Массообменные процессы

Пусть вершина А соответствует исходному растворителю, В - распределяемому веществу, С - экстрагенту. Обозначим точкой S на стороне АВ состав исходной смеси (40% В, 60% А). В процессе экстракции исходная смесь смешивается с экстрагентом С. Процесс смешения изображается прямой SC, причём состав тройной смеси изображается точкой М и её положение определяется по правилу рычага из пропорции (GA + GB)/ GC = CM / SM; GA, GB, GC - количества компонентов А, В, С в смеси.

В результате смешения получается смесь состава ХА, ХВ, ХС (см. верхний правый рисунок). Полученная смесь расслаивается на экстракт (раствор обогащённый В) и рафинат (обеднённый В). Конода RE характеризует равновесные составы 2-х фаз. Состав экстракта ХВ(Е), состав рафината ХВ(R); коэффициент распределения К = ХВ(Е)/ХВ(R). Если содержание компонента В в исходной смеси будет изменяться, увеличиваться, то равновесные составы экстракта и рафината (E, R, E2, R2) , будут лежать на концах других конод. Причём отрезки (длины конод) всё уменьшаются, пока не превратятся в точку Q, в которой рафинат и экстракт не расслаиваются. Таким образом, бинодальная кривая ограничивает рабочую область диаграммы для процессов экстракции.

38. Методы экстрагирования

Смесительно-отстойная экстракция. Исходный раствор и экстрагент смешивается в аппарате и затем отстаивается в отстойнике.

Экстракция в колонне - путём непрерывного контакта исходной смеси и экстрагента, противоточно перемещающихся одна относительно другой в одном экстракционном аппарате.

М - аппарат с перемешивающим устройством; О - отстойник, Е - сборник экстракта; R - сборник рафината. Исходная смесь (А + В) и экстракт С перемешиваются до установления состояния равновесия, затем разделяются в отстойнике, в котором образуются 2 слоя: слой , насыщенный экстрагированным компонентом В (называется сырым экстрактом) и слой отработанного исходного раствора (сырой рафинат).

39. Одноступенчатая периодическая экстракция

Изобразим периодическую одноступенчатую экстракцию на диаграмме:

Состав исходной смеси изобразизится точкой S. Составу смеси после добавления экстрагента С соответствует точка М на прямой CS. Положение точки М зависит от количества экстрагента. При перемешивании и отстаивании образуются 2 жидкие равновесные фазы, составы которых представлены точками R и E. Положение точки М и GR и GE определяются по правилу рычага:

Обозначим GS - количество исходного раствора (2-х компонентного); GC - количество экстрагента. Тогда SM/MC = GC/GS; отсюда количество экстрагента GC = GS*SM/MC . Зная положение хорды равновесия, проходящей через точку М, можно определить количество рафината: GE/GR = RM/ME; (GE + GR)/GR = (ME +RM)/ME; так как GE + GR = GM, то GM/GR = RE/ME и GR = GM*ME/RE. Тогда количество экстракта GE = GM - GR = GM - GM*ME/RE = GM*(RE - ME)/RE = = GM*RM/RE = GE. Для определения состава рафината через точки C и R проводят прямую до пересечения с АВ. Получают точку RK. Для определения состава экстракта проведём линию через СЕ. ЕК - состав экстракта. Точки RK и EK соответствуют бинарным смесям, не содержащим экстрагента. По диаграмме можно определить max и min расход экстрагента. При уменьшении количества экстрагента точка М перемещается влево и в пределе совмещается с бинодальной кривой, точкой М1. Отсюда GCmin = =GS*SM1/M1C. Аналогично для точки М2 GCmax = GS*M2S/M2C; практический расход экстрагента выбирают промежуточным между GCmin и GCmax.

40. Многоступенчатая прямоточная экстракция

Она применяется для лучшего выделения целевого компонента, при этом происходит многократная промывка исходного раствора растворителем. Если при этом каждый раз используется порция свежего растворителя, то экстракция называется прямоточной. Она состоит из повторяющихся несколько раз одноступенчатых операций.

