Массообменные процессы

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называются массообменными процессами, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов – массообменными аппаратами.
Схема производственных установок в химической промышленности

Основные процессы массообмена
Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями – абсорбентами. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов необходимо из­влечь какой-либо компонент или группу компонентов. В этом процессе имеет место переход вещества или группы веществ из газовой или паровой фазы в жидкую.
Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаи­модействия потоков пара и жидкости. Очевидно, в этом процессе имеет место переход вещества из жидкой фазы в паровую, и наоборот.
Экстракция – извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. В этом про­цессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.
Кристаллизация – выделение вещества из жидкой фазы в виде твердой фазы (кристаллов). Процесс применяют преиму­щественно в тех производствах, где требуется получение ве­ществ повышенной чистоты. В этом процессе происходит пере­ход вещества из жидкой фазы в твердую.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым поглотителем – ад­сорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. В этом процессе вещест­ва переходят из газовой или жидкой фаз в твердую.
Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Нетрудно видеть, что в этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.
Ионообменный процесс – извлечение вещества из раствора, основанное на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. В этом процессе извлекае­мые вещества переходят из жидкой фазы в твердую.
Мембранное разделение – разделение находящихся в раство­рах веществ, основанное на способности некоторых тонких пле­нок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят че­рез полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в выделяемую жидкую или газовую фазу.

Массопередачей называют переход веществ из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.
В массообмене участвуют в большинстве случаев три ве­щества: распределяющее вещество (или вещества), составляю­щее первую фазу G; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу L; распределяемое вещество (или ве­щества) М, которое переходит из одной фазы в другую.
Поскольку все рассматриваемые массообменные процес­сы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах. Через определенный промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из фазы G в фазу L и обратно ста­новятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным.

Основными вопросами, изучаемыми в массопередаче:
законы фазового равновесия, позволяющие установить равновесные концентрации и направление течения процесса;
движущая сила массообменных процессов;
коэффициенты ско­рости массообменных процессов.

Основное уравнение массопепредачи
Скорость процесса равна движущей силе, деленной на сопротивление:
где dM – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую; dF – поверхность фазового контакта; dτ – время; Δ – движущая сила массообменного процесса ( или ); R – сопротивление.
(1)
К – коэффициент скорости (коэффициент массопередачи).
В случае, когда dM отнесено к единице времени, уравнение (1) можно переписать в виде:
d2M = KΔdF (2)

В аппаратуре, используемой для проведения массообменных процессов, равновесные концентрации распределяемого вещества никогда не достигаются. Действительные концентрации распределяемого вещества, или рабочие концентрации, всегда отличаются от равновесных. Разность между этими концентрациями, характеризующая степень отклонения от равновесия, представляет собой движущую силу массообменных процессов.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕДАЧИ
В процессах переноса распределяемого вещества (массы) из одной фазы в другую необходимо различать два случая:
перенос из потока жидкости в поток жидкости, или массообмен между потоками жидкости;
перенос из твердого тела в поток жидкости (или перенос в обратном направлении), т. е. массообмен между твердой фазой, содержащей внутри пор или капилляров распределяемое вещество, и потоком жидкости.
Элементарными законами, которым подчиняется перенос распределяемого вещества из одной фазы в другую, являются закон молекулярной диффузии, закон массоотдачи и закон массопроводности.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика)
Молекулярная диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, не связанного с движением потоков жидкости. В этом случае имеет место перенос молекул распределяемого вещества из областей высоких концентраций в область низких концентраций.
Кинетика переноса подчиняется в этом случае первому закону Фика: количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени:
dM – количество продиффундировавшего вещества;
dC/dx – градиент концентрации в направлении диффузии;
dF – элементарная площадка, через которую происходит диффузия;
dτ – продолжительность диффузии;
D – коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии.
–

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность 1 м2 в течение 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.
Единица измерения D – [м2/с]
Знак минус в правой части уравнения показывает, что при молекулярной диффузии в направлении перемещения вещества концентрация убывает.
Коэффициент диффузии зависит прежде всего от агрегатного состояния систем; так, коэффициент диффузии для газов примерно на четыре порядка выше, чем для жидкостей. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с повышением давления.

