Что такое массообменные процессы

Массообменные процессы

Они сопровождаются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т.е. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения молекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будет достигнуты условия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи определяется разностью концентраций фаз (выражается через разницу между рабочими и равновесными концентрациями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно). Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентраций.

Основными разновидностями массообменных процессов являются: абсорбция, адсорбция, перегонка, ректификация, кристаллизация, сушка и экстракция.

А б с о р б ц и е й называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Обратный процесс – выделения из жидкостей растворенного газа – называют десорбцией. Абсорбция характеризуется избирательностью (селективностью), т.е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Различают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотителем. Примером простой абсорбции служит производство газировки или соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удобрений и т.д. Аппараты, в которых идут данные процессы, называют абсорберами.

Для поглощения летучих растворителей и паров органических веществ чаще всего используют активированный уголь (противогазы), для сушки газов – силикагели и цеолиты, для очистки воды от растворенных солей – иониты. Адсорберы работают как фильтры (обычно с неподвижным слоем адсорбента). Все они периодического действия: после насыщения адсорбент должен быть восстановлен (регенерирован) обратным процессом – десорбцией. Последняя протекает при нагреве адсорбента острым паром, который отгоняет поглощенные вещества. Затем адсорбент сушат, охлаждают и используют снова.

Перегонка и ректификацияоснованы на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.

Простая перегонка – это однократный процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация – это процесс многократного (или непрерывного) испарения и конденсации паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Кристаллизациейназывается выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т.д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию более мелких кристаллов и часто вызывает снижение движущей силы процесса. Крупные кристаллы легче получить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллизации. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

Широко применяются несколько способов кристаллизации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части растворителя, а также вакуум-кристаллизация. В зависимости от способа кристаллизации применяют кристаллизаторы периодического и непрерывного действия.

Кристаллизация лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения покрытий, пленок, применяемых в микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Кристаллизация является завершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллизации металлов из расплавов.

Экстракция –это процесс избирательного поглощения жидкостью или паром ценных компонентов, содержащихся в исходном твердом сырье. (Пример – заварка чая, кофе и д.р.)

Сушкойназывают процесс удаления влаги из различных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вымораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т.д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центрифугированием ( с содержанием остаточной влаги 10…40 %), а затем тепловой сушкой. По способу подвода тепла к материалу различают: конвективную, контактную, радиационную, диэлектрическую (СВЧ) и другие.

Аппараты для этого процесса – сушилки – различаются по используемому теплоносителю (воздух, топочные газы, пар, электронагрев), организации (периодического и непрерывного действия), направлению движения потоков материала и теплоносителя (прямоточные и противоточные), состоянию слоя материалов (неподвижный, пересыпаемый, кипящий и т.д.).

В конвективных сушилках – поток теплого (горючего) воздуха движется на высушиваемый материал, который может находится в движении (противоток), либо в подвешенном состоянии и т.д.

В контактных сушилках теплота передается через греющую поверхность, с одной стороны которой находится нагреваемый материал, с другой – теплоноситель. Они предназначены для пастообразных и жидких продуктов, загрязнение которых недопустимо (пищевая и формацептическая промышленность).

В радиоционных сушилках теплота передается излучением керамических плит. Их применяют для сушки тонколистовых материалов и лакокрасочных покрытий. Остальные виды сушилок (вакуумная, криогенная, ультразвуковая, СВЧ) более дорогие и применяются реже.

Источник

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Процессами массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов (см. гл. 2). Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах прибли­женно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промыш­ленности для решения задач разделения жидких и газовых гомо­генных смесей, их концентрирования, а также для защиты окру­жающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов). Например, практически в каждом химическом производстве взаимодействие обрабатываемых веществ осуществ­ляется в реакторе, в котором обычно происходит только частичное превращение этих веществ в продукты реакции. Поэтому выхо­дящую из реактора смесь продуктов реакции и непрореагировав­шего сырья необходимо подвергнуть разделению, для чего эту смесь направляют в массообменную аппаратуру, из которой не­прореагировавшее сырье возвращается в реактор, а продукты реакции направляются на дальнейшую переработку или исполь­зование.

