- •Гидравлика и теплотехника
- •Оглавление
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины 10
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы 22
- •3. Тепловые процессы и аппараты 118
- •4. Массообменные процессы и аппараты 162
- •5. Мембранные процессы 283
- •Условные обозначения
- •Введение
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины
- •1.1. Классификация основных процессов и аппаратов
- •1.2. Кинетические закономерности основных процессов
- •1.3. Общие принципы расчёта химических машин и аппаратов
- •1.4. Применение метода моделирования для исследования и расчета процессов и аппаратов
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы
- •2.1. Физические свойства жидкостей и газов
- •2.2. Основные уравнения покоя и движения жидкостей
- •2.2.1. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера для покоящейся жидкости
- •2.2.2. Практическое приложение уравнений гидростатики
- •2.2.3. Основные характеристики движения жидкостей
- •2.2.4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока
- •2.2.5. Режимы движения жидкостей
- •2.2.6. Турбулентный режим
- •2.2.7. Дифференциальные уравнения движения жидкости
- •2.2.8. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса
- •2.2.9. Уравнение Бернулли
- •2.2.10. Гидродинамическое подобие
- •2.2.11. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
- •2.2.12. Движение тел в жидкостях
- •2.2.13. Движение жидкостей через неподвижные пористые слои
- •2.2.14. Гидродинамика псевдоожиженных слоев
- •2.3. Перемещение жидкостей (насосы)
- •2.3.1. Классификация и области применения насосов
- •2.3.2. Параметры насосов
- •2.3.3. Насосная установка
- •2.3.4. Основное уравнение лопастных машин (уравнение Эйлера)
- •2.3.5. Характеристики центробежных насосов
- •2.4. Сжатие и перемещение газов (компрессоры)
- •2.4.1. Классификация компрессоров
- •2.4.2. Поршневые компрессоры
- •2.4.3. Теоретический и рабочий процесс в поршневом компрессоре
- •2.4.4. Производительность действительного поршневого компрессора
- •2.4.5. Роторные компрессоры
- •2.4.6. Принцип действия, классификация и устройство турбокомпрессоров
- •2.5. Процессы разделения неоднородных смесей
- •2.5.1. Классификация неоднородных систем и способов их разделения
- •2.5.2. Материальные балансы процессов разделения
- •2.6. Осаждение
- •2.7. Фильтрование
- •2.8. Перемешивание в жидких средах
- •3. Тепловые процессы и аппараты
- •3.1. Способы передачи теплоты
- •3.2. Тепловые балансы
- •3.3. Температурное поле и температурный градиент
- •3.4. Передача тепла теплопроводностью
- •3.5. Тепловое излучение
- •3.6. Конвективный теплообмен
- •3.6.1. Теплоотдача
- •3.6.2. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- •3.6.3. Подобие процессов теплообмена
- •3.6.4. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости
- •3.6.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- •3.7. Сложный теплообмен
- •3.8. Процессы нагревания, охлаждения и конденсации
- •3.9. Теплообменные аппараты
- •3.9.1. Классификация и типы теплообменных аппаратов
- •3.9.2. Расчет теплообменных аппаратов
- •3.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников
- •4. Массообменные процессы и аппараты
- •4.1. Основы массопередачи
- •4.1.1. Общие сведения о массообменных процессах
- •4.1.2. Основные расчетные зависимости массообменных процессов
- •4.1.3. Материальный баланс массообменных процессов
- •4.1.4. Движущая сила массообменных процессов
- •4.1.5. Модифицированные уравнения массопередачи
- •4.1.6. Основные законы массопередачи
- •4.1.7. Подобие процессов переноса массы
- •4.1.8. Связь коэффициентов массопередачи и массоотдачи
- •4.1.9. Массопередача с твердой фазой
- •4.2. Абсорбция
- •4.2.1. Равновесие при абсорбции
- •4.2.2. Материальный, тепловой балансы и кинетические закономерности абсорбции
- •4.2.3. Принципиальные схемы абсорбции
- •4.2.4. Конструкции колонных абсорбционных аппаратов
- •4.2.5. Десорбция
- •4.3. Перегонка жидкостей
- •4.3.1. Идеальные и неидеальные смеси
- •4.3.2. Простая перегонка
- •4.3.3. Ректификация
- •4.3.4. Ректификация многокомпонентных смесей
- •4.3.5. Тепловой баланс процесса ректификации
- •4.3.6. Специальные виды перегонки
