4.2.4. Массообменные процессы

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи. Они характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

55

Подобно теплопередаче, массопередача — сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, через поверхность (границу) раздела фаз и в пределах другой фазы. Эта граница может быть подвижной (массопередача в системах «газ - жидкость», «пар — жидкость», «жидкость — жидкость») либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике используются следующие виды процессов массо-передачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция.

Абсорбция — процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорб-тив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. Па этом ее свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора — десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция NH₃. паров С₆Н₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.д.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопе-редачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому такие аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В ре-

56

зультате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Дистилляция — процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация — процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном (на специальных перегородках (тарелках) или непрерывном контакте фаз (в объеме аппарата).

Процессы перегонки широко применяются в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Адсорбция — процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсор-батом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров (например, при очистке аммиака перед контактным окислением, осушке природного газа, выделении и очистке мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и т.д.).

57

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсор-бата и адсорбента. При химической адсорбции, или хемо-сорбции, возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью нор, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание — тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. При этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

• конвективная — путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

• контактная — путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

• радиационная — путем передачи тепла инфракрасными лучами;

• диэлектрическая — путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

58

• сублимационная — сушка, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние, при глубоком вакууме и низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) снижение давления в сушильной камере, при котором происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом; 2) удаление основной части влаги сублимацией; 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

При любом методе высушиваемый материал находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д.

Экстракция — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии исходной смеси с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные.

Процессы экстракции в системах «жидкость—жидкость» находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах «жидкость—жидкость» представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и эк-страгент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением и т.д. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт — раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафи-нат — остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими гидромеханическими

59

способами, после чего производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) — низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.