Технологическая схема:

С1, С2, …Сn - растворители (экстрагент);

S - исходный раствор;

Е1, Е2, … Еn - экстракт; R1, R2, … Rn - рафинат;

1, 2, … n - аппараты, где идёт перемешивание и расслоение жидкостей.

Составы и количества отдельных продуктов будем определять исходя из предположения, что каждое смешение достаточно продолжительно и между фазами устанавливается равновесие. Воспользуемся треугольной диаграммой.

Исходный раствор (т. S) и первая порция растворителя С1 дают смесь состава М1. Конода, проходящая через эту точку, определяет составы рафината R1 и экстракта Е1. Положение точки М1 можно определить по правилу рычага:

GC1*CМ1 = GS*SM1;

количество рафината в первой ступени R1 определяется из уравнения

GR1*R1M1 = GE1*M1E1;

GR1/GE1 = M1E1/R1M1;

GR1/(GE1 + GR1) = ME1/(R1M1 + M1E1);

СR1 = GM1*ME1/R1E1

т.к. GR1 + GE1 = GM1 = GS + GC1, то GR1 = (GS + GC1)*E1M1/R1E1. Аналогично:

Операция смешения и отстаивания на второй ступени представляется точкой М2, лежащей на R1C. Положение точки М2 зависит от количества растворителя С2, поданного на вторую ступень. Составы рафината R2 и экстракта Е2 лежат на коноде, проходящей через точку М2. Аналогично первой ступени могут быть определены

и CE2 = (GR1 + GC2)*R2M2/R2E2

Положение точки М3, … Мn рассчитывается аналогичным образом с учётом суммарного количества смеси, подающейся на ступень.

Для осуществления процессов экстрагирования используются (виды экстракторов):

Смесительно-отстойные экстракторы. Наиболее распространены смесители типа аппаратов с мешалкой, инжекторные, диафрагменные, центробежные насосы.

Колонные экстракторы: а) распылительные экстракторы; б) насадочные экстракторы; в) экстракторы с ситчатыми тарелками; г) колонные экстракторы с механическим перемешиванием фаз (роторно-дисковый экстрактор); д) пульсационные экстракторы; е) центробежные экстракторы.

41. Массопередача в системах с твердой фазой

Массопередача в системах с твердой фазой состоит из двух стадий - процесса перемещения вещества внутри тела (называется массопроводностью) и массоотдачи от поверхности твердого тела в поток жидкости (газа, пара). К процессам массопередачи с твердой фазой относятся адсорбция, сушка, выщелачивание.

42. Кинетика массопроводности

Кинетика массопроводности описывается законом:

-

количество вещества, переместившегося в твердом теле за счет массопроводности прямопропорционально градиенту концентрации, площади + направлению потока вещества и времени. К - коэффициент массопроводности (). Процесс переноса вещества внутри твердого тела описывается диффузионным уравнением массопроводности

;

К - не является постоянной величиной, зависит от природы процесса (адсорбция, сушки), от структуры пористого тела, определяется экспериментально.

43. Схема перемещения вещества внутри тел

Тело (пластина) толщиной 2, с обеих сторон омывается потоком. Т.к. тело симметрично, рассмотрим процесс по одну сторону. В ядре потока концентрация постоянна и равна . В момент концентрация равна Сн в центре пластины и на границе раздела; в момент времени - изменеяется от в центре пластины до на поверхности; - от до и т.д. От границы раздела вещество диффундирует через пограничный слой. В пограничном слое наблюдается постепенное затухание турбулентности и наиболее резкое изменение концентрации, почти линейное у поверхности. Основной здесь является молекулярная диффузия. В ядре потока омывающего твердую фазу, т.е. внешней области, массоотдача происходит конвективным путем; концентрация снижается, приближаясь к равновесной . При концентрация в твердой фазе и в ядре = .

