Классификация массообменных процессов

На графике линия АВ, которая представляет собой уравнение С₁=f(С₂), является рабочей линией процесса. Рабочая линия процесса устанавливает связь между концентрациями компонента, по которой ведут расчет процесса, в любом сечении аппарата.

Кривая С₁=f(С₂)—это линия равновесия состоянии равновесия каждой концентрации любого компонента первой фазе (например, спирта в газовой фазе) соответствует строго определенная концентрация этого же компонента во 2й фазе (например, спирта во второй жидкой фазе). Каждой температуре и давлению соответствует своя кривая равновесия.

Если предположить, что  вошедшая в аппарат первая фаза приходит на первой ступени в состояние равновесия с удаляющейся 2й фазой , то концентрация первой фазы станет равной C _12, т. е. ее состав будет соответствовать точке D, и, таким образом, процесс изобразится линией AD.

Концентрации C₁₂ первой фазы на рабочей линии соответствует точке Е, и, следовательно, этой концентрации будет соответствовать концентрация второй фазы С₂₂, удаляющейся со ступени обмена. Следовательно, изменению концентрации второй фазы на этой ступени будет соответствовать отрезок DE.

Процессу на первой ступени  обмена, таким образом, будет соответствовать ломаная линия ADE. Продолжая построение таких ступеней до тех пор, пока соответствующая горизонталь не пересечет ординату ВС_2H, получают число теоретических ступеней (тарелок). При этом, если ступень получается неполной, число ступеней округляют до целого числа (с избытком).

По числу теоретических  тарелок N_T находят действительное число тарелок

 

N_Д = Nт/η,

 

где η — КПД тарелки, значение которого для наиболее важных в практическом отношении случаев составляет 0,2...0,8.

При передаче массы от газа к жидкости разность концентраций определяется выражениями:

C ₁ = C ₁₄ - C _12; C ₂ = C _2k - C _22.

Рассмотрим материальный баланс в элементе противоточного массообменного аппарата. Массовый расход первого компонента dG, который переходит в этом элементе из одной фазы (C ₁) в другую (С₂), можно определить выражением: dG = dM/d C₁

 

где dM — масса вещества, переданного из одной фазы в другую в единицу времени, кг/с; С₁—значения концентрации извлекаемого компонента соответственно на рабочей линии и линии равновесия.

 

ВЫСОТА ЕДИНИЦЫ  ПЕРЕНОСА.

Физически каждая ступень  переноса вещества осуществляется в  технических устройствах, например тарелках ректификационной колонны (для процесса ректификации).

Численные расчеты переноса по приведенным выражениям ведутся с использованием рабочей и равновесной линий процесса. По ним определяют движущие силы (C ₁ – С₁*) в зависимости от C ₁ и С₂ и далее — по приведенным формулам. При этом могут использоваться графический или другие методы численного интегрирования C ₁ или С₂.

Высоту аппарата можно  определить, используя экспериментальные  данные, которые представляют в виде формул:

M = K_1vV C _1.

где M – производительность по извлекаемому компоненту , кг/с;

      K_1v – объемный коэффициент массопередачи, с^-1;

      V—объем рабочего пространства аппарата, м³;

      C₁—средняя движущая сила процесса, кг/м³;

V=SH,

где S— площадь поперечного сечения рабочей камеры аппарата, м-;

        H—высота рабочей камеры аппарата, м;

 

М = М₁(С_1н-С_1k),

Где  М₁  — объемный расход фазы, м³/с.

Приравнивая уравнения ,получим:

 

H = М₁/ K_1v S× C _1H - C _1K/ C _1.

H = М₁/ K_1v S× C _1H - C _1K/ C ₁ = h₀₁m₀₁ = h₀₂ m₀₂;

h₀₁ = М₁/ K_1vS; m₀₁ = C _1H - C _1K/ C _{1 ;}

h₀₂ = М₂/ K_2vS; m₀₂ = C _2H - C _2K/ C _2,

где m_01, m₀₂ — число единиц переноса;

h_01, h₀₂— значения высоты единиц переноса.

Число необходимых ступеней массопереноса можно определить графически (без учета КПД ступеней) по рабочей и равновесной линиям процесса . Принимая, что на первой ступени обмена вошедшая в аппарат фаза придет в равновесие с удаляемой фазой, концентрация которой равна С_2к, получим, что концентрация на выходе из этой ступени по первой фазе станет равной С₁₂, а процесс изобразится линией AD. На рабочей линии концентрации С₁₂  соответствует точка, E, а концентрация второй фазы, удаляемой из второй ступени обмена, в этой точке равна С_22. Соответственно концентрация первой фазы после второй ступени обмена окажется равной С₁₃ и т.д. до достижения конечной концентрации. Полученное число ступеней округляют до целого и делят на КПД ступеней η = 0,2….0,8. Для смеси спиртовых паров с водой η = 0,25.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные  положения

 

1. Массообменными называют процессы, в которых по крайней ;; мере два продукта обмениваются содержащимся в них третьим S продуктом. Эти процессы организуют для повышения концентрации третьего вещества в конечном продукте.
2. Массообменные процессы классифицируют по агрегатному состоянию продуктов, способу контакта фаз (с непосредственным контактом, с контактор через мембраны и без видимой границы  фаз) и характеру взаимодействия (периодические и непрерывные; прямоточные, противоточные и с поперечным током).
3. Способы выражения концентраций: массовая, объемная, массовая мольная, объемная мольная, относительная мольная.
4. Из материального баланса массообменного аппарата можно получить рабочую линию в координатах концентраций компонентов. Это прямая линия, параметры которой определяются соотношением расходов компонентов на входе в аппарат.
5. По известным рабочей и равновесной линиям процесса можно определить число единиц переноса, необходимое для протекания процесса от начального значения концентрации до конечного. Для тарелочных массообменных аппаратов это число без учета КПД ступеней равно числу контактных тарелок; для насадочных — высоте аппарата, деленной на высоту одного единичного : переноса. Наиболее просто расчеты выполняют графически.
6. Высоту каждого единичного переноса определяют из феноменологического уравнения, в котором феноменологические м эффициенты переноса находят по справочным данным.

 

Контрольные вопросы  и задания

1. Какие процессы называют массообменными? 2. По каким признакам рада- ля ют массообменные процессы? 3. Перечислите параметры, которыми можно ха- ; рактеризовать концентрации? 4. Как можно получить рабочую линию процесса массообмена? 5. Откуда можно взять равновесную линию процесса? 6. Объясните физический смысл понятия «единичный перенос». 7. Каким образом можно найти необходимое число единичных переносов или единиц переноса? 8. Как найти высоту единичного переноса?

 

 

 

 

МЕХАНИЗМ МАССОПЕРЕДАЧИ.

СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ  КОНТАКТА ФАЗ

В данном разделе рассматриваются  общие закономерности процессов, реализующихся  в массообменных аппаратах. Процессы массопередачи называют диффузионными, так как перенос вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей осуществляется в результате диффузии.

Механизм массопередачи.

Потоки взаимодействующих фаз разделяются на две характерные области — ядро потока и пограничный слой, располагающийся непосредственно вблизи поверхности контакта с другой фазой. В пограничном слое резко изменяется концентрация переносимого компонента. В ядре потока концентрация практически постоянна; она выравнивается турбулентными пульсациями.