3. Основы массопередачи в системах со свободной границей раздела фаз

массообменный химический молекулярный диффузия

К процессам, для которых характерна свободная граница раздела фаз, относятся такие широко распространенные в технике процессы, как абсорбция, десорбция, перегонка и ректификация, жидкостная экстракция. В этих процессах граница контакта фаз обычно подвижна, величина поверхности контакта фаз зависит от гидродинамической обстановки, что существенно отличает механизм переноса масс в системах со свободной границей раздела фаз от механизма переноса для систем с твердой фазой.

Массообменные процессы со свободной границей раздела фаз по принципу участия фаз в массопереносе подразделяют на две группы.

1-я группа - процессы, в которых участвуют как минимум 3 вещества: 1) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 1-ю фазу Ф_у (например, при поглощении аммиака водой из аммиачно-воздушной смеси воздух не участвует непосредственно в массообмене); 2) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 2-ю фазу Ф_х (вода в данном примере); 3) распределяемое вещество М, которое переходит из одной фазы в другую (процессы абсорбции, десорбции, экстракции).

2-я группа процессов (перегонка и ректификация) - это процессы, в которых вещества, составляющие фазы, участвуют в массообменных процессах и не могут рассматриваться как носители распределяемого вещества. Направление процесса, его движущая сила зависят от соотношения рабочих и равновесных концентраций.

Концентрации участвующих в массообменных процессах фаз могут иметь различную размерность (кг/кг, кмоль/м³ и т.п.). Обычно состав фаз выражают в массовых или молярных долях, относительных или объемных концентрациях.

№	Концентрация	Обозначение концентрации компонента А
		в жидкой фазе	в газовой (паровой) фазе
1	Мольная доля, кмоль А/кмоль(А+В)	х	у
2	Массовая доля, кг А/кг (А+В)	х	у
3	Относительная мольная концентрация (доля), кмоль А/кмольВ	Х	У
4	Относительная массовая концентрация (доля), кг А/кг В	Х	У
5	Объемная мольная концентрация,кмоль А/м^3 (А+В)	Сх	Су
6	Объемная массовая концентрация, кг А/м^3 (А+В)	Сх	Су

Связь между составом фаз при равновесии:

у* = f(х), (7.5)

где у* - равновесная относительная мольная доля целевого компонента в газовой (паровой) фазе

График этой зависимости – линия равновесия.

у* = m_р·х, (7.6)

где m_р= у*/х – коэффициент распределения

Коэффициент распределения – отношение составов фаз при равновесии.

Коэффициент распределения –tgα- угла наклона линии равновесия

tgα= m_р (7.7)

4. Материальный баланс массообменных процессов

Материальные балансы массообменных процессов зависят от способа их проведения. Различают однократное, непрерывное и ступенчатое взаимодействие фаз.

В массообменных аппаратах непрерывного действия процесс может происходить при непрерывном контакте фаз (например, в абсорбционных аппаратах пленочного типа, представляющих собой, по существу, кожухотрубчатый теплообменник, по внутренним поверхностям трубок которого течет пленка жидкости, а навстречу этой жидкости движется газ). При этом концентрации распределяемого вещества в фазах изменяются монотонно.

Рис.1. К составлению материального баланса при непрерывном контакте фаз в условиях противотока (а) и прямотока (б)

При непрерывном противотоке, наиболее часто используемом в технике (рис.1, а), материальный баланс для произвольного сечения аппарата при бесконечно малом пути выражается следующими соотношениями:

у_н> у_к - мольная доля компонента в газовой фазе

х_к> х_{н -} мольная доля компонента в жидкой фазе

М _г = G(у_н- у_к) – мольный расход компонента, перешедшего из газовой фазы

М _ж = L(х_к- х_н) - мольный расход компонента, перешедшего в жидкую фазу.

Поскольку один и тот же компонент переходит из газовой фазы в жидкую, то М _г = М _ж

G(у_н- у_к) = L(х_к- х_н) (7.8)

Для произвольного сечения аппарата, в котором текущие составы целевого компонента равны Х и У, уравнение материального баланса для верхней части аппарата:

G(у_н- у) = L(х_к- х)

При малом изменении величин G и L по высоте аппарата

у= у_н –(L/ G) (х_к- х_н) (7.9)

Соотношение (7.9) называют уравнением рабочей линии (уравнением линии рабочих концентраций) непрерывного противоточного массообменного процесса. Оно выражает связь составов взаимодействующих фаз в произвольном сечении аппарата. При L/ G = соnst. рабочая линия прямая. Если L/G ≠ соnst., то рабочая линия отклоняется от прямой.