Таким образом концентрация в твердой фазе при массопроводности изменяется не только в пространстве, но и во времени, т.е. процесс является нестационарным.

Для решения задачи о перемещении вещества внутри твердого тела диффузионное уравнение массопроводности должно быть дополнено граничными условиями. Получим их. К элементарной площадке dF на границе раздела фаз подводится вещество, количество которого можно определить из закона массопроводности dM= - КdFd; отводится от границы в фазу dM=dFd; Сгр - концентрация на границе. Т.о

.

Разделим правую часть на левую, получим критерий

Био .

Между NuD и существует принципиальное отличие. В NuD все величины относятся к одной фазе, а в входит в жидкости и К - коэффициент массопроводности в твердой фазе. Критерий Био характеризует отношение внутридиффузионного сопротивления к внешнедиффузионому сопротивлению. Если значение мало - процесс лимитируется внешней диффузией.

44. Сушка. Общие сведения

Сушка - процесс удаления влаги из твёрдых влажных материалов путём её испарения и отвода образующихся паров. Этот процесс широко используется в химической технологии, часто является завершающей стадией перед выпуском готовой продукции.

Сушка осуществляется двумя основными способами:

1.Контактной сушкой - когда нагревание влажных материалов происходит через непроницаемую перегородку.

2.Конвективной или воздушной сушкой - когда нагревание осуществляется в результате непосредственного контакта с газовым теплоносителем.

Иногда тепло подводится к влажному материалу токами высокой частоты или инфракрасными лучами (это диэлектрическая и радиационная сушка).

45. Формы связи влаги с материалом

а) Химически связанная влага - это вода, которая в результате реакции гидратации вошла в состав гидроокисей и кристаллогидратов. Эту связь можно нарушить только в результате химического воздействия. При сушке эта влага не удаляется.

б) Адсорбционно связанная влага. (Адсорбция - процесс поглощения газов или жидкостей твёрдым веществом). Этот вид связи влаги обусловлен адсорбцией воды на наружной поверхности материала и его пор. Связь имеет физико-химическую природу.

в) Капиллярно связанная влага - она заполняет макро и микро капилляры. Эта связь механическая и наиболее легко удаляется.

Влажному материалу присущи все эти формы связи. Вторая форма связи влаги характерна для коллоидных и полимерных материалов.

46. Равновесие между материалом и жидкостью, находящейся во влажном материале

При контакте материала с влажным воздухом (влажный воздух - это смесь сухого воздуха и водяного пара) возможны два процесса:

1) сушка - при РМ>РП (РМ - парциальное давление пара над поверхностью материала; РП - парциальное давление пара в воздухе);

2) увлажнение - при РМ<РП. (Первый процесс называется десорбцией, второй - сорбцией влаги материалом).

В процессе сушки РМ уменьшается и стремится к РП. Наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует равновесная влажность Wр. Зависимость Wр от ц (относительной влажности воздуха , где сП - масса водяного пара в 1 м3 воздуха при данных условиях; сН - масса пара в состоянии насыщения в 1 м3 при данных условиях.) представляется следующим образом (см. верхний рис.)

.

Причина гистерезиса - в сорбции воздуха стенками капилляров.

47. Физические свойства влажного воздуха

Абсолютная влажность - количество водяного пара в кг в 1м3 влажного воздуха. Можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеального газа.

Относительная влажность



где сП - масса водяного пара в 1м3 воздуха при данных условиях; сН - масса пара в состоянии насыщения в 1м3 при данных условиях.

Влагосодержание

,

сС.В - плотность абсолютно сухого воздуха , сП - плотность влажного воздуха.

Энтальпия ,. СС В - средняя удельная теплоёмкость абсолютно сухого воздуха,

iП - энтальпия водяного пара.

Плотность влажного воздуха

.

Основные свойства влажного воздуха определяются с помощью I-x диаграммы.

