Плановский А.Н, Николаев И.П Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Фрагмент: Массообменные процессы - файл n2.doc

приобрести
Плановский А.Н, Николаев И.П Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Фрагмент: Массообменные процессы
скачать (116.1 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.doc46kb.21.06.2007 04:13скачать
n2.doc654kb.21.06.2007 04:14скачать

n2.doc


РАЗДЕЛ 1

1. Общие сведения о массообменных процессах.
Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называются массообменными процессами, а аппаратура, предназначенная для проведения этих процессов, - массообменной аппаратурой.

Между реакционными и разделительными аппаратами существует тесная технологическая связь. Общий закон этой связи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, то есть чем меньше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше нагрузка на разделительный агрегат, и наоборот.

Оптимальное сочетание нагрузок на реакционный и разделительный аппараты и приводит к минимальным производственным затратам – к оптимизированному процессу. Основа химического производства – реакционный аппарат – работает оптимально только в сочетании с оптимально работающим разделительным агрегатом и работа последнего имеет в химической промышленности не меньшее значение, чем работа самого реакционного аппарата.

В разделительном агрегате могут производиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция и сушка.

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями – абсорбентами. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов необходимо извлечь какой либо компонент или группу компонентов. В этом процессе имеет место переход вещества или группы веществ из газовой или паровой фазы в жидкую.

Экстракция (жидкостная) – извлечение растворённого в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью. Процесс используется в случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворённое вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащённые составляющие в результате противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, где необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. Очевидно, в этом процессе имеет место переход вещества из жидкой фазы в паровую, и наоборот.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворённых в жидкостях веществ твёрдым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворённых веществ необходимо извлечение того или другого вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твёрдую.

Сушка – удаление влаги из твёрдых влажных материалов путём её испарения. При этом процессе имеет место переход влаги из твёрдого влажного материала в паровую или газовую среду.

Для всех перечисленных процессов общим является переход вещества из одной фазы в другую, или массопередача. Переход вещества из одной фазы в другую связан с явлениями конвективного переноса и молекулярной диффузии, поэтому перечисленные выше процессы получили название массообменных, или диффузионных процессов.

Массопередача – переход вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

В массообмене участвуют как минимум три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество, (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.

Через определённый промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определённая зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которые при равновесии системы называются равновесными.

Так как концентрация пропорциональна числу частиц, то, следовательно, скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между фактической концентрацией распределяемо вещества в данной фазе и равновесной концентрацией.

Основными вопросами, изучаемыми в массопередаче, являются: законы фазового равновесия, позволяющие установить равновесные концентрации и направление течения процесса; движущая сила массообменных процессов; коэффициенты скорости массообменных процессов.

Два последних вопроса составляют так называемую кинетику массопередачи и рассматриваются самостоятельно; вопросы фазового равновесия, рассматриваются раздельно при изучении каждого конкретного процесса.
2. Основное уравнение массопередачи
Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих физических кинетических закономерностей химико-технологических процессов: скорость процесса равна движущей силе, делённой на сопротивление, то есть

,

где - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую; - поверхность фазового контакта; - время; - движущая сила массообменного процесса; - сопротивление.

Если вместо взять обратную величину - коэффициент скорости или, как его называют в рассмотренном явлении, коэффициент массопередачи, предыдущее уравнение имеет вид:

(11.5)

При условии, когда отнесено к единице времени, уравнение (11.5) можно переписать так:

(11.6)

Уравнения (11.5) и (11.6) называются основными уравнениями массопередачи.

В аппаратуре, используемой для проведения массообменных процессов, равновесные концентрации распределяемого вещества никогда не достигаются. Действительные концентрации распределяемого вещества, или рабочие концентрации, всегда отличаются от равновесных. Разность между этими концентрациями, характеризующая степень отклонения от равновесия, и представляет собой движущую силу массообменных процессов.
3. Материальный баланс массообменных процессов
В общем виде материальный баланс массообменных (диффузионных) процессов может быть составлен на основе следующих рассуждений. Обозначим весовые скорости распределяющих фаз вдоль поверхности их раздела, выраженные в килограммах инертного вещества в час, через и , а концентрация распределяемого вещества соответственно кг/кг инертного вещества и кг/кг инертного вещества.

(11.10)

Для противоточного взаимодействия фаз может быть получено уравнение:

(11.12)

Из этих уравнений следует, что концентрации распределяемого вещества в фазах и связаны линейной зависимостью. Поэтому удобно процессы массообмена представлять графически в координатах , то есть в виде зависимости между так называемыми рабочими концентрациями. Уравнение прямой, выражающей зависимость между рабочими концентрациями, называют обычно рабочей линией процесса.
4. Движущая сила массообменных процессов.
Движущая сила массообменных процессов определяется степенью отклонения от равновесия или «расстоянием» от равновесия. Последнее определяется разностью между рабочей и равновесной концентрациями или равновесной и рабочей, в зависимости от того, какие из них больше. Движущую силу можно выражать либо через концентрации распределяемого вещества в фазе , то есть через , либо через концентрации его в фазе , то есть через .