- •4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов
- •4.4. Экстракция
- •4.4.1. Жидкостная экстракция
- •4.4.2. Равновесие при экстракции
- •4.4.3. Материальный баланс экстракции
- •4.4.4. Кинетические закономерности процесса экстракции
- •4.4.5. Принципиальные схемы процесса экстракции
- •4.4.6. Конструкции экстракторов
- •4.5. Адсорбция
- •4.5.1. Равновесие в процессах адсорбции
- •4.5.2. Промышленные адсорбенты
- •4.5.3. Конструкции адсорбционных аппаратов и методы проведения адсорбционно-десорбционных процессов
- •4.6. Сушка
- •4.6.1. Равновесие в процессах сушки
- •4.6.2. Конструкции сушилок и области их применения
- •4.6.3. Материальный и тепловой балансы сушки
- •Количество влаги, удаляемой в сушилке:
- •4.7. Кристаллизация и растворение
- •4.7.1. Общие сведения
- •4.7.2. Равновесие при кристаллизации
- •4.7.3. Кинетика процесса кристаллизации
- •4.7.4. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации
- •4.7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации
- •4.7.6. Кристаллизаторы
- •5. Мембранные процессы
- •5.1 . Процессы мембранного разделения смесей. Сущность процесса мембранного разделения смесей
- •5.2. Кинетика процессов мембранного разделения смесей
- •5.3. Влияние различных факторов на мембранное разделение
- •5.4. Мембраны
- •5.4.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны
- •5.4.2. Мембраны с жесткой структурой
- •5.4.3. Жидкие мембраны
- •5.5. Физико-химические основы мембранных процессов
- •5.6. Баромембранные процессы
- •5.7. Диффузионно-мембранные процессы
- •5.8. Электромембранные процессы
- •5.9. Термомембранные процессы
- •5.10. Расчет мембранных процессов и аппаратов
- •5.11. Мембранные аппараты
- •Библиографический список
- •Гидравлика и теплотехника
5.4.3. Жидкие мембраны
В мембранах, получивших название жидких, основное сопротивление переносу вещества связано с диффузией этого вещества через жидкую пленку, сформированную следующими способами:
тонкую жидкую пленку располагают свободно либо заключают в отверстиях стенки или сетки сепараторов, отделяющих две жидкости, подлежащие разделению;
тонкий слой жидкости (или пленку) заключают между двумя параллельными полимерными пленками;
создают жидкую пленку, связанную с материалом подложки и перекрывающую ее поры;
«мембранная» жидкость охватывает капли жидкости (дисперсная фаза), распределенные в другой жидкости (сплошная, или дисперсионная фаза), т.е. система представляет собой эмульсию.
Поверхность жидких мембран, полученных первыми двумя способами, сравнительно невелика (≈ 10 м2 в 1 м3 объема аппарата). Наибольшая поверхность жидких мембран (порядка нескольких тысяч квадратных метров в 1 м3 объема аппарата) достигается при четвертом способе. Поэтому для промышленной реализации наиболее перспективны жидкие мембраны в эмульсионной системе. Применение жидких мембран может быть эффективным при разделении как водных, так и неводных систем. Широко исследуется их применение для выделения из растворов ионов тяжелых металлов, фенола, аммиака и других соединений.
Вещество, проходящее через жидкую мембрану, растворяется в ней, в растворенном состоянии диффундирует через мембрану и затем переходит в другую жидкую фазу. Чем тоньше мембрана, тем быстрее протекает перенос вещества.
На практике часто сталкиваются с необходимостью образования эмульсии со следующим чередованием фаз: вода-масло-вода. Для стабилизации этой системы применяют поверхностно-активные вещества – эмульгаторы, в частности эмульгаторы неионогенного характера. Снижение поверхностного натяжения между двумя несмешивающимися жидкостями благоприятствует образованию эмульсии. Эмульгаторы должны взаимодействовать как с водой, так и с маслом, т.е. они должны представлять собой амфотерные молекулы, одна часть которых имеет полярную структуру (гидрофильная часть), а другая неполярную (гидрофобная часть). Гидрофильная часть молекул эмульгатора находится в воде, а гидрофобная – в масле. При механической обработке системы, например при перемешивании, фаза с более высоким поверхностным натяжением переходит в дисперсное состояние, а фаза с меньшим поверхностным натяжением остается сплошной.