Наибольшее распространение получили рассмотренные ниже массообменные процессы.

1. Абсорбция- избирательное поглощение газов или паров жид­ким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход ве­щества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

Процесс, обратный абсорбции, т. е. выделение растворенного газа из жидкости, называют Десорбцией.

3. Экстракция (жидкостная)- извлечение растворенного в од­ной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смеши­вающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой Переход извлекаемого вещества из одной жидкой /)азы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентра­ций.

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.

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).

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).

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.

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

Источник

Массообменные процессы

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 10 Декабря 2012 в 22:37, реферат

Краткое описание

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

массообменные процессы.docx

2. Движущая сила массообменных процессов. ………………………………. 9

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называют массообменными процессами. Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды, прежде всего, для очистки сточных вод и отходящих газов.

В разделительном агрегате могут проводиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионообменные процессы и мембранное разделение. Кроме перечисленных основных процессов разделения должны быть упомянуты и такие, как термодиффузия, зонная плавка и другие. В реферате мы рассмотрим основные процессы массопередачи, а также их движущую силу и основное уравнение массопередачи.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

В пищевой и химической промышленности и в технологии очистки газовых и жидких систем широко распространены, и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Пищевые продукты и материалы представляют собой сложные гетерогенные биологически активные системы, их массовлагообменные и термодинамические характеристики являются функцией химического состава, структура, параметров состояния (плотности, температуры, влажности и т. п.), они зависят от метода обработки, поэтому в технологических процессах изменяются в широких предела.

Массообменные процессы подразделяют на:

Классификация и общая характеристика массообменных процессов:

2. Перегонка и ректификация

3. Экстракция (жидкостная)

7. Растворение и экстрагирование из твердых тел

9. Мембранные процессы

В пищевой отрасли широко применяются такие массообменные процессы как сушка, кристаллизация, адсорбция, экстракция и ректификация. Рассмотрим их поподробнее.

В производстве многих пищевых продуктов (молочных и фруктово-ягодных консервов, колбасных изделий, рыботоваров, солода, пищеконцентратов и др.) сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. При производстве некоторых пищевых продуктов сушке может предшествовать частичное удаление свободной влаги из материалов другими методами, например, отжатием на прессах, центрифугированием, выпариванием с целью повышения концентрации сухих веществ (сгущение при производстве сухого молока). При выборе метода сушки необходимо учитывать то, что пищевые материалы обладают рядом отличительных свойств: низкой термостойкостью, склонностью к окислению и деструкции, склонностью к короблению и потере товарного вида, наличием активных биохимических (ферментов, заквасок микроорганизмов) и химически активных веществ. Поэтому необходимо применение комбинированных способов подвода теплоты, что позволяет наиболее рационально нагревать материал до температуры сушки. Рациональным является также применение комбинированных сушильных агрегатов (например, сочетание распылительной сушки с сушкой в псевдоожиженном слое).

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 в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.

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

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом компонентов из одной фазы в другую с целью их разделения.

Все массообменные процессы обладают рядом общих признаков.

Состояние равновесия следует понимать так, что обмен между фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются.

Движущей силой массообменных процессов является разность между рабочей и равновесной концентрациями или наоборот. Это зависит от того, какая из указанных концентраций больше.

Как следует из этого уравнения, поток любого компонента в отдающей и принимающей фазах одинаков. Коэффициенты массоотдачи определяют перенос рассматриваемого вещества в одной из фаз через единицу поверхности поперечного сечения при движущей силе, равной единице.
Количество вещества, переносимое за время τ через единицу поверхности контакта фаз F, определяется выражениями:

Источник

Массообмен

Массообмен – это перенос вещества из одной фазы в другую в неравновесных бинарных или многокомпонентных системах.

Массообмен ключает массоотдачу (перенос веществава от границы раздела фаз внутрь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхностьь раздела фаз). Различают
эквимолярный массообмен, при котором через поверхность раздела в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный.