48. Материальный баланс сушки

Обозначим:

G1 - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;

G2 - количество высушенного материала;

W1, W2 - начальная и конечная влажность материала, %;

W - количество влаги, удаляемой из материала при сушке.

По всему материалу:

;

по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале:

; отсюда

.

Основное уравнение материального баланса конвективной сушки

.

49. Основная схема конвективной сушки

Рассмотрим основную схему конвективной сушки.

Пусть на сушку поступает воздух с влагосодержанием х0, расход абсолютно сухого воздуха L.

Из сушилки выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до х2. W - количество влаги, испарившееся в сушилке, кг/ч, L - кг/ч, х - кг/кг.

Материальный баланс по влаге:

> .(*)

Удельный расход воздуха на испарение из материала 1кг влаги: (**), х1 - влагосодержание воздуха, нагретого в калорифере и поступающего в сушилку. Пройдя калорифер воздух не отдаёт влаги, т.е. х0 = х1, тогда уравнение (*) и (**) материального баланса может быть записано ; .

50. Тепловой баланс процесса конвективной сушки

В сушилку поступает G1 кг/ч исходного материала при и1?С. Испаряется в сушилке W кг/ч влаги. G2 (кг/ч) - количество высушенного материала, удаляемого из сушилки при , См- теплоемкость высушенного материала, Св - теплоёмкость влаги. В сушилку подаётся сушильный агент, который содержит L кг/ч абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером энтальпия воздуха I0 (Дж/кг), после калорифера (после нагрева) - I1. На выходе из сушилки отработанный воздух имеет энтальпию I2.

Следует учесть транспортные средства в сушилке: Gт - масса этих устройств, кг; Ст - удельная теплоёмкость транспортных средств;

tтн - температура на входе в сушилку; tтк - температура транспортных средств на выходе из сушилки.

Приход тепла.

С наружным воздухом - LI0.

С влажным материалом:

а) с высушенным материалом - ;

б) с влагой, испарённой из материала -W cB

С транспортными устройствами -.

В калорифере К1 - и К2 -.

Расход тепла.

С отработанным воздухом - LI2.

С высушенным материалом - .

С транспортом -.

Потери в окружающую среду - Qп.

Таким образом тепловой баланс:

Отсюда общий расход тепла:

Поделив на W, получим удельный расход тепла на 1кг испарённой влаги:

 (); где

qм - удельный расход тепла на нагрев высушенного материала;

qт - удельный расход тепла на нагревание транспортных средств.

С другой стороны - расход тепла во внешнем калорифере.

.

Подставим в (), перегруппируем и получим:

Обозначим

=Д, тогда ,

или (1).

Д - это разность между приходом и расходом тепла в камере сушилки, без учёта тепла приносимом воздухом из основного калорифера.

Д - внутренний баланс сушильной камеры.

На прошлой лекции

в (1), получим .

Для анализа и расчёта сушки вводится понятие теоретической сушки, т.е. где Д = 0, т.е.

.

И для теоретической сушилки (следует из (1)). Это означает, что испарение влаги в теоретической сушке происходит только за счет охлаждения воздуха. В действительных сушилках Д><0, а в частном случае Д = 0.

Определение расходов воздуха и тепла на сушку определяется графически с помощью I-х диаграммы и аналитически (применяется в отдельных случаях). Графический способ наиболее распространён.

51. Кинетика сушки

Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала. Состоит из периодов: АВ - период нагрева материала; ВС - период постоянной скорости сушки. Влажность интенсивно уменьшается. - первая критическая влажность. СД - период падающей скорости сушки. Точка перегиба Д соответствует второй критической влажности . В конце второго периода влажность материала асимптотически приближается к равновесной.

Скорость сушки

Скорость сушки определяется с помощью кривой сушки путём графического дифференцирования.

В конкретном случае вид может отличаться от приведённого (зависит от формы и структуры материала, формы связи влаги). Соответственно меняется зависимость v=f(WC) (см. рис). СВ - период постоянной скорости; СЕ - II период (падающая скорость); т.С - первая критическая влажность, т.Д - вторая критическая влажность.

