Основное уравнение массопередачи

ОБЩИЕ ПРИЗНАКИ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом компонентов из одной фазы в другую с целью их разделения.

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 и 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 или градиент концентраций. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше.

5. Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз, на которой предполагается состояние равновесия фаз.

6. Диффузионные процессы обратимы, т.е. направление процесса определяется законами фазового равновесия.

7.Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

Состояние равновесия следует понимать так, что обмен между фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются.

Классификация массообменных процессов

Ректификация- процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

Абсорбция – процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем – абсорбентом.

Экстракция- процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким экстрагентом.

Адсорбция – процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем – адсорбентом.

Сушка – процесс удаления жидкости (влаги) из твердых материалов

Мембранные процессы – избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки- мембраны.

.

Основное уравнение массопередачи

Известны два вида переноса вещества – молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях.

Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса D, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF . Следовательно:

( 4 )

где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей)

Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице.

Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы.

3. ПРАВИЛО ФАЗ ГИББСА ПРИМЕНЕНИЕ К ПРОЦЕССАМ МАССООБМЕНА

При равновесии во всех частях системы должны быть постоянными давление и температура, в противном случае будут протекать процессы массо- и теплообмена.

Для равновесных систем выполняется правило фаз Гиббса, которое устанавливает зависимость числа степеней свободы (N)

N=К+2-Ф (5)

где N -число степеней свободы системы; К - число компонентов; Ф - число фаз.

Число степеней свободы системы - это число независимых переменных (температура, давление, концентрация компонентов), которые можно произвольно в определенных пределах изменять, не изменяя равновесие системы.

В равновесной системе (N = 0) число сосуществующих фаз не может быть более Ф=К+2.

Для двухфазных систем, число степеней свободы системы равно числу компонентов (N = К). В основном в курсе далее будут рассмотрены двухфазные системы.

Бинарная смесь К=2, N=2, можно изменять температуру и концентрации, при постоянном внешнем давлении. В аппарате должен быть градиент t и x при постоянном π.

Для много компонентных систем (нефть) К→∞ и N→∞, Поэтому для многокомпонентных систем (характерных для нефтепереработки) число степеней свободы может быть весьма велико.