Во всех случаях, движущей силой процесса будет разность между рабочей и равновесной концентрациями, взятая с положительным знаком.

Из изложенного следует, что основное уравнение массопередачи можно записать двояко:

(11.13)

и

(11.14)

Движущая сила меняется с изменением рабочих концентраций, поэтому для всего процесса массообмена, протекающего в пределах изменения концентраций от начальных до конечных, должна быть определена величина средней движущей силы.

При определении величины средней движущей силы могут встретиться два случая:

  1. зависимость между равновесными концентрациями не линейна; для этого случая равновесная концентрация определяется общей функциональной зависимостью ;

Величина средней движущей силы для случая .

,

Подобная структура уравнений сохранится и в тех случаях, когда вместо концентраций используют другие параметры, характеризующие систему: энтальпию, химический потенциал.

  1. зависимость между равновесными концентрациями линейна, то есть (где - постоянная величина).

В случае когда между равновесными и рабочими концентрациями существует прямолинейная зависимость, для определения средней движущей силы и числа единиц переноса могут быть выведены более простые соотношения.

,

где - движущая сила в начале поверхности фазового контакта; - движущая сила в конце поверхности фазового контакта.



где - движущая сила в начале поверхности фазового контакта; - движущая сила в конце поверхности фазового контакта.

Следовательно, для прямолинейной равновесной зависимости средняя движущая сила процесса определяется как средняя логарифмическая между движущими силами в начале и в конце поверхности фазового контакта.
5. Модифицированные уравнения массопередачи.
В некоторых массообменных аппаратах поверхность соприкосновения фаз и , или поверхность фазового контакта, легко определяется простым геометрическим вычислением; в других аппаратах эта поверхность геометрически неопределима. В первом случае для расчёта аппаратуры наиболее целесообразно применение основного уравнения массопередачи, во втором – модифицированных уравнений.

Если поверхность фазового контакта массообменного аппарата геометрически неопределима, основной технической характеристикой его может служить объём, высота или число ступеней фазового контакта.

Если в качестве основной характеристики аппарата выбирается его объём, основное уравнение массопередачи целесообразно видоизменить следующим образом:

Пусть м3) – объём аппарата и м23) – удельная поверхность фазового контакта, развиваемая в 1 м3 объёма. Поверхность фазового контакта: и, следовательно:



где , - объёмные коэффициенты массопередачи.

Очень часто за основную характеристику аппарата принимают его высоту. Обозначим через м2 площадь сечения аппарата, а через м его высоту; тогда .

,

где , .

Эти уравнения могут быть сопоставлены с основным уравнением массопередачи, написанным в форме



Сопоставление уравнений показывает, что высота, эквивалентная единице переноса, имеет смысл величины, обратной коэффициенту массопередачи, а число единиц переноса – величины, обратной движущей силе процесса.

Для определения числа единиц переноса в качестве вспомогательного приёма может служить способ определения числа ступеней изменения рабочих концентраций.

Допуская, что в пределах одной ступени можно с некоторым приближением принять существование линейной равновесной зависимости, для определения общего числа единиц переноса можно предложить равенство:


6. Основные законы массопередачи.
В процессах переноса распределяемого вещества (массы) из одной фазы в другую надлежит различать два случая:

1) перенос из потока жидкости в поток жидкости, или сассообмен между потоками жидкости

2) перенос из твёрдого тела в поток жидкости (или перенос в обратном направлении), то есть массообмен между твёрдой фазой, содержащей внутри пор или капилляров распределяемое вещество, и потоком жидкости.

Элементарными законами, которым подчиняется перенос распределяемого вещества из одной фазы в другую, является закон молекулярной диффузии, закон массоотдачи и закон массопроводности.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика)

Количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени:

,

где - количество продиффундировавшегося вещества, - градиент концентрации в направлении диффузии; - элементарная площадка, черз которую происходит диффузия; - время диффузии; - коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность в 1 м2 в течение 1 ч при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак минус в правой части уравнения показывает, что при молекулярной диффузии в направлении перемещения вещества концентрация убывает.

Коэффициент диффузии не является постоянной величиной; численные значения его обычно берут из справочников или находят по следующим формулам:

Для газов:



Для жидкостей:

,

где - абсолютная температура в °К; - давление в атм; и - мольные объёмы взаимодействующих веществ и ; и - молекулярные веса взаимодействующих веществ; - вязкость жидкости, в которой происходит диффузия, в спз; и - опытные константы, зависящие от природы вещества.