Закон массотдачи (закон Щукарева)
количество вещества, перенесенного от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, поверхности фазового контакта и времени:
d2M = β( )dFdτ,
где β – коэффициент массоотдачи;
– концентрация в воспринимающей фазе у поверхности раздела фаз;
– концентрация в ядре потока воспринимающей фазы;
dF – поверхность фазового контакта;
dτ – время;
Единица измерения β – [м2/с].
Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества передается от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу через 1 м2 поверхности фазового контакта в течение 1 с при разности концентраций, равной единице.
При расчетах конкретных установившихся процессов последнее уравнение записывается в следующем виде:
M = β( )F.

Массопередача в системах с твердой фазой
Массопередача в системах с твердой фазой представляет собой сложный процесс. В этом процессе, кроме массоотдачи от поверхности раздела фаз в поток жидкости (газа, пара), имеет место и перемещение вещества в твердой фазе массопроводность.
К указанным процессам можно отнести процессы адсорбции, сушки и выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твердого тела). Для этих процессов характерно уменьшение скорости по сравнению со скоростью молекулярной диффузии.

В качестве единого закона, которому подчинена кинетика переноса распределяемого вещества в твердом теле, может быть принят закон, аналогичный закону теплопроводности: количество вещества, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной направлению потока вещества, и времени, т. е.
К – коэффициент массопроводности, [м2/с]
Коэффициент массопроводности не является постоянной величиной. Он зависит от природы процесса (адсорбция, сушка, выщелачивание), от структуры твердого пористого тела.

Способы выражения концентраций.
Из всего изложенного ранее следует, что движущая сила массообменных процессов выражается концентрациями распределяемого вещества в распределяющих фазах. В расчетной практике пользуются различными способами выражения концентраций, а именно:
х в кмоль/кмоль смеси – мольная доля;
х в кг/кг смеси – массовая доля;
X в кмоль/кмоль инертного вещества фазы – относительная мольная доля;
в кг/кг инертного вещества фазы – относительная массовая доля;
С в кмоль/м3 – мольная концентрация распределяемого вещества в данной фазе;
в кг/м3 – массовая концентрация распределяемого вещества в данной фазе.

Абсорбция и ректификация
Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсор­бентами.
Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При фи­зической абсорбции растворение газа не сопровождается хими­ческой реакцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.
Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Принципиальные схемы абсорбции
В прямоточной схеме потоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу; при этом газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию распределяемого вещества, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из аппарата с жидкостью, имеющей большую концентрацию распределяемого вещества.
G,Y к L,Х к

Противоточная схема. По этой схеме в одном конце аппарата приводятся в контакт газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределенного вещества, а в противоположном конце – меньшие.
G,Yн L,Х к

Схемы с рециркуляцией предусматривают многократный возврат в аппарат либо жидкости, либо газа. На рисунке показана одноступенчатая схема с рециркуляцией жидкости. Газ проходит через аппарат снизу вверх, и концентрация распределяемого вещества в нем изменяется от Yн до Yк. Поглощающая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества Хн, затем смешивается с выходящей из аппарата жидкостью, в результате чего концентрация повышается до Хс.

Значение Xc можно найти из уравнения материального баланса:
G(Yн – Yк) = L(Xк – Xн)
n = (Xк – Xн) / (Xк – Хс)
n (Xк – Хс)= Xк – Xн
nXк – nХс = Xк – Xн
nХс = (nXк – Xк) + Xн
Хс = [Xк(n – 1) + Xн] / n

Одноступенчатая схема абсорбции с рециркуляцией газа
Yс = [Yк(n – 1) + Yн] / n

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией обладают всеми преимуществами одноступенчатых схем и вместе с тем обеспечивают большую движущую силу процесса.

