1. Массообменные процессы
Процессы массообмена - процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущая сила этих процессов - разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.
Массообменные процессы широко используются в промышленности:
-для разделения жидких и газовых гомогенных смесей,
- для их концентрирования,
-для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).
Классификация и общая характеристика
Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы:
1. Абсорбция
2. Перегонка и ректификация
3. Экстракция (жидкостная)
4. Адсорбция
5. Ионный обмен
6. Сушка
7. Растворение и экстрагирование из твердых тел
8. Кристаллизация
9. Мембранные процессы
Во всех перечисленных выше процессах общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.
Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.
Перенос вещества внутри фазы - из фазы к границе раздела фаз или наоборот - от границы раздела в фазу - называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы - теплоотдачей).
Процессы массопередачи обычно обратимы. Причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия.
2. Уравнение массопередачи
Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов.
Скорость процесса [в кг/(м2 • с)] равна движущей силе Δ, деленной на сопротивление R:
dМ/dF = Δ/R (7.1)
где dМ - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF - поверхность контакта фаз.
Обозначив 1/R = К, получим основное уравнение массопередачи
dМ =К ΔdF (7.2)
Коэффициент К -коэффициентом массопередачи (по аналогии с процессом теплопередачи) характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.
Размерность коэффициента массопередачи:
[К]= [dМ/ΔdF]= [кг/с·Δ·м2] (7.3)
т. е. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы Δ может быть различной, а от нее зависит и размерность К.
Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз, а исходя из этой поверхности - размеров массообменных аппаратов.
F=М / (КΔ) (7.4)
Массообменные процессы подразделяют на:
массопередачу в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость),
массопередачу в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ - твердое тело, пар - твердое тело, жидкость - твердое тело),
массопередачу через полупроницаемые перегородки (мембраны).