Коэффициент диффузии зависит, прежде всего, от агрегатного состояния систем: так, коэффициент диффузии для газов примерно на четыре порядка выше, чем для жидкостей. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с повышением давления.

Для концентрированных растворов:

,

где - коэффициент диффузии в растворе с концентрацией ; - активность диффундирующего вещества; - концентрация диффундирующего вещества; - коэффициент активности.

Дифференциальное уравнение молекулярной диффузии (второй закон Фика)

(11.44)

С другой стороны, ту же прибыль качества диффундирующего вещества в элементе параллелепипеда можно найти умножением объёма элемента на изменение концентрации за время , то есть:

(11.45)

Сопоставляя соотношения 11.44 и 11.45, получим дифференциальное уравнение молекулярной диффузии:

(11.46)

Закон массоотдачи (закон Щукарёва)

Закон Щукарёва может быть сформулировать так: количество вещества, перенесённого от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, поверхности фазового контакта и времени.

(11.47)

где - коэффициент массоотдачи, характеризующий перенос вещества конвективными и диффузионными потоками одновременно; - концентрация в воспринимающей фазе у поверхности раздела фаз; - концентрация в ядре потока воспринимающей фазы; остальные обозначения прежние. При этом важно отметить, что концентрация на границе рассматривается как равновесная концентрация.

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества передаётся от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу через 1 м2 поверхности фазового контакта в течение 1 ч при разности концентраций 1 кг/м3.

Дифференциальное уравнение массоотдачи.

(11.51)

Критериальное уравнение конвективной диффузии. Выведенное дифференциальное уравнение (11.51) является математическим описанием процесса перемещения вещества в жидкой (газовой, паровой) фазе конвективной диффузией. Для полнго математического описания процесса это уравнение должно быть дополнено уравнением, характеризующим условия на границе рассматриваемой фазы. Количества вещества, перемещающегося из фазы в фазу у границы, можно определить исходя из основного закона конвективной диффузии: , или, обозначая , получим:

(11.52)

Это же количество вещества может быть определено другим способом. У поверхности раздела фаз вещество переходит в другую фазу за счёт молекулярной диффузии. На этом участке пути количество переданного из фазы в фазу вещества можно найти исходя из основного закона молекулярной диффузии:



Очевидно, что величина в последнем уравнении и в уравнении (11.52) представляет собой одно и то же количество вещества, выраженное различными способами, и, следовательно:

(11.53)

Уравнения (11.51) и (11.53) не разрешимы для встречающихся в практике случаев и, следовательно, не могут служить для непосредственного определения численных значений коэффициентов массоотдачи. Поэтому в расчётной практике пользуются критериальными уравнениями, полученными из уравнений (11.52) и (11.53).

Для получения диффузионных критериев подобия преобразуем уравнения (11.51) и (11.53) методами теории подобия. Из уравнения (11.53) делением обеих частей уравнения на правую часть получим безразмерный комплекс:



Вычеркнув в полученном комплексе символы дифференцирования, разности и направления (замена х на не ориентированный в определённом направлении линейный размер ), после сокращения получаем диффузионный критерий Нуссельта:

(11.54)

Из дифференциального уравнения конвективной диффузии:



получаем безразмерные комплексы делением всех членов уравнения на :

;

Вычеркнув в полученных комплексах символы дифференцирования (включая символы порядка дифференцирования) и направления, после сокращений получаем диффузионный критерий Фурье:

или (11.55)

И диффузионный критерий Пекле:

(11.56)

Критерий характеризует изменение скорости потока диффундирующей массы во времени; он необходим только для характеристики нестационарных процессов диффузии.

Критерий обычно преобразовывают и представляют его в виде произведения двух критериев:



является критерием гидродинамического подобия, а новый критерий - диффузионный критерий Прандтля – находится лишь по физическим параметрам и характеризует подобие полей физических величин:

(11.57)

В случаях, когда массообмен протекает в условиях естественной конвекции, вызванной разностью плотностей растворов с различной концентрацией, для характеристики процесса вместо критерия (или дополнительно к нему) вводят критерий Грасгофа.

Полученный критерий подобия даёт возможность найти Критериальное уравнение конвективной диффузии:

(11.58)

Из всех критериев уравнения (11.58) только не состоит целиком из условий однозначности, поэтому он является определяемым критерием. Исходя из этого уравнение (11.58) представляется в виде:

(11.59)

Применительно к конкретным задачам массообмена общее критериальное уравнение (11.59) может быть упрощено. При рассмотрении стационарных процессов массообмена из критериального уравнения выпадает критерий , и оно имеет вид:

(11.60)

При вынужденном движении потока фазы естественной конвекции можно пренебречь, тогда из уравнения выпадает критерий :

(11.61)

или

(11.62)

В условиях естественной конвекции фазы из уравнения выпадает критерий :

(11.63)

или

(11.64)

По найденным из критериальных уравнений значениям легко определяют коэффициенты массоотдачи:

(11.65),

а по ним и коэффициенты массопередачи.

Выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты массоотдачи.

Определение коэффициента массопередачи :

(11.67)

Определение коэффициента массопередачи :

(11.68)

.

Коэффициент массоотдачи представляет собой величину, которая учитывает сопротивление переносу вещества за счёт молекулярной диффузии, а также сопротивление переносу потоками жидкости, то есть чисто конвективному переносу. Следовательно, на величину коэффициентов массоотдачи оказывают влияние все те факторы, которые определяют скорость молекулярной диффузии, а также скорость конвективного переноса.
7. Массопередача в системах с твёрдой фазой.
Массопередача в системах с твёрдой фазой представляет собой особенно сложный процесс. В этом процессе, кроме массоотдачи от поверхности раздела фазы в поток жидкости (газа, пара), имеет место и перемещение вещества в твёрдой фазе массопроводностью.

К указанным процессам представляется возможным отнести процессы адсорбции, сушки и выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твёрдого тела).

Количество вещества, переместившегося в твёрдой фазе за счёт массопроводности, пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной направлению потока вещества, и времени, то есть:

.

В этом уравнении коэффициент пропорциональности К (м2/ч), имеющий размерность коэффициента диффузии, может быть назван коэффициентом массопроводности.

При принятом законе массопроводности процесс перемешивания вещества внутри твёрдой фазы может быть описан дифференциальным уравнением массопроводности:

(11.70)

Коэффициент массопроводности зависит от природы проходящего процесса (адсорбция, сушка, выщелачивание), от ряда факторов, определяющих величину коэффициента молекулярной диффузии, и от структуры твёрдого пористого тела.

Диффузионный критерий Био:



Диффузионный критерий Фурье:

,

характеризующий изменение скорости потока вещества, перемещаемого массопроводностью в твёрдом теле.

Диффузионные критерии и должны войти в критериальное уравнение, которое описывает перемещение вещества в твёрдой фазе и является теоретической базой для обработки всех опытных исследований этого процесса. Дифференциальное уравнение массопроводности для простейших случаев одномерного перемещения вещества имеет аналитическое решение в виде:

(11.74),

где - параметрический критерий, представляющий собой безразмерную концентрацию распределяемого вещества в твёрдой фазе в точке с координатой х; - концентрация в точке с координатой в момент времени , соответствующий определённому ; - коэффициент, определяющий размер тела, составляющего твёрдую фазу; - безразмерная координата точки, в которой концентрация равна .

РАЗДЕЛ 2

АБСОРБЦИЯ
Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что даёт возможность применять его не только с целью получения растворов газов в жидкостях, но также и для разделения газовых или паровых смесей.

В последнем случае после избирательной абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси проводят десорбцию – выделение этих компонентов из жидкости – и таким образом осуществляют разделение. Регенерированный абсорбент вновь возвращается на абсорбцию (круговой процесс).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.

Примерами использования процессов абсорбции в технике могут служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной кислоты, получение аммиачной воды, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживание газосбросов и другие.

Аппаратурно-технологическое оформление процессов сравнительно просто, поэтому процессы абсорбции широко используются в технике.


  1. Равновесие в процессах абсорбции.


Условием равновесия между газовой и жидкой фазами является равенство температур и давлений обеих фаз и равенство химических потенциалов для всех компонентов обеих фаз.

При постоянстве температуры и давления в фазах химический потенциал распределяемого компонента пропорционален концентрациям его в фазах. Поэтому в состоянии равновесия между концентрациями распределяемого компонента в обеих фазах устанавливается некоторое соотношение, характеризуемое константой фазового равновесия, которая равна отношению распределяемого компонента в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе.

В общем случае константа фазового равновесия зависит от давления (), температуры () и концентрации распределяемого компонента () в жидкости:



В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе газ-жидкость, обычно используется закон растворимости газов в жидкостях, сформулированный Генри. Согласно этому закону при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

(12.1)

или

(12.2),

где - парциальное давление газа над раствором в мм.рт.ст; - концентрация газа в растворе в долях моля; - коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри) в мм.рт.ст.

Коэффициент зависит от природы растворяющегося вещества и температуры:

(12.3),

где - теплота растворения газа в ккал/кмоль; ккал/кмоль·град – универсальная газовая постоянная; - абсолютная температура растворения в ; - постоянная, зависящая от природы газа и жидкости и определяемая опытным путём.

С ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается. При растворении газа в жидкости, температура жидкости обычно повышается вследствие выделения значительного количества тепла.

Количество тепла, выделяющегося при абсорбции, может быть найдено как:

(12.4),

где - дифференциальная теплота растворения в пределах измерения концентрации в ккал/кг; - количество абсорбента в кг.

