Ключевые слова и выражения

Выпаривание; пар -греющий или первичным, вторичный; простое однокорпусное выпаривание; многократное, или многокорпусное выпаривание; прямоток и противоток

Вопросы для самопроверки:

1. В чём заключается процесс выпаривания?

2. От чего зависит температурная депрессия и как она рассчитывается?

3. Какими методами в промышленности осуществляется процесс выпаривания?

4. Какие конструкции выпарных установок применяются в химической промышленности?

5. Что понимается под вторичным паром и экстра – паром?

6. Опишите принцип действия и устройство плёночных выпарных аппаратов?

МОДУЛЬ №4. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Лекция №11

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

ПЛАН:

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ.

2. РАВНОВЕСИЕ ПРИ МАССОПЕРЕДАЧЕ. ЗАКОНЫ ФИКА.

3. МАССООТДАЧА. УРАВНЕНИЕ МАССОПЕРЕДАЧИ.

1. Общие сведения о массообменных процессах

Массообменными называются процессы, характеризуемые переходомодного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Этот переход осуществляется конвективной и молекулярной диффузией, поэтому массообменныепроцессы называют также диффузионными.

Массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз. При этом граница соприкосновения может быть подвижной (система «газ – жидкость» и др.) или неподвижной («газ – твердое тело» и т.д.). Одним из способов практической реализации массообменных процессов является использование аппаратов насадочного типа. В этом случае в качестве поверхности контакта двух фаз (массообменной поверхности) выступает поверхность инородных тел – насадка, которую укладывают различными способами.

Наиболее распространенными в химической промышленности являются следующие массообменные процессы.

Классификация массообменных процессов

Абсорбция(либо обратный процесс – десорбция). Массообмен основан на растворении одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким растворителем (система жидкость – газ);

Дистилляция (перегонка) и ректификация. Разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси (система жидкость – пар);

Экстракция в системе «жидкость – жидкость»; массообмен происходит за счёт растворения отдельных компонентов жидкой смеси в другой жидкости, которая не должна смешиваться полностью с исходной;

Выщелачиваниеили экстракция в системе «жидкость – твёрдое тело»; это растворение твердых веществ (или их компонентов) жидким растворителем, когда жидким растворителем поглощается компонент из твёрдого вещества, нерастворимым в растворителе.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси; Система .

Сушка - здесь происходит удаление влаги из твердыхвлажных материалов путем её испарения. В этом процессеимеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты. Обратный процесс – растворение.

Мембранное разделение основано на способности определенных тонких пленок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят через полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в жидкую или газовую фазу, находящуюся за мембраной.

Массообменные или диффузионные процессы играют важную роль при подготовке и переработке нефти, различных углеводородных и других смесей. Путем ректификации из нефти получают различные продукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масляные фракции, узкие (по температурам кипения) бензиновые фракции. При ректификации сжиженных газов выделяют этилен, этан, пропан, бутан и другие компоненты. Путем перегонки в вакууме получают специальные масла.

Абсорбцию жидкими поглотителями и адсорбцию твердыми веществами используют для извлечения из природных и попутных газов, а также из газов нефтеперерабатывающих заводов пропан-пропиленовой, бутан-бутиленовой, бензиновой фракций, которые служат сырьем для нефтехимической промышленности.

Для извлечения ароматических углеводородов из бензиновых фракций при производстве масел и очистке нефтепродуктов применяется процесс экстракции.

Процесс сушки нашел применение в производстве катализаторов и адсорбентов.

Кристаллизация используется при депарафинизации масел, производстве серы, парафинов и церезинов, разделении ксилолов.

Даже такой неполный перечень использования массообменных процессов в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности свидетельствует об их широком распространении и важности решаемых с помощью этих процессов технологических задач.

Все массообменные процессы обладают рядом общих признаков.

1. Они применяются для разделения смесей.

2. В любом процессе участвуют по крайней мере две фазы: жидкая и паровая (перегонка, ректификация), жидкая и газовая (абсорбция), твердая и парогазовая (адсорбция), твердая и жидкая (адсорбция, экстракция), две жидких (экстракция).

3. Переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.

4. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций (градиент концентраций) фактической в данной фазе G и равновесной с фактической в другой фазе L. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше, чем это следует из условия равновесия (рис. 11.1).

5. Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз.

6. Диффузионные процессы обратимы, т. е. направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонентов в обеих фазах и внешними условиями (температура, давление). Так, например, при повышении температуры и понижении давления поглощение газа жидкостью (абсорбция) может перейти в обратный процесс - в удаление газа из жидкости (десорбция).

7. Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия. При этом обмен молекулами через границу раздела фаз не прекращается, однако концентрации компонентов в обеих фазах остаются неизмененными и равными равновесным.

Рис. 11.1. Схема переноса вещества между двумя фазами:

а из фазы G в фазу L; б из фазы L в фазу G; в равновесие фаз

Массопередача– процесс перехода компонентов из одной фазы в другуюв направлении достижения равновесия. Перенос в пределах одной фазы называютмассоотдачей. В массообмене участвуют, как минимум, три вещества: одно образует первую фазу G, другое вторую фазу L, а третье представляет распределяемое между ними вещество M (рис. 11.2).

Рис.11.2. Схема массообмена между фазами

Пусть распределяемое вещество находится первоначально только в фазеG и имеет концентрацию У. В фазе L в начальный момент распределяемоевещество отсутствует, т.е. концентрацияего в этой фазе Х = 0. Если фазы G и Lпривести в соприкосновение друг с другом, начинается переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и споявлением вещества М в фазе L начинается обратный переход его из фазы Lв фазу G.

Со временем скорости переходавещества станут одинаковыми, и наступитсостояние равновесия. При этомустанавливается определеннаязависимость между концентрациями распределяемого вещества в обеих фазах: любойконцентрации Х этого вещества в фазе L соответствует равновесная концентрация его У_Рв фазе G, т.е. У_Р=f(x) .

Разность между фактической и равновесной концентрациями являетсядвижущей силой массообменных процессов:

а) движущая сила массообмена через концентрации распределяемогокомпонента в фазе G: ΔУ=У-У_Р;

б) движущая сила массообмена через концентрации распределяемогокомпонента в фазе L: ΔХ=Х-Х_Р.

В массообменных процессах (массопередаче) движущая сила может быть рассчитана по одному из двух вариантов - а) или б).