Способы выражения состава фаз массообменных процессов

16. Классификация массообменных процессов.

1.Абсорбция— поглощение газового компонента из смеси газов жидким поглотителем, обратный процесс называется десорбция.

2.Экстракция— разделение гомогенных жидких смесей другой жидкостью, в которой одна из смесей растворяется, а остальные не смешиваются (не реагируют).

3.Перегонка и ректификация— это разделение гомогенной жидкой смеси путем перевода пар-жидкость. Перегонка- однократный переход. Ректификация- многократный переход. Продукт ректификации называется — ректификат.

4.Адсорбция-поглощение компонента газа, пара или жидкости твердым поглотителем, то есть переход распределяемого компонента из газовой или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс-десорбция.

Если процесс адсорбции происходит с ионным обменом то он называется ионосорбция .

Если процесс адсорбции происходит с химической реакцией то он называется хемосорбция.

Пример адсорбции- (противогаз) активированный уголь, селикогель.

5.Кристаллизация— выделение твердой фазы из растворов или расплавов. Обратный процесс- растворение или расплавление.

6.Сушка— процесс удаление влаги из твердого материала путем ее испарения при повышенной температуре, обратный процесс- увлажнение.

Компонент, переходящий из одной фазы в другую называется распределяемым компонентом.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому массообменные процессы часто называют диффузионными. Из теории переноса следует, что количество вещества, диффундирующее в пределах фазы прямо пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе переноса.

Движущей силой массообменных процессов является разность химических потенциалов, поскольку распределяемый компонент переносится от точки с большей концентрацией к точке с меньшей концентрацией; в газовой фазе может быть выражена через парциальные давления, либо для всех случаев- разность концентраций.

Любой массообменный процесс стремится к равновесию— когда движущая сила становится равной нулю. В массообмене принимают участие минимум две фазы и распределяемый компонент, который переносится из фазы в фазу.

2.2. Способы выражения состава фаз.

Концентрация распределяемого компонента в газовой фазе обозначается- (); в жидкой фазе или в твердой буквой-().

Концентрации бывают: массовые и мольные, мольные обозначаются чертой над знаком концентрации.

1.Объемные концентрации обозначаются буквой (С)- это есть масса распределяемого компонента приходящаяся на единицу объема фазы.

или

2.Массовая или мольная доля — обозначается ()- это масса данного

компонента, отнесенная к массе всей фазы ()[], .

3.Относительные концентрации: Y,X- масса распределяемого компонента, отнесенная к массе носителя, то есть одной фазы, [],

.

Правило фаз Гиббса.

17. Равновесие при массообмене

При равновесии достигается определенная зависимость между предельными или равновесными концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления при которых осуществляется процесс массопередачи. Равновесная концентрация обозначается (*) звездочкой.

В условиях равновесия некоторому значению (рабочей концентрации) отвечает строго определенная концентрация в другой фазе, которую обозначаем*. Соответственно концентрацииотвечает равновесная концентрация*. В самом общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью:*=или*=. Любая из этих зависимостей изображается графическилинией равновесия (1)-линия на рисунке.

Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения ().

Коэффициент распределения выражает тангенс угла наклона линии равновесия и для кривой линии равновесия, является величиной переменной.

= и называется рабочей линией. Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.

Линия(2)-выражается уравнением

= и называется рабочей линией. Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.

ид функции = или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов.

Источник

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:

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):

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;

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/м 3 или кмоль/м 3 );

— 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)

Источник