, как правило, при их ламинарном движении. В этом случае скорость процесса определяют совместным решением уравнений переноса в каждой из фаз.

Пленочная (двухпленочная) модель Льюиса и Уитмена основана на предпосылках, ранее рассмотренных Нернстом при изучении им растворения твердых тел в жидкостях. По этой модели с обеих сторон поверхности контакта фаз образуются неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос вещества осуществляется только молекулярной диффузией. Эти пленки отделяют поверхность контакта фаз от ядра потока, в котором концентрация практически постоянна; все изменения концентрации вещества происходят в пленке.