Принцип ректификации
При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом, – дистиллят, и часть, обедненную легколетучим компонентом, – остаток. Обозначим: Gf – количество смеси, поступающей на ректификацию, кмоль;
Gp – количество поступающего дистиллята, кмоль;
Gw – количество получающегося остатка, кмоль;
Тогда уравнение материального баланса разделения:
Gf = Gp + Gw
Сущность процесса ректификации можно характеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости с парами.

Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.
Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части - одна часть направляется обратно в колонну (флегма), другая является отбираемым продуктом. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству отобранного дистиллята в виде продукта называют флегмовым числом (R).
Разделение смеси при ректификации возможно в результате взаимодействия потоков паров и жидкостей в ректификационном аппарате при кратности испарения (R+1) и кратности конденсации R.

Поскольку проведение ректификации связано с испарением жидкости и соответствующими затратами тепла, можно сформулировать одно из важнейших правил ректификации: с уменьшением флегмового числа и, следовательно затрат тепла на проведение процесса уменьшается движущая сила, и наоборот.

Тепловой баланс процесса ректификации:
Q1 – тепло, поступающее в кипятильник ректификационного аппарата с греющим паром, кДж/ч;
Q2 – тепло, поступающее с разделяемой смесью, кДж/ч;
Q3 – тепло, поступающее с флегмой, кДж/ч;
Q4 – тепло, уходящее с парами, кДж/ч;
Q5 – тепло, уходящее с остатком, кДж/ч;
Q6 – тепло, теряемое в окружающую среду, кДж/ч
Q1 + Q2 + Q3= Q4 + Q5 + Q6

Принципиальные схемы процессов ректификации
Принципиальная схема установки периодического действия.
Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре 3 богатые легколетучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение ректификационной колонны, а другая часть –дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.

Принципиальная схема непрерывно действующей установки
Исходная смесь поступает в подогреватель 1, где ее температура повышается за счет тепла греющего водяного пара до температуры кипения. Нагретая смесь поступает в питающую секцию ректификационной колонны 2, присоединяясь к орошению, которое обеспечивается конденсацией паров в дефлегматоре 3. Необходимое для проведения ректификации многокомпонентное испарение жидкости осуществляется в кипятильнике 4. В дефлегматоре 3 происходит полная конденсация паров. Из делителя потока часть дистиллята отвечающая флегме, возвращается в колонну, а остальная часть проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 7. Менее летучая часть исходной смеси непрерывно отбирается из нижней части ректификационного аппарата и поступает в сборник 6.

Аппаратурное оформление процессов абсорбции и ректификации
Аппараты, предназначенные для проведения процессов абсорбции и ректификации, называют соответственно абсорберами и ректификационными колоннами. В зависимости от способа создания поверхности фазового контакта эти аппараты можно подразделить на три основные группы:
аппараты, в которых поверхностью фазового контакта является поверхность жидкости, растекающейся по специальной насадке;
аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается потоками газа (пара) и жидкости;
аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается путем разбрызгивания жидкости.

К аппаратам 1 типа относятся аппараты со смоченной насадкой. Основными узлами аппаратов с насадкой являются приспособления 1, распределяющие жидкость по насадке, насадочные тела 2 и устройства 3, направляющие к центру растекающуюся жидкость. Газ (пар) G и жидкость L обычно взаимодействуют при движении противотоком. Жидкость поступает в верхнюю часть контактного устройства, распределяется по насадочным телам при помощи приспособлений 1 и стекает вниз по поверхности последних. Газ (пар) вводится снизу и движется вверх по каналам, образованным насадочными телами.
G

Насадка (насадочные тела) могут иметь разнообразную форму. Практическое значение имеют хордовая и кольцевая насадки, фасонные насадочные тела, спиральная и сетчатая металлические насадки.

Фасонную насадку выполняют в виде керамических седел, цилиндров с перегородками, пропеллеров и т.д., загружаемых в аппарат навалом.
Спиральную и сетчатую насадки выполняют обычно из металлической ленты и загружают в аппарат правильными рядами.