Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Кинетика массообменных процессов
При отклонении системы от состояния равновесия происходит переход вещества из фазы, в которой его содержание выше равновесного, в ту фазу, где содержание этого вещества ниже равновесного. Основное уравнение массопередачи. Движущая сила массообменных процессов. Скорость перехода вещества из одной фазы в другую пропорциональна степени отклонения от равновесия, которую можно выразить как разность рабочей и равновесной концентраций данного вещества в одной из фаз. Именно разность концентраций является движущей силой процесса массопередачи. Кроме того, скорость перехода вещества пропорциональна площади поверхности соприкосновения фаз. Скорость перехода ве- Основное уравнение массопередачи представим в виде (17.4) где — мольный расход компонента, перешедшего из одной фазы в другую, кмоль/с; — коэффициент массопередачи, кмоль/(с • м21 единица движущей силы); S — площадь поверхности соприкосновения фаз, м2; — движущая сила процесса массопередачи. Из уравнения (17.4) следует, что коэффициент массопередачи показывает, какое количество компонента, кмоль, перешло из одной фазы в другую за единицу времени через поверхность соприкосновения фаз единичной площади при движущей силе, равной единице. Направление процесса массопередачи удобно определять на диаграмме Y—X по взаимному расположению линии равновесия и рабочей линии. Если рабочая линия расположена над линией равновесия (рис. 17.3, а), то для любой точки (например, точки ) рабочей линии и . В этом случае целевой компонент переходит из газовой фазы в жидкую, и значения движущей силы процесса равны и . Примером такого процесса является абсорбция. Если же рабочая линия располагается под линией равновесия (рис. 17.3, б), то для точки (произвольно выбранной на рабо-
Рис. 17.3. Определение направления массопередачи по диаграмме Y—X, на которой рабочая линия расположена выше (а) и ниже (б) линии равновесия: , — произвольные точки на рабочих линиях с координатами соответственно () и (), , — движущие силы массообменного процесса чей линии) и . При этом целевой компонент переходит из жидкой фазы в газовую, и значения движущей силы процесса равны и . Такой переход происходит, например, в процессе ректификации. Тогда уравнения массопередачи можно записать в следующем виде: и , где , — соответствующие коэффициенты массопередачи. Движущая сила не остается постоянной по длине аппарата I при использовании основного уравнения массопередачи следуй подставлять в него ее среднее значение. Среднелогарифмическое значение движущей силы процесса массопередачи определяется по формуле где и — значения движущей силы на входе и выходе из аппарата. Среднелогарифмическое значение движущей силы определяется точно только в том случае, если линия равновесия и рабочая линия являются прямыми, а коэффициент массопередачи остается постоянным по всей длине аппарата. Однако линия равновесия часто отличается от прямой. В этом случае во избежание ошибок следует пользоваться более точным методом расчета и . Молекулярная и конвективная диффузия. Перенос вещества внутри фазы может происходить путем молекулярной диффузии, обусловленной беспорядочным движением молекул в неподвижной среде, либо посредством одновременно конвекции и молекулярной диффузии (конвективной диффузии), если перенос осуществляется в движущейся среде.. Процесс молекулярной диффузии описывается законом Фика, согласно которому масса вещества , перешедшего за время 1 через поверхность площадью S (нормальную к направлению диффузии), пропорциональна градиенту концентрации этого вещества, т.е. приближенно изменению его концентрации С, приходящемуся на единицу толщины слоя, имеющего общую толщину : где DM — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом молекулярной диффузии и показывающий, какое количество вещества переносится в единицу времени через поверхность единичной площади при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент молекулярной диффузии DM представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Следует помнить о том, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации этого вещества. Значения DM зависят от его свойств, а также свойств среды, через которую оно проникает, температуры и давления. Молекулярная диффузия является весьма медленным процессом, особенно если он протекает в жидкости или твердом теле. В химической технологии применяют процесс конвективной диффузии, при проведении которого масса целевого компонента переходит из одной фазы в другую не только за счет молекулярного движения, но и в результате движения более крупных объемов одной фазы относительно другой. Для конвективной диффузии характерна более высокая скорость переноса вещества, чем для молекулярной. При массоотдаче перенос вещества в газе или жидкости при их турбулентном движении или перемешивании происходит одновременно вдоль потока и в поперечном направлении. Процесс массообмена между фазами. Уравнение массоотдачи. Перенос вещества из фазы в фазу можно описать на основе теоретического представления о наличии так называемого пограничного слоя между фазами (рис. 17.4). В каждой фазе условно выделяется ядро потока (т.е. основная масса потока) и пограничный слой у поверхности раздела фаз. При этом в ядре потока за счет конвекции происходит интенсивное перемешивание.
переходу вещества из одной фазы в другую. При этом на межфаз. ной границе достигается равновесие фаз. Мольный расход целевого компонента М' в пределах каждой фазы (потоки вещества направлены к границе раздела фаз и ох нее) можно выразить уравнениями массоотдачи, которые имеют вид и , где , — движущие силы процесса массоотдачи соответственно в газовой и жидкой фазах; , — относительные мольные доли целевого компонента на границе раздела фаз; , - коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах, показывающие, какое количество вещества переходит в единицу времени из ядра фазы к границе раздела (или в обратном направлении) через поверхность единичной площади при движущей силе, равной единице. Коэффициент массоотдачи может быть выражен различным образом в зависимости от выбора единиц измерения количества целевого компонента и движущей силы. Переход целевого компонента из газовой фазы в жидкую описывается основным уравнением массопередачи (17.4). Связь коэффициентов массопередачи и массоотдачи можно представить в виде Это уравнение аналогично уравнению (12.5), устанавливающему связь между коэффициентом теплопередачи и коэффициентами теплоотдачи.
|