Если абсорбция ведётся без отвода тепла, то можно допустить, что всё выделяющееся тепло идёт на нагревание жидкости и температура последней повышается на величину:

(12.5),

где с – теплоёмкость раствора в ккал/(кг·град).

Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона, парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, то есть:

и ,

где - общее давление газовой смеси; - концентрация распределяемого газа в смеси в мольных долях.

Сопоставляя последнее равенство с уравнением (12.22), найдём

или (12.6),

где - константа фазового равновесия.

Уравнение (12.6) выражает зависимость между равновесными концентрациями распределяемого газа в газовой и жидкой фазах. Если заменить в этом уравнении концентрации и , выраженные в мольных долях, на и , выраженные в относительных мольных долях, то, имея в виду соотношения:

, , , ,

уравнение (12.6) можно переписать так:

(12.7)

При незначительных концентрациях Х величина и уравнение (12.7) приобретает более простой вид:

(12.8)

На равновесные концентрации в процессах абсорбции оказывают существенное влияние вещества, добавочно растворённые в абсорбенте. Их присутствие уменьшает равновесную концентрацию газа в жидкости согласно закономерности, установленной Сеченовым в 1892 г.:

,

где - коэффициент Генри для чистого растворителя; - коэффициент Генри для раствора; - концентрация добавляемого компонента; - постоянная, зависящая от природы растворяемых веществ и растворителя.

Из изложенного следует, что к факторам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, пониженное давление, повышенная температура и прибавление к абсорбенту добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Жидкий абсорбент, как правило, обладает значительной летучестью, и пары его насыщают газовую фазу. Это обстоятельство учитывают при расчётах процессов абсорбции следующим образом.

Пусть - давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; - давление абсорбента в растворе; - общее давление; - мольная доля абсорбируемого газа в растворе; - мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; - мольная доля абсорбента в газовой фазе; - мольная доля инертных газов в газовой фазе.

Согласно закону Рауля, парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе; таким образом:



По закону Дальтона парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно:



При равновесии



(12.9)

В этом случае для выражения равновесных и рабочих концентраций целесообразно пользоваться относительной мольной долей. Имея в виду:



найдём концентрацию поглощаемого газа в газовой фазе:

(12.10)

Выбранный способ выражения концентраций предполагает, что во всех последующих рассуждениях в качестве общего давления принимается:




  1. Материальный баланс и кинетические закономерности абсорбции.


Материальный баланс процесса абсорбции выражается общим уравнением

,

где - поток газовой смеси в кмоль/ч инертного газа; - поток абсорбента в кмоль/ч абсорбента.
3. Принципиальные схемы абсорбции.
В химической технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

Прямоточная схема.

В этом случае потоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу; при этом газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию распределяемого вещества, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из аппарата с жидкостью, имеющей большую концентрацию распределяемого вещества.

Противоточная схема.

По этой схеме в одном конце аппарата приводятся в контакт газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределённого вещества, а в противоположном конце – меньшие.

Схемы с рециркуляцией.

Предусматривают многократный возврат в аппаратуру либо жидкости, либо газа. Газ проходит через аппарат снизу вверх, и концентрация распределяемого вещества в нём изменяется от до . Поглощаемая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества , затем смешивается с выходящей из аппарата жидкостью, в результате чего концентрация повышается до . Рабочая линия представляется на диаграмме отрезком прямой; крайние точки его имеют координаты , и , соответственно. Величину легко найти из уравнения материального баланса.

Обозначим отношение количества поглощающей жидкости на входе в аппарат к количеству свежей поглощающей жидкости через ; тогда:



и

(12.16)

Абсорбция с рециркуляцией газа.

Здесь материальные соотношения аналогичны предыдущим. Положение рабочей линии определяют точки и ; ордината находится из уравнения материального баланса:

(12.17)

одноступенчатые схемы с рециркуляцией могут быть как противоточными, так и прямоточными.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямой ток, противоток, рециркуляцию жидкости и рециркуляцию газа.

Противоточный процесс обеспечивает большую конечную концентрацию поглощаемого газа в абсорбенте, а вместе с этим и меньший расход абсорбента; движущая сила при противотоке меньше, поэтому при прочих равных условиях необходимы большие размеры аппарата. Указанное соотношение носит общий характер и его можно формулировать так: изменение рабочих концентраций, приводящее к уменьшению расхода абсорбента, требует увеличения габаритов аппарата, и наоборот.

Одноступенчатые схемы с рециркуляцией абсорбента или газа по сравнению со схемами без рециркуляции имеют следующую особенность. При одном и том же расходе свежего абсорбента количество жидкости, проходящей через аппарат, значительно больше; результатом этого являются повышение коэффициента массопередачи и некоторое уменьшение движущей силы. При определённом соотношении между диффузионными сопротивлениями в жидкой и газовой фазах это может привести к уменьшению габаритов аппарата.

