Массообменные процессы

Массообменные процессы

от Lenochka07041991 | skachatreferat.ru

Реферат
по дисциплине: Производственные технологии
на тему: Массообменные процессы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3
1 Основы массопередачи 4
1.1 Общие сведения о массообменных процессах 4
1.2 Основное уравнение массопередачи 8
1.3 Материальный баланс массообменных процессов 8
2 Абсорбция 11
2.1 Равновесие при абсорбции 11
2.2 Схемы абсорбционных процессов 13
3 Перегонка жидкостей 17
3.1 Общие сведения 17
3.2 Простая перегонка 18
3.3 Ректификация 23
3.4 Непрерывно и периодически действующие
ректификационные установки 24
4 Экстракция 33
4.1 Равновесие при экстракции 35
4.2 Схемы процесса экстракции 36
5 Сушка 40
5.1. Равновесие в процессах сушки 42
Список использованных источников 46

ВВЕДЕНИЕ

В пищевой и химической промышленности и в технологии очистки газообразных и жидких систем широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного и нескольких веществ из одной фазы в другую в гетерогенных и гомогенных системах.

В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами: абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция, сушка, кристаллизация.

Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы.

Распределяемое вещество внутри и каждой фазы переносится путем молекулярной и турбулентной диффузии.

Для диффузионных процессов принимают, что количество переносимоговещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе (разности концентраций распределяемого компонента).

Теоретические основы современной технологии позволяет решать многочисленные и разнообразные проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией соответствующих аппаратов, где протекают те или иные массообменные процессы.

1 ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ

1.1 Общие сведения о массообменных процессах

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую, называются массообменными, а аппараты, в которых происходят эти процессы, – массообменными аппаратами.

Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.
В большинстве производственных установок химической промышленности массообменный и реакционный аппараты связаны по следующей схеме
рисунок. 1.1

[pic]

Рисунок 1.1 - Схема технологического процесса с массообменным аппаратом

Исходное сырье поступает в реактор, где частично превращается в продукты реакции, поскольку химические реакции с получением целевых продуктов не протекают до конца. Выходящая из реактора смесь продуктов реакции и сырья, не участвующего в реакции, направляется в массообменную разделительную аппаратуру. В аппаратуре производится разделение смеси на продукты реакции и непрореагировавшее сырье, которое возвращается в реактор, а продукты реакции поступают на дальнейшую переработку.

Отсюда следует, что между реакционными и разделительными аппаратами существует тесная технологическая связь. Закон этой связи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, т.е. чем меньше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше нагрузка на разделительный аппарат, и наоборот.
Оптимальное сочетание нагрузок на реакционный и разделительный аппараты обеспечивает минимальныепроизводственные затраты. Поэтому основа химического производства – реактор – работает оптимально только в сочетании с оптимально работающим разделительным аппаратом.
В разделительном аппарате могут производиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионнообменные процессы и мембранное разделение.
Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями – адсорбентами. Этот процесс применяется во многих производствах, в которых из смеси газов необходимо извлечь какое-либо вещество или комплекс веществ. В процессе абсорбции имеет место переход вещества или группы веществ из газовой (паровой) фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией.
Ректификацией называется процесс разделения смеси жидкостей, имеющих различные температуры кипения при соответствующем давлении, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного движения потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, в которых необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. В процессе ректификации имеет место переход вещества или группы веществ из жидкой фазы в паровую, и наоборот.
Экстракцией называется процесс разделения, основанный на извлечении растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. Процесс применяется в тех случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.
Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ, твердым пористым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать одно илинесколько веществ из их смеси. Процесс используется в тех производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечение того или иного вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.
Ионнообменный процесс представляет собой процесс извлечения вещества из раствора, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. Процесс применяется для извлечения веществ из растворов, имеющих низкую концентрацию. В этом процессе вещества переходят из жидкой фазы в твердую.
Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Процесс необходим для тех производств, в которых влажные природные вещества предварительно до их переработки или готовые вещества в последней стадии производства должны быть обезвожены. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.
Кристаллизацией называется процесс разделения, основанный на выделении вещества в виде твердой фазы (кристаллов) из жидкой фазы. Процесс имеет место в тех случаях, где требуется получение веществ повышенной чистоты. В этом процессе происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. Обратный процесс – растворение.
Мембранное разделение основано на способности определенных тонких пленок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят через полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в жидкую или газовую фазу, находящуюся за мембраной.
Из краткой характеристики следует, что для всех массообменных процессов характерным является переход вещества из одной фазы в другую, или массопередача.
Процессы массопередачи делятся на две группы. К одной группе процессов относятся, например, перегонка, кристаллизация, в которых минимально два вещества,составляющие две фазы, обмениваются компонентами и сами непосредственно участвуют в массопередаче. В другой группе процессов в большинстве случаев в массопередаче участвуют три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую. К этой группе относятся процессы: абсорбции, экстракции, адсорбции, сушки.
Одну фазу обозначим буквой G, другую L, а распределяемый компонент М. Поскольку все массообменные процессы обратимы, то распределяемое вещество может переходить в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах из фазы G в фазу L и наоборот.
Представим для первой группы процессов массопередачи, что распределяемое вещество находится вначале только в фазе G и имеет концентрацию [pic]. В фазе L в начальный момент распределяемого вещества нет и, следовательно, концентрация его в этой фазе [pic]=0.
Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, начнется переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и в жидкой фазе появится распределяемый компонент с концентрацией, отличной от нуля. С момента появления вещества М в фазе L начинается обратный переход его в фазу G. До некоторого момента времени число частиц М, переходящих в единицу времени через единицу поверхности фазового контакта из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих обратно из фазы L в фазу G.
Через определенный промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из фазы G в фазу L и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в фазах, которые при равновесии системы называются равновесными.
Любой концентрации [pic] соответствует равновесная концентрация [pic], и наоборот, любойконцентрации [pic]соответствует равновесная концентрация [pic], т. е. имеют место зависимости вида