52. Интенсивность испарения влаги

;

где W - количество влаги; F - поверхность материала; - время сушки,

m - интенсивность испарения влаги - связана с механизмом теплообмена влажного материала с окружающей средой. Процесс очень сложный и состоит из стадий перемещения влаги из глубины материала к поверхности и от поверхности в окружающую среду.

Испарение влаги с поверхности материала. Процесс происходит вследствие диффузии пара через пограничный слой воздуха у поверхности материала (внешняя диффузия). Процесс обусловлен движущей силой - разностью концентраций или парциальных давлений пара у поверхности и в окружающей среде. Кроме того, существует мольный перенос и термодиффузия (из-за перепада температур).

Перемещение влаги внутри материала. При испарении влаги с поверхности материала внутри материала возникает градиент влажности, в результате чего происходит перемещение влаги из глубины. В I период влажность внутри велика, лимитирующей стадией является скорость поверхностного испарения (внешняя диффузия). На II периоде лимитирующей стадией становится внутренняя диффузия. Перенос влаги внутри материала называется влагопроводностью. Интенсивность потока влаги пропорциональна градиенту концентрации влаги ;

.

(Минус, т.к. влага движется от большей к меньшей концентрации). k - коэффициент влагопроводности, зависящий от формы связи влаги с материалом, влажности материала, температуры сушки, определяется экспериментальным путём.

Скорость уменьшения влажности материала может быть выражена общим дифференциальным уравнением влагообмена:

,

где д - коэффициент термовлагопроводности; - оператор Лапласа.

В случае одномерной задачи: . Зная закон распределения влажности в материале в начале сушки и выражение для плотности потока влаги с поверхности материала окружающую среду это дифференциальное уравнение можно решить. Интегрируя, получаем:

;

где: N - скорость сушки; - начальная и первая критическая влажности; фК1 - время сушки за весь первый период. Это уравнение является уравнением прямой ВС на кривой сушки. Продолжительность периода первой стадии сушки:

.

Продолжительность сушки на стадии падающей скорости определить сложнее из-за сложности конфигурационных кривых скорости сушки. Продолжительность сушки здесь определяют с помощью коэффициента скорости сушки kС. Для расчёта kС используют экспериментальную кривую скорости сушки для материала.

Уравнение скорости сушки для второго периода

.

Интегрируя это уравнение можно получить продолжительность сушки за II период. Существуют и другие методы расчётов продолжительности сушки (эмпирические). Их общий недостаток - они пригодны только для тех условий и материалов для которых получены.

53. Адсорбция

Адсорбция газовая - поглощение газов или паров из газовых смесей твёрдыми поглотителями (адсорбентами).

Адсорбция процесс избирательный и обратимый. В промышленности процесс применяется для разделения смесей (например: выделение бензола из паро-газовой смеси).

Виды адсорбентов - в качестве адсорбентов используются твёрдые материалы с высокой пористостью. Это силикагель, активированные угли, активированные серной кислотой глины. В последнее время разрабатываются специальные адсорбенты - синтетические цеолиты - молекулярные сита. Они применяются для разделения смесей газов по размерам молекул. Диаметр их пор приблизительно 4,512?.

54. Равновесие при адсорбции

При адсорбции происходит концентрация молекул поглощаемого вещества на поверхности адсорбента. На величину адсорбции влияют:1) природа поглощаемого вещества; 2) температура; 3) давление; 4) примеси в фазе, из которого поглощается вещество.

Равновесные зависимости и называются изотермами адсорбции. Изотермы определяются экспериментально. Вид зависимости определяется природой поглощаемого вещества, свойствами адсорбента, температурой и давлением процесса. Повышение температуры и понижение давления отрицательно сказываются на процессе адсорбции.

