Тема 2. Процеси масообміну та їх апаратна реалізація

Загальні відомості про масообмінні процеси

В хімічній технології широко розповсюджені та мають велике значення процеси масопередачі.Сюди належать процеси абсорбції, екстракції, ректифікації, адсорбції, сушіння, кристалізації та газорідинні реакції. Вони характеризуються переходом однієї або кількох речовин з однієї фази в іншу. Цим часто користуються для розділення як гетерогенних, так і гомогенних систем. Частіше процеси масопередачі використовуються для розділення гомогенних систем.

У промисловості застосовують, в основному, такі процеси масопередачі:

- між газом і рідиною;

- між газом і твердою речовиною;

- між твердою речовиною і рідиною;

- між рідинами.

При вивченні цих процесів виникають специфічні труднощі, що ускладнюють створення математичних моделей і роботу з ними. Це:

- наявність двофазного потоку приводить до більш складних, ніж в однофазних процесах, рівнянь матеріального балансу – рівнянь робочих ліній; у випадку протитечії розрахунок матеріального балансу може приводити до розв’язування крайових задач;

- міжфазова рівновага часто описується складними співвідношеннями, теоретичний вигляд яких в багатьох випадках невідомий;

- надійні теоретичні рівняння кінетики масообміну поки що не створені;

- гідродинаміка двофазних потоків, яка в більшості випадків визначає кінетику процесів, є складною і недостатньо вивченою;

- в двофазних потоках дуже складними є процеси поздовжнього перемішування;

- у випадку багатокомпонентного масообміну процес значно ускладнюється, закономірності масообміну багатьох компонентів вивчені ще досить мало;

- конструктивні особливості апаратури різноманітні, при цьому їх вплив на гідродинаміку і, відповідно, на кінетику процесів дуже великий.

Масообмінні процеси досконало вивчаються в курсі процесів і апаратів хімічної технології. Ми розглянемо лише декілька основних питань, в першу чергу, на прикладі абсорбції і ректифікації бінарних сумішей.

Абсорбція – вибіркове поглинання газів або парів рідиною (абсорбентом), яке характеризується переходом речовини з газової або парової фази в рідку.

Зворотний процес – екстракція – вилучення речовини, розчиненої в одній рідині, іншим розчинником, який практично не змішується або частково змішується з першим розчинником, при цьому видалений компонент переходить з першої рідкої фази в іншу.

Ректифікація – розділення рідких сумішей на компоненти шляхом багаторазового обміну компонентами між рідкою і газовою фазами, що рухаються протитечією одна відносно іншої. Цей процес включає переходи речовин з рідкої фази в газоподібну і навпаки.

Адсорбція – поглинання компонентів з газу, пари або розчину твердим пористим поглиначем (адсорбентом). Це є процес розділення, який характеризується переходом речовини в тверду фазу з газоподібної або рідкої фази.

Зворотний процес – десорбція проводиться після адсорбції і полягає у виділенні з рідини поглинутого нею газу.

Різновид адсорбції – йонний обмін – процес розділення, який ґрунтується на здатності твердих речовин обмінювати свої рухомі йони на йони речовин, що є в розчині.

Сушіння – видалення вологи з твердих матеріалів шляхом випарювання, при цьому волога переходить з твердої фази в газову.

Кристалізація – виділення твердої фази з розчинів або розплавів, яке характеризується переходом речовини з рідкої фази в тверду.

Масопередача – складний процес, який включає перенесення речовини (маси) в межах однієї фази, перенесення через поверхню поділу фаз і подальше її перенесення в межах іншої фази. Масопередача відбувається, звичайно, через поверхню поділу фаз. Перенесення речовини в межах однієї фази до її поверхні або в зворотному напрямі називається масовіддачею.

Швидкість масообмінних процесів обмежується молекулярною дифузією, тому процеси масопередачі називають ще дифузійними процесами.

Для дифузійних процесів характерним є те, що кількість речовини, яка переноситься, пропорційна площі поверхні поділу фаз і рушійній силі. Рушійна сила характеризується ступенем відхилення від стану динамічної рівноваги, яка найточніше визначається різницею хімічних потенціалів речовини, що розподіляється. Речовина, що дифундує в межах однієї фази, переміщується від точки з більшою концентрацією до точки з меншою концентрацією, тому в розрахунках рушійну силу процесів масопередачі виражають різницею концентрацій.

Схеми потоків. Існують три основні схеми потоків – протитечія, прямотечія і перехресна течія. Різниця в цих схемах обумовлена тим, вдовж яких осей і в якому напрямку змінюються концентрації речовин в обох фазах.

Характер контакту фаз – це суттєва ознака, за якою масообмінні апарати поділяються на дві великі групи. При безперервному контакті робочі потоки взаємодіють безперервно, без різких змін характеру протікання по висоті. Типовий приклад таких апаратів – насадочні колони. Апарати зі ступінчатим контактом розділені по висоті на ряд послідовних комірок (ступенів). На кожній комірці фази вступають в контакт. Після цього вони розділяються і передаються на сусідні комірки (в більшості випадків – протитечією). Типовими прикладами таких апаратів є тарілчаті колони, змішувально-відстійні екстрактори.