Очевидно, что рециркуляция жидкости целесообразна в том случае, если основное сопротивление массопередаче составляет переход вещества от поверхности раздела фаз в жидкость, а рециркуляция газа – когда основным сопротивлением процесса является переход вещества из газовой фазы к поверхности раздела фаз. Рециркуляция жидкости всегда предпочтительна при необходимости сопровождать процесс абсорбции охлаждением, так как в этом случае включение холодильника в ветвь рециркулирующего абсорбента позволяет весьма легко отводить тепло от взаимодействующих веществ.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией обладают всеми преимуществами одноступенчатых схем и вместе с тем обеспечивают большую движущую силу процесса. По указанной причине в большинстве случаев выбирают вариант многоступенчатых рециркуляционных схем.
РЕКТИФИКАЦИЯ
Ректификацияразделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Этот процесс имеет большое значение в химической технике. В качестве примеров достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторного топлива, на выделение индивидуальных газов из их смесей путём предварительного ожижения и последующей ректификации жидкой смеси.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости. Известные равновесные данные для конкретной смеси позволяют проанализировать возможность разделения этой смеси, найти предельные концентрации разделения и рассчитать движущую силу процесса.
4. Фазовое равновесие в системе жидкость - пар.
5. Принцип ректификации.
Сущность процесса ректификации можно охарактеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате двухступенчатого взаимодействия жидкости с парами.

Материальный баланс разделения:

Для всей смеси:



Для легколетучего компонента в смеси:



Флегмовое число – отношение количества возвращённого в колонну дистиллята (флегмы) к количеству отобранного дистиллята в виде продукта.

,

где - исходная смесь, - итоговая смесь.

Разделение смеси при ректификации возможно в результате взаимодействия потоков паров и жидкостей в ректификационном аппарате при кратности испарения и кратности конденсации .



или



Материальный баланс ректификации по летучему компоненту:



С уменьшением флегмового числа и, следовательно, затрат тепла на провеение процесса уменьшается движущая сила, и наоборот.
8. Тепловой баланс процесса ректификации.
,

где - тепло, поступающее в кипятильник ректификационного аппарата с греющим паром, в ккал/ч; - тепло, теряемое в окружающую среду, в ккал/ч; - теплоёмкости соответственно исходной смеси, дистиллята и остатка в ккал/(кг·град); - температура исходной смеси, дистиллята и остатка в °С; - теплота испарения дистиллята в ккал/кг.

Если нагревание в кипятильнике производится водяным паром расход его на проведение процесса составит:

,

где - энтальпия водяного пара в ккал/кг, - температура конденсата в °С.

Расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси.


РАЗДЕЛ 3

ЭКСТРАКЦИЯ
Экстракция – извлечение одного или нескольких растворённых веществ из одной жидкой фазы другой, практически не смешивающейся с первой.

Процесс широко используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Но главное, экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения жидких однородных смесей.
1. Равновесие в процессах экстракции.
Равновесие для некоторых систем «жидкость – распределяемое вещество – жидкость» следует так называемому закону распределения. Согласно этому закону отношение равновесных концентраций распределённого между двумя жидкими фазами вещества при постоянной температуре есть величина постоянная, она называется коэффициентом распределения.

Пусть распределяющими фазами являются и , а равновесными концентрациями будут , , … , тогда по закону распределения:

(14.1)

или

(14.2),

где - коэффициент распределения.

В уравнении (14.2) концентрации выражены в кг/м3. Если обозначить концентрации распределяемого в фазах вещества через и кг/кг инертного вещества (растворителя)) и обозначить плотности фаз и через и , уравнение (14.2) примет вид:

(14.3),

где

(14.4)

Произведением при малых концентрациях можно пренебречь, поэтому допустимо принимать:



2. Материальный баланс экстракции.

Уравнение материального баланса по общим потокам:

(14.10),

где - соответственно весовые количества исходного раствора и полученного рафината в кг/ч; - соответственно весовые количества экстрагента и полученного экстракта в кг/ч.





РАЗДЕЛ 4

АДСОРБЦИЯ
Адсорбция – поглощение газов или паров из газовых смесей или растворённых веществ из растворов твёрдыми поглотителями, называемыми адсорбентами.

Особенностью процессов адсорбции являются избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из паро-газовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, десорбирование их, то есть выделение нужного компонента из твёрдой фазы в более или менее чистом виде.