Процесс разделения с помощью жидких мембран может быть осуществлен в аппаратах для проведения жидкостной экстракции, например в распылительной колонне или в роторно-дисковом экстракторе. Разрушение эмульсии после завершения процесса разделения с целью выделения из внутренней (дисперсной) фазы перенесенного вещества может быть осуществлено термическим или электростатическим методом.
5.5. Физико-химические основы мембранных процессов
Единый механизм, справедливый для всех мембранных процессов, еще не разработан, поэтому каждый мембранный процесс нужно рассматривать отдельно, так как механизмы этих процессов могут резко различаться. Однако при изучении и анализе механизма любого мембранного процесса необходимо учитывать три основных фактора и их взаимосвязь:
структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная);
физико-химические свойства разделяемой системы (для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства);
взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны.
В случае, если хотя бы один из этих факторов не будет учтен, это может привести к принципиальной ошибке при анализе и разработке модели механизма того или иного мембранного процесса.
Силы взаимодействия разделяемых веществ с полимерными мембранами могут меняться в широких пределах. Слабое взаимодействие наблюдается, например, при проницании через мембрану газа, которое в основном определяется диффузией. Этим объясняются небольшие различия в скоростях проницания различных газов через однотипные полимерные мембраны. Скорость же проницания через полимеры, различные по свойствам, может различаться на пять порядков. Такая большая разница обусловлена различиями в подвижности и гибкости полимерных цепей, которые, в свою очередь, связаны с полярностью и размерами молекул.
На перенос разделяемых веществ через мембрану большое влияние оказывают структурные свойства растворителей (например, воды) и взаимодействие их с мембраной. Вода содержит связанные водородной связью молекулярные группы, состоящие примерно из сотни молекул каждая. Устойчивость таких молекулярных групп зависит не только от температуры, но и от природы растворенных в ней веществ, и от физико-химических свойств мембраны.
Гидрофобные мембраны стремятся оттолкнуть молекулы воды; группы со средней полярностью (СООН, NH2, ОН, СНО) могут противодействовать тенденции молекул воды к связыванию, что приводит к разрушению групп молекул и способствует увеличению потока воды через мембрану. В гидрофильных мембранах (например, из ацетатов целлюлозы) значительная часть воды находится в связанном состоянии и не замерзает при охлаждении мембраны до –80 °С. Подвижность этой воды ограничена, чем объясняется особенность поведения воды, находящейся в сольватной оболочке молекул полимера, образующих поры мембраны: капиллярная вода легче удаляется из мембраны, чем связанная. Это очень важно для объяснения селективности мембраны, поскольку связанная вода не может сольватировать ионы растворенных солей, а капиллярная в состоянии сольватировать эти ионы и увлекать их через мембрану. Повышая гидрофильность мембран с учетом особой роли воды как растворителя и проникающего через мембрану компонента раствора, можно увеличить селективность и проницаемость мембран. Повысить гидрофильность полимерных мембран можно путем увеличения числа гидрофильных и снижения числа гидрофобных групп в макромолекулах полимера, из которого получают мембрану.
В зоне контакта жидкости и твердого тела действуют поверхностные силы (адгезия, поверхностное натяжение, молекулярное притяжение). Поэтому поверхностный (граничный) слой жидкости, связанный с материалом мембраны, по структуре и физико-химическим свойствам может значительно отличаться от жидкости в объеме. Для смесей жидкостей поверхностный слой отличается от раствора в объеме еще и по составу, что играет определяющую роль при разделении смесей органических веществ.
При изменении структуры и состава раствора в поверхностном слое значения показателей некоторых его физико-химических свойств (например, вязкости, диэлектрической проницаемости) отклоняются от соответствующих значений для раствора в объеме. При этом резкое снижение диэлектрической проницаемости воды свидетельствует о снижении подвижности молекул воды, что приводит к снижению растворяющей способности связанной воды. Для неполярных жидкостей заметного отличия от свойств в граничном слое не наблюдается.