[pic] или [pic].

Условия равновесия и равновесные зависимости могут быть выражены не только через концентрации, но и через другие параметры, например, энтальпии, химический потенциал.
Знание равновесных концентраций позволяет установить направление течения процесса, которое определяется стремлением к равновесию. Если [pic]>[pic] и, следовательно, [pic], распределяемое вещество М будет переходить из фазы G в фазу L. При условии [pic][pic] и отсутствии потерь в процессе взаимодействия фаз при параллельных потоках вдоль поверхности раздела концентрация распределяемого компонента в газовой фазе [pic] уменьшается, а в жидкой [pic] – увеличивается
рисунок 1.2
[pic]

Рисунок 1.2 - Изменение концентраций распределяемого компонента

при прямоточном движении фаз

Для элемента поверхности [pic]:

[pic]. (1.3)

Интегрируя уравнение (1.3) в пределах от начальных [pic], [pic]до конечных значений концентраций [pic] и [pic], получим

[pic]
Или

[pic]. (1.4)

Интегрируя уравнение (1.3) в пределах от начальных до текущих значений концентраций [pic] и [pic], получим

[pic],
откуда

[pic]. (1.5)
Аналогично для противоточного взаимодействия фаз можно получить уравнение

[pic], (1.6)

[pic],

[pic], [pic].

Так как расходы инертных компонентов носителей газообразной и жидкой фаз постоянны ([pic]), из уравнений (1.5) и (1.6) следует, что рабочие концентрации распределяемого вещества в фазах G и L связаны линейной зависимостью. Поэтому процессы массообмена удобно представлять графически в координатах [pic][pic]-рисунок 1.3. Уравнение прямой, выражающее зависимость между рабочими концентрациями, называется рабочей линией процесса.

[pic]
Рисунок 1.3 - Уравнение рабочей линии процесса

2 АБСОРБЦИЯ

Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями – адсорбентами.

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.
Физическая абсорбция обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция.
Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель (абсорбент) и выделять поглощенный компонент в чистом виде.
Примерами использования процессов абсорбции в химической технологии и технике могут быть разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной кислоты, аммиачной воды, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживание газовых выбросов и т. п.

2.1 Равновесие при абсорбции

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой смеси.

В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси взаимодействуют две фазы (Ф = 2), число компонентов равно трем ([pic]=3) и, согласно правилу фаз Гиббса
[pic] [pic],

число степеней свободы системы равно трем (С=3). То есть для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянном давлении и температуре зависимость между концентрациями газа и жидкости однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: при данной температуре мольная доля газа врастворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

[pic] или [pic], (2.1)

где Е – коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри.
Коэффициент Е зависит от природы растворяющегося вещества и температуры:

[pic], (2.2)

где [pic] – дифференциальная теплота растворения газа; [pic] – постоянная, зависящая от природы газа и растворителя, определяемая опытным путем.
Из равенств (2.1) и (2.2) следует, что с ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается.
Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона, парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси:

[pic] или [pic].

Сопоставляя последнее равенство с (2.1), получим

[pic] или [pic]. (2.3)

В общем случае константа фазового равновесия [pic] зависит от общего давления [pic], температуры и концентрации распределяемого компонента в жидкости [pic]: [pic]. Эта функция для некоторых систем может быть вычислена, но в большинстве случаев ее находят опытным путем.

Уравнение (2.3) выражает зависимость между равновесными концентрациями распределяемого газа в газовой и жидкой фазах. Анализ и расчет процесса абсорбции удобнее всего проводить, выражая концентрации распределяемого компонента в относительных единицах, т. к. в этом случае расчетные значения потоков газовой и жидкой фаз постоянны.
Уравнение равновесия, выраженное через относительные мольные доли

[pic] ; [pic]; [pic]; [pic],

можно переписать следующим образом:

[pic].

При незначительных концентрациях [pic] величина [pic]