Адсорбция широко распространена в различных отраслях химической технологии как метод разделения смесей. В качестве конкретных примеров можно указать выделение бензола из паро-газовых смесей, разделение смесей газообразных углеводородов, сушку воздуха, очистку жидких нефтепродуктов от распространённых в них примесей и т.д.
1. Равновесие в процессе адсорбции
Равновесные соотношения при адсорбции должны выражать зависимости между концентрацией адсорбированного твёрдым телом вещества и равновесной концентрацией поглощаемого вещества и паро-газовой смеси или в растворе. Если поглощаемым веществом является газ или пар, то равновесную концентрацию в паро-газовой смеси можно заменить парциальным давлением.

На равновесные соотношения при адсорбции оказывают влияние различные факторы:

= Природа поглощаемого вещества. Равновесная концентрация тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае растворов – чем меньше растворимость поглощаемого вещества в жидкости.

= Температура и давление. С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается. С ростом давления в паро-газовой фазе равновесная концентрация увеличивается.

= Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. При наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вытесняющего) вещества В, то есть вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация вещества А. В этом случае вещество В либо частично, либо полностью вытесняет или замещает вещество А в адсорбенте.

Адсорбенты. В качестве адсорбентов в технике используются твёрдые материалы, обладающие в большинстве случаев очень высокой пористостью и, следовательно, большой удельной поверхностью.

Наиболее распространёнными адсорбентами являются силикагель – гель кремниевой кислоты, активированные угли (древесные, костяные, каменные), активированные серной кислотой глины и др.

Указанные адсорбенты изготовляются зернистыми в виде частиц неправильной или почти правильной сферической формы размерами 2-8 мм и пылевидными, в том числе правильной сферической формы, состоящими из частиц размерами 50-200 мкм.
2. Материальный баланс процесса адсорбции.
Адсорбция в слое неподвижного адсорбента является периодическим процессом, при котором концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте меняется во времени и в пространстве.

Примем, что концентрация газа (в количестве за единицу времени), проходящего за время слой адсорбента высотой , изменяется на величину . Следовательно газ отдаёт количество вещества, равное . За это же время концентрация поглощаемого вещества в элементе слоя увеличивается на и количество вещества, поглощённого слоем высотой , составляет (где - площадь поперечного сечения адсорбента, - насыпная плотность адсорбента). Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:



или

,
3. Кинетика процесса адсорбции.
При адсорбции диффузионные сопротивления внутри твёрдой фазы малы по сравнению с внешним диффузионным сопротивлением, поэтому при расчётах процессов адсорбции обычно используется основное уравнение массопередачи:

,

В котором с некоторым допущением принимают, что .

РАЗДЕЛ 5

СУШКА
Наиболее распространённым способом удаления влаги из твёрдых влажных материалов является сушка. Сушкой называется процесс удаления влаги из твёрдых влажных материалов путём её испарения и отвода образующихся паров.

Сушка в технике осуществляется двумя основными способами:

а) нагреванием влажных материалов теплоносителем через твёрдую непроницаемую перегородку – так называемый процесс контактной сушки;

б) нагреванием влажных материалов путём непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, поточные газы и др.) – так называемая газовая, или воздушная сушка.

Иногда тепло отводится к высушиваемому материалу токами высокой частоты или инфракрасными лучами; указанные способы сушки называют соответственно диэлектрической и радиационной сушкой.


  1. Равновесные соотношения в процессах сушки.


Давление водяного пара в высушиваемом материале зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом.

Различают несколько форм связи влаги с материалом (в порядке убывающей энергии связи):

= Химически связанная влага. Под химически связанной влагой понимают воду гидроокиси, которая в результате реакции гидратации вошла в состав гидроокисей и соединений типа кристаллогидратов. Связь нарушается только в результате химического взаимодействия (иногда в результате прокаливания), и влага не удаляется при сушке.

= Адсорбционно-связанная влага. Влажность обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности материала и на поверхности его пор. Осмотически связанная влага находится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами. В этих случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

= Капиллярно связанная влага заполняет макро- и микрокапилляры. Она механически связана с материалом и наиболее легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопичных веществ. Давление пара над ними наиболее отличается от давления насыщенных паров.

,

где - тепло, расходуемое на испарение свободной воды; - энергия, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.


  1. Материальный и тепловой Баланы сушки.


Обозначим количество влажного материала, поступающего на сушку, в кг/ч, количество высушенного материала в кг/ч, начальную и конечную влажность материала (вес. %) соответственно через и , а количество влаги, удаляемой при сушке, через кг/ч.

Тогда материальный баланс процесса можно представить равенством:

или

Для количеств сухого вещества:



или



Сопоставление равенств и даёт:



РАЗДЕЛ 6


ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ
1. Общие сведения.
Измельчением называют процесс деления твёрдого тела на части, при котором путём приложения внешних сил преодолеваются силы молекулярного притяжения в измельчаемом твёрдом теле и образуются новые поверхности.

Измельчение широко применяется в химической технике, так как использование измельчённых твёрдых тел позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие, обжиг и другие процессы, протекающие тем быстрее, чем больше поверхность участвующих в них твёрдых тел.