Движущая сила массообмена — разность химических потенциалов компонентов в рабочем и равновесном состояниях системы, однако в расчетах ее обычно выражают через Δy = y*— y, где у* и у — равновесная и рабочая концентрации компонента (в мольных долях) соответственно.

В системе газ (пар) — жидкость одни компоненты переносятся из ядра потока жидкой фазы к границе раздела фаз, а затем в ядро потока газовой (паровой) фазы, другие компоненты — в обратном направлении. При этом перенос массы в ядре каждой фазы обычно происходит в результате турбулентных пульсаций, а в вязких подслоях вблизи границы раздела — в результате молекулярной и затухающей турбулентной диффузии. Перенос вещества в этих системах через границу раздела осуществляется путем испарения и
конденсации или в результате растворения газа и жидкости.

В системах с твердой фазой различают внешнедиффузую область, когда вещество переносится из ядра газовой или жидкой фазы к поверхности твердого тела, и внутридиффузионную, которая характеризуется переносом распределяемого компонента внутри пор (для пористых структур) и диффузией в твердой фазе.

Механизм массообмене в системах с движущимися фазами, такими, например, как газ (пар) и жидкость в виде стекающей пленки, может существенно изменяться при гидродинамической нестабильности
поверхностии раздела вследствие возникновения межфазной спонтанной турбулентности потоков или при поверхностной конвекции. Существенное влияние на состояние и размер поверхности раздела оказывает наличие в системе ПАВ. Эффективность массообмена в значительной степени зависит также от теплообмена
между фазами.

При расчете массообмена обычно принимают, что плотность диффузионого потока j, т. е. количество вещества, переданного через 1 м 2 поверхности за 1 с, пропорциональна движущей силе: j=2К0гΔy, где
К_ог — коэффициент массопередачи [в кмоль/(м 2 • с)], отнесенный к газовой фазе и зависящий от гидродинамических условий в системе, коэффициента диффузии и др. факторов. При этом:

где β_г и β_ж — коэффициент массоотдачи в газовой и жидкой фазе соответственно [в кмоль/(м 2 • с)], m — константа фазового равновесия, численно равная тангенсу угла наклона касательной к кривой равновесия фаз. При расчете процесса по концентрации распределяемого компонента в жидкой фазе коэфицент
массопередачи обозначают К_ож, причем К_ог = К_ож/m.
Если определение истинной поверхности контакта фаз затруднено, в практических расчетах массобмена используют условные коэфициенты массоотдачи (β_гα и β_жα, где α— поверхность контакта фаз, приходящаяся на 1 м 3 объема газожндкостной системы. Тогда количество вещества М, переданного за 1 с в результате массобмена в аппарате с высотой рабочей зоны Н и площадью поперечного сечения F,
определяется из уравнения:

Для расчета β_гα и β_жα используют решения дифференциальных уравнений
математических моделей элементарных актов массобмене в пленках, пузырях, каплях, струях и пр., а также полуэмпирические уравнения, полученные методами теории подобия или на основе аналогии между процессами переноса тепла и массы. Коэффициент массоотдачи по-разному зависит от коэффициента диффузии D компонентов смеси (β

D n ) в различных моделях механизма массообмена Для
систем газ — жидкость в двухпленочной модели Льюиса и Уитмена n = 1; в моделях обновления поверхности контакта фаз (Хигби, Данквертс и др.) и в модели диффуз. пограничного слоя n = 0,5; для систем газ — твердое тело в модели диффуз. пограничного слоя n= 0,33. Так, напр., по Хигби, коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяется из уравнения:

Вследствие недостаточной изученности механизма и кинетики массообмен, особенно в многокомпонентных смесях, расчет массообменных процессов и аппаратов в большинстве случаев еще выполняется на основе понятия о кпд (эффективности) контактного устройствава (см. Тарельчатые аппараты), т. е.
путем использования эмпирических соотношений, обобщающих главным образом
опыт эксплуатации промышленных аппаратов. См. также Массообменные аппараты.
Массообмен — основа дистилляции, ректификации, абсорбции,
экстракции, растворения и др. процессов. Он играет также важную роль в гетерогенных химических реакциях (см. Макрокинетика).

Источник