Адсорбенты характеризуются статической и динамической активностью. Динамическая активность - количество вещества, поглощаемого единицей массы адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока». Статическая активность - количество вещества, поглощаемое тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия. Активность зависит от температуры газа и концентрации поглощаемого компонента. Динамическая активность больше статической. При адсорбции выделяется значительное количество тепла. Адсорбция практически всегда сочетается с десорбцией. Десорбции будет способствовать повышение температуры адсорбента, понижение давления над адсорбентом и наличие в фазе над адсорбентом конкурирующего (вытесняющего) вещества. Обычно десорбцию проводят с применением водяного пара. Смесь адсорбтива и водяного пара направляют в конденсатор, где продукт отделяется от воды отстаиванием или ректификацией.

55. Материальный баланс процесса адсорбции

Процесс адсорбции проводится периодически или непрерывно. Материальный баланс непрерывной адсорбции: , где G - расход паро-газовой фазы (кг/с инертной части газа); L - расход адсорбента (кг/с); - рабочая концентрация адсорбируемого вещества в паро-газовой фазе (кг/кг ин. части газа); - рабочая концентрация адсорбируемого вещества в адсорбенте.

56. Кинетика процесса адсорбции

Экспериментально доказано, что при адсорбции диффузионные сопротивления внутри твёрдой фазы малы по сравнению с внешним диффузионным сопротивлением, поэтому при расчётах процесса адсорбции используют основное уравнение массопередачи в виде: , где с некоторым допущением полагают, что . определяют по критериальным уравнениям Nu = f(Re,Pr).

57. Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем адсорбента

Вначале через адсорбент L пропускают паро-газовую смесь G; происходит насыщение адсорбента поглощаемым веществом. Затем пропускают вытесняющее вещество В или нагревают адсорбент (т.е. производят десорбцию - регенерацию адсорбента).

58. Адсорберы непрерывного действия с движущимся адсорбентом

Адсорбент L циркулирует в замкнутой системе: насыщение его происходит в верхней зоне аппарата (адсорбционной), регенерация - в нижней (десорбционной).

массопередача ректификационный абсорбция

59. Кристаллизация

Кристаллизация - выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллы - однородные твёрдые тела различной геометрии в зависимости от вида химического соединения. В химической промышленности кристаллизация применяется для получения в чистом виде веществ. Кристаллизацию обычно производят из водных растворов (понижая температуру или удаляя часть растворителя) или из растворов органических веществ, испаряя их. Из расплавов - путём охлаждения. На скорость кристаллизации влияют степень пересыщения раствора, его температура, образование центров кристаллизации, интенсивность перемешивания, наличие примесей и др.

Скорость кристаллизации величина не постоянная, изменяющаяся во времени в зависимости от условий кристаллизации. В начале скорость равна нулю (период индукции), затем максимальна и падает до 0(1) (при большой степени пересыщения). При наличии тормозящих кристаллизацию примесей период индукции возрастает, наблюдается период постоянной скорости (2).

Влияние температуры - при более высокой температуре уменьшается м и увеличивается диффузия. Но с повышением температуры растёт число центров кристаллизации и образуются более мелкие кристаллы.

60. Способы кристаллизации

с удалением части растворителя - путём его испарения или вымораживания. Это изотермический метод. Испарение производят в выпарной установке, там же производят и кристаллизацию. Общий недостаток метода - отложение кристаллов на поверхности аппарата.

Кристаллизация с изменением температуры раствора - изогидрический способ, осуществляется при постоянном содержании в растворе растворителя. Процесс ведут как в аппарате периодического, так и непрерывного действия. В качестве охладителя используют воду.

Комбинированные способы.

а) вакуум-кристаллизация - здесь испарение происходит за счёт отдачи раствором своего физического тепла. Пары откачиваются вакуум-насосом. Процесс протекает адиабатически. Пересыщение раствора достигается его охлаждением;

б) кристаллизация с испарением части растворителя в токе носителя;

в) дробная (фракционированная) кристаллизация.

Размещено на Allbest.ru

...