Классификация – процесс разделения однородного сыпучего материала по величине его кусков (частиц) – также широко применяется в химической технике, так как по технологическим требованиям очень часто необходимо направлять на переработку материалы, размеры кусков (частиц) которых должны находиться в строго определённых пределах.

Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения – отношением среднего размера куска материала до измельчения к среднему размеру куска после измельчения :


2. Физические основы измельчения.
Схемы измельчения. Измельчение может проводиться в открытом и замкнутом циклах, а также в один или несколько приёмов.

При измельчении в открытом цикле куски материала проходят через измельчающую машину только один раз, не возвращаясь в неё. Обычно в открытом цикле проводят крупное и среднее измельчение, когда нет необходимости в точных размерах конечного продукта. При наличии мелочи в исходном материале его предварительно классифицируют и отделённую мелочь присоединяют к продукту.

При измельчении в замкнутом цикле измельчающая машина работает с классифицирующими и транспортирующими устройствами, при помощи которых крупный продукт непрерывно возвращается для повторного измельчения. Такая схема широко используется при тонком измельчении, где требуется однородность конечного продукта. Работа по замкнутому циклу позволяет снизить расход энергии на измельчение и повысить производительность оборудования.

При измельчении в два приёма после первой измельчающей машины материал поступает на предварительную классификацию, а затем направляется на вторую измельчающую машину. Такая схема позволяет получать наиболее равномерный по крупности продукт.

Количество материала, возвращаемого на повторное измельчение при работе по замкнутому циклу («циркуляционная нагрузка»), может колебаться в широких пределах (25-600% от количества исходного материала).

Методы измельчения. Измельчение материалов производится раздавливанием, раскалыванием, ударом и истиранием.

При измельчении всегда одновременно сочетается несколько методов, так как они неизбежно сопутствуют друг другу. Истирание при измельчении вызывает образование большого количества пыли и ведёт к переизмельчению, что часто бывает весьма нежелательным.

Выбор того или иного метода измельчения зависит от крупности и прочности измельчаемых материалов.

Теории измельчения. На процессы измельчения требуются значительные затраты энергии. Эти затраты являются наиболее существенным фактором, характеризующим процесс.

Расход энергии на измельчение может быть определён, исходя из существующих теорий измельчения. В настоящее время наибольшее распространение имеют две теории: поверхностная и объёмная.

Поверхностная теория, предложенная Риттенгером, исходит из того, что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала, то есть по вновь образующимся при измельчении поверхностям. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональная вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

,

где К – коэффициент, показывающий затраты работы в кгс·см на 1 см2 поверхности материала, образующейся при измельчении; этот коэффициент зависит от свойств измельчаемого материала и определяется опытным путём.

Объёмная теория, предложенная, В.Л.Кирпичёвым в 1874 г. и позднее (1885) Киком, исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформации материала, которые предшествуют его разрушению. При этом работа расходуется до достижения предельной (разрушающей) деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объёма кусков материала перед их разрушением.

Исходя из закона Гука, работу деформации (в кгс·см) материала при сжатии можно определить по соотношению:

,

где - уменьшение объёма кусков материала в результате их деформации перед разрушением в см3; Е – модуль упругости материала в кгс/см2; - временное сопротивление сжатию в кгс/см2.
4. Классификация измельчённых материалов и классифицирующие устройства.
Путём классификации измельчённые материалы разделяются на фракции (классы), ограниченные определёнными пределами размеров кусков (частиц).

В технике используют три вида классификации:

1) грохочение, или механическая классификация – рассев сыпучих материалов на ситах, решетах или других устройствах. При грохочении через отверстия рассеивающего устройства проходят куски (частицы) материала, размеры которых меньше размеров отверстий; эта фракция материала собирается в один сборник. Крупные куски материала, не прошедшие через отверстия рассеивающего устройства, собираются в другой сборник;

2) гидравлическая классификация – разделение смеси твёрдых частиц на фракции по величине скорости осаждения частиц в жидкости (обычно в воде);

3) воздушная классификация (сепарация) – разделение смеси, твёрдых частиц на фракции по величине скорости осаждения частиц в воздухе.

Грохочение является наиболее распространённым способом классификации. Оно применяется для разделения частиц размерами от сотен миллиметров до долей миллиметра. Гидравлической классификацией и воздушной сепарацией разделяются частицы размерами менее 2-3 мм.

Классификация применяется как вспомогательная операция – при предварительной подготовке материала к измельчению (удаление мелочи) или при возврате крупных частиц материала на повторное измельчение, а также и в качестве самостоятельной операции – для выделения готового продукта заданного фракционного состава.

Классификация широко используется для ситового анализа – определения содержания в сыпучем материале частиц различных размеров (фракционного состава).





Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации