Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 icon

Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35


НазваниеУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
страница4/7
Дата публикации01.11.2013
Размер1.14 Mb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7
Тема 6: Аппаратура для теплообмена.

Цель: Познакомить с применяемой в промышленности аппаратурой для теплообмена, научить проводить подбор нагревающих и охлаждающих агентов, основываясь на знании их областей применения, преимуществ и недостатков.

^ Подвод тепла. Нагревающие агенты

Нагревание является одним из наиболее распространенных процес­сов химической технологии. Нагревание необходимо для ускорения мно­гих химических реакций, а также для выпаривания, перегонки, сушки и других процессов. Тепловая энергия для проведения технологических процессов может быть получена различными способами и от разных источников.

^ Прямыми источниками тепла являются дымовые газы и электрический ток.

В качестве промежуточных теплоносителей, воспринимающих тепло от указанных источников тепла и передающих его нагреваемому веще­ству, применяют:

1) Водяной пар или горячую воду;

2) Минеральные масла;

3) Специальные теплоносители: перегретую воду, высококипящие жидкости и их пары, расплавленные неорганические соли и их смеси, некоторые углеводороды и металлы (в жидком состоянии).

Кроме того, для нагревания может быть использовано тепло отходя­щих газов и жидкостей, обладающих относительно высокой температурой.

Важнейшими условиями, от которых зависит выбор теплоносителя, являются:

1) Температура нагрева и возможность ее регулирования;

2) Упругость пара и термическая устойчивость теплоносителя;

3) Токсичность и химическая активность теплоносителя;

4) Безопасность нагревания;

5) Стоимость и доступность теплоносителя.

^ Нагревание насыщенным водяным паром ши­роко применяется в химической технологии. При таком нагревании мож­но точно регулировать температуру нагрева путем изменения давления пара. Вследствие хорошей теплоотдачи от насыщенного пара аппараты могут иметь значительно меньшие поверхности нагрева, чем при нагре­вании, например, дымовыми газами. Паровые нагревательные устрой­ства при использовании тепла конденсата работают при очень высо­ком К.П.Д. Однако, применяя в качестве теплоносителя водяной пар, труд­но получить высокую температуру нагрева, так как для этого требуется резко увеличить давление пара. Так, например, для достижения температуры 3500С необходимо поднять давление пара до 180 атм. Поэтому нагревание водяным паром ведут обычно до температур не более 1800.

Наиболее простым способом передачи тепла является нагревание «острым» паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Этот пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а образующийся конденсат смешивается с жидкостью. Если свойства обогреваемого мате­риала или условия проведения процесса не позволяют вести нагревание «острым» паром, применяют устройства для нагрева через стенки, раз­деляющие пар и нагреваемую жидкость, т. е. ведут нагревание «глухим» паром. Такой нагрев ведется через двойные днища или рубашки, змее­вики, трубчатые и спиральные теплообменники и др.

^ Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, хотя по своим теплотехническим свойствам вода почти не отличается от пара. Ограниченное использование воды объясняется тем, что для нагрева необходимы пар или дымовые газы, причем горячая вода должна иметь более высокую начальную температуру, чем пар, так как она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре. Применяют главным образом отработанную горячую воду или паровой конденсат. Используется для нагрева веществ до 1000.

^ Нагревание специальными теплоносителя­ми. С развитием химической технологии увеличивается число процессов, проводимых при температурах 500-6000 и более. Для получения темпе­ратур выше 1800 наиболее рационально использовать перегретую воду или пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упругостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся высокой теплоемкостью. Применяют органические теплоносители - дифенил и дифениловый эфир, эвтектическую смесь дифенила и дифенилового эфира и др., а также ртуть, смеси солей, расплавленные металлы. Эти вещества предварительно нагревают или испаряют при помощи дымовых газов или электрического тока, после чего нагретые вещества (жидкости или пары) отдают тепло нагреваемому материалу через стен­ки аппаратов.

Смесь дифенила и дифенилового эфира в технике имеет название «Даутерм А». Дифенил и дифениловый эфир в определённом соотношении дают эвтектическую смесь с низкой температурой плавления (12,4 0С), поэтому эту смесь можно транспортировать по трубам, не опасаясь кристаллизации. Температура кипения смеси при атмосферном давлении равна 258 0С. Поэтому в жидком виде дифенильная смесь используется для нагрева до температур не более 250 0С.

Примером использования в качестве нагревающих агентов расплавов солей является нитрит-нитратная смесь, содержащая 40% нитрита натрия, 7% нитрата натрия и 53% нитрата калия. Температура плавления смеси 142,3 0С. Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до температур 500 – 540 0С.

Недостатки нитрит-нитратной смеси:

  1. При температурах ≥450 0С смесь вызывает коррозию стали.

  2. Частный коэффициент теплоотдачи смеси ниже, чем от перегретой воды;

  3. Смесь является сильным окислителем, поэтому недопустим её непосредственный контакт с органическими веществами, стружкой и опилками металлов.

^ Нагревание электрическим током. При помощи электрического тока можно достичь весьма высоких температур нагрева; например, в электропечах для сжигания атмосферного азота температура равна 32000.

Электрические нагревательные устройства работают при более высоком К.П.Д., чем устройства для нагрева другими теплоносителями. При нагревании электрическим током используется до 95% электри­ческой энергии, вводимой в нагревательный аппарат. Однако нагревание электрическим током мало распространено вследствие сравнительно высокой стоимости и дефицитности электроэнергии.

^ Нагревание дымовыми газами наиболее распростра­нено; при этом можно достигнуть температуры 10000 и выше. Вместе с тем обогрев дымовыми газами имеет и недостатки. Коэффициент полезного действия печей обычно не превы­шает 30%, так как значительная часть тепла уходит в атмосферу с отхо­дящими газами, которые имеют высокую температуру (вследствие того, что поверхности теплообмена обогреваемых аппаратов обычно невелики). При обогреве дымовыми газами нельзя быстро регулировать тем­пературу нагрева, а коэффициенты теплоотдачи очень низки. Но так как газы имеют высокую температуру, удается достичь значительных раз­ностей температур теплоносителя и нагреваемого продукта, что отчасти компенсирует малую величину коэффициентов теплоотдачи. Нагревание дымовыми газами легколетучих и легко воспламеняющихся материалов опасно. Следует указать также на значительный объемный расход дымовых газов (из-за низкой теплоемкости) и сложность их транспортиро­вания (из-за больших объемов и высокой температуры).

^ Охлаждающие агенты

Для охлаждения до 10-30 0С используют доступные и дешёвые охлаждающие агенты – воду и воздух. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоёмкостью, более высоким коэффициентом теплоотдачи (αводы = 100-400, αвозд. = 10-30) и позволяет проводить охлаждение до более низких температур.

До -20 0С можно охлаждать с помощью крепких растворов солей, т.н. рассолов (растворов хлорида кальция, магния и др.). Они являются промежуточными теплоносителями между испарителем холодильной машины и охлаждаемой средой.

Для охлаждения до – 40 0С и ниже используют сжиженные газы (СО2, этан, N2). Эти хладагенты циркулируют в специальных холодильных установках, где теплота от охлаждаемой среды отнимается при их испарении.

^ Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому, менее нагретому.

В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость-жидкость и пар-жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 2000С.

При конструировании теплообменников следует решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше.

^ Классификация теплообменников

Аппараты с рубашкой. Двойные стенки или рубашки широко используются для обогрева реакционных аппаратов, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя установить змеевики (например, в аппарате со скребковой мешалкой и др.). Схема устройства паровой рубашки показана на рис. 19.



Рис. 19. Схема устройства паровой рубашки. 1 – корпус аппарата; 2 - рубашки; 3-5 – штуцеры.



По способу передачи тепла различают теплообменники смешения и поверхностные.

В поверхностных теплообменниках перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку.

В теплообменниках смешения тепло передаётся от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Поверхностные теплообменники очень распространены и их конструкции весьма разнообразны. Довольно просты в устройстве поверхностные змеевиковые теплообменники, которые бывают двух типов: погружного и оросительного. Основным теплообменным эле­ментом является змеевик-труба, согнутая по определенному про­филю.

На рис. 20, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (тепло­носитель II), находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата 2, внутри змеевика, стакана (на рис. 13-8 не показан). В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Вследствие простоты устройства, низкой стоимости, доступности наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят достаточно широкое применение в промышленности. Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительной большую поверхность теплообмена (до 10-15 м2).

Оросительные теплообменники примеряют в основном для охла­ждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 21) из разме­щенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2.



Рис. 20. Аппараты с погружными теплообменниками:

а - с одним спиральным змеевиком; б - с несколькими спиральными змеевиками; в -с прямыми трубами; 1 - погружные трубы; 2 - корпуса; I и II – теплоносители.


Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб ^ 3 для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отрабо­танная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждае­мый теплоноситель. Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках дру­гих типов. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении ороситель­ные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также гро­моздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться.




Рис. 21. Оросительный холодильник:

1 - трубы; 2 - соединительные колена (калачи); 3 - желоб для распределения охлаждающей воды; 4 - корыто для сбора воды.


Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 22). Один теплоноситель I движется по внутренним трубам 1, другой II - по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соединительных патрубков 4. Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена.



Рис. 22. Теплообменники типа «труба в трубе»: 1 – внутренняя труба; 2 - внешняя труба; 3 – колено.


Кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Простейшей конструкцией аппаратов такого типа являются кожухотрубчатый теплообменник (рис. 22). В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.






Рис. 22. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой.



Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой - в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха. Аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию. Упругая деформация при удлинении трубок может восприниматься приваренными к кожуху линзовыми компенсаторами (рис. 23). В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1.6-8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

При большей разности температур может произойти изгиб и деформация труб, поэтому для компенсации температурных удлинений и свободного удлинения труб одну из трубных решеток не закрепляют наглухо или соединяют ее с кожухом при помощи сальникового уплотнения, с тем, что решетка могла свободно перемещаться. Аппараты, в которых одна из трубных решеток не прикреплена к кожуху и имеет свободное осевое перемещение, называют теплообменниками с «плавающей» головкой (рис. 24).




Рис. 23. Теплообменник с компенсаторами температурных удлинений. 1 – компенсатор; 2 – теплообменник.








Рис. 24. Теплообменник с «плавающей» головкой. 1 – кожух; 2 - плавающая головка.



В некоторых конструкциях устанавливаются трубки U-образной формы, оба конца которых развальцованы в одной трубной решетке (рис. 25). Компенсация температурных удлинений трубок в данном случае достигается тем, что каждая трубка может свободно удлиняться независимо от других.





Рис. 25. Теплообменник с U-образными трубками. 1 - U-образные трубки; 2 – кожух; 3 – трубная решетка; 4 – распределительная камера; 5 – перегородка.



Тема 7: Массообменные процессы.

Цель: Дать определение массообменных процессов, их движущей силы, массопередачи, массоотдачи, кратко охарактеризовать виды массообменных процессов, познакомить с правилом фаз. Представить в общем виде составление материального баланса любого массообменного процесса, вывести уравнения рабочей линии для верхней и нижней части любого массообменного процесса, дать определение движущей силы массообменных процессов и познакомить с графическим способом определения направления переноса вещества из фазы в фазу.

Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

Движущей силой процесса массообмена является градиент концентраций распределяемого между фазами вещества: ∆с = с – ср, где с – фактическая концентрация вещества в данной фазе; ср – равновесная концентрация. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия.

^ Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей. Массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов). При этом граница соприкосновения – т. е. поверхность контакта фаз – может быть подвижной (система газ – жидкость, жидкость – жидкость) или неподвижной (газ – твёрдое, жидкость – твёрдое).

^ Перенос вещества внутри фазы – из фазы к границе раздела фаз или наоборот – от границы раздела в фазу – называют массоотдачей.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для очистки сточных вод и отходящих газов производственных процессов.

^ Виды массообменных процессов

Наибольшее распространение получили следующие процессы:

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую. В основе процесса лежит закон Рауля, по которому парциальное давление абсорбента над раствором равно произведению давления пара чистого абсорбента на его мольную долю в растворе: раб = Раб(1-x), где Раб – давление паров чистого абсорбента; раб – давление паров абсорбента над раствором; х – мольная доля абсорбированного газа в растворе.

Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Избирательная абсорбция в сочетании с десорбцией используется для разделения газовых и паровых смесей на отдельные компоненты.

Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твёрдыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.

Перегонка (ректификация и дистилляция) – разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси.

Экстракция (жидкостная) – извлечение растворённого в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого компонента из одной жидкой фазы в другую. Процесс экстракции основан на законе распределения, согласно которому отношение равновесных концентраций вещества, распределённого между двумя жидкими фазами, при постоянной температуре есть величина постоянная, называемая коэффициентом распределения R: R = c1 / c2, где R – коэффициент распределения; с1 – равновесная концентрация распределяемого вещества в первой распределяющей фазе; с2 – равновесная концентрация распределяемого вещества во второй фазе.

Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов.

Сушка - процесс удаления из твёрдого материала летучего компонента (чаще всего влаги) путём его испарения и отвода образующегося пара. Условием сушки является обеспечение неравенства рм > рс, где рм – давление пара во влажном материале; рс – парциальное давление пара в окружающей среде.

Кристаллизация - выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или из расплавов. Кристаллизация осуществляется в результате пересыщения или переохлаждения раствора (расплава) и характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твёрдую.

Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки – мембраны. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

^ Способы выражения составов фаз

При изучении массообменных процессов приходится иметь дело со смесью различных компонентов, находящихся в жидкой или паровой фазе. Свойства такой смеси зависит от её состава, т.е. относительного содержания (концентрации) тех или иных компонентов.

Принято для выражения состава смесей пользоваться различной системой концентраций и наиболее распространёнными являются массовые, молярные и объёмные концентрации.

а) массовые концентрации (обозначим wi)

Рассмотрим систему, состоящую из n компонентов. Обозначим массы 1-го, 2-го и n-го компонентов через g1, g2,……gn соответственно. Общая масса системы будет ; тогда массовые концентрации компонентов, входящих в состав смеси определяются следующим образом:

w1 = ; w2 = ;……….; wn = .

Очевидно, что сумма массовых концентраций всех компонентов смеси равна единице:

w1 + w2 +……+ wn = + + ……+ =

= .

б) молярные концентрации (мольные доли) (обозначим х) – это отношение числа молей i – го компонента к общему числу молей системы

х1 = ; х2 = ;……….; хn = .

Очевидно, что и сумма мольных долей системы равна 1:

x1 + x2 +……+ xn =.

в) объёмные концентрации (обозначим vi) – это отношение объёма отдельного компонента Vi к общему объёму системы :

v1 = ; v2 = ; ……; vn = .

При условии, что в процессе смешения компонентов их объём не изменяется, т.е. V1 + V2 + ….. + Vn = ∑Vi, сумма объёмных концентраций также будет равна 1:

v1 + v2 + …..+ vn = , ∑vi = 1.

Правило фаз Гиббса

При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией; такой массо- и теплообмен идет через поверхность раздела фаз, стремясь достигнуть состояния равновесия, при котором скорость перехода из одной фазы в другую уравновесится скоростью перехода в противоположном направлении.

Система, достигнув состояния равновесия, может далее существо­вать как угодно долго без каких-либо видимых качественных и коли­чественных изменений. Это значит, что при наличии равновесия контактирующие фазы по истечении любого отрезка времени будут суще­ствовать, а их составы останутся неизменными.

Условием, необходимым для обеспечения равновесия системы, является постоянство температуры и давления во всех частях си­стемы; неравенство температуры или давления приведет к теплооб­мену и массообмену в системе и к нарушению состояния равновесия. Другим важным условием состояния равновесия является сосу­ществование фаз, т. е. их контакт; поэтому в равновесной системе всегда имеется поверхность раздела фаз. Только в результате кон­такта фаз, осуществленного на поверхности их раздела, система может прийти в состояние равновесия. Если по тем или иным причинам равновесие нарушится, система будет вновь стремиться прийти к равновесному состоянию.

Таким образом, в системе, находящейся в равновесии, не происхо­дит никакого процесса, требующего для своего осуществления тепло- и массообмена, и, следовательно, для того чтобы процесс протекал, необходимо нарушить равновесие. В частности, процесс перегонки и ректификации будет протекать только в том случае, если между сосуществующими паровой и жидкой фазами не будет состояния равновесия, что может быть достигнуто внешним воздействием на систему путем изменения хотя бы одного параметра, характеризующего состояние равновесия: температуры, давления или состава фаз.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса. Математически правило фаз имеет вид: Ф + С = К + 2, где С — число степеней свободы или число независимых перемен­ных, значения которых можно произвольно менять без нарушения числа или вида (состава) фаз в системе (к ним относятся температура, давление и кон­центрация компонентов); К — число компонентов; Ф — число фаз.

Правило фаз указывает число параметров, которое можно менять произвольно при расчёте равновесия в процессах массообмена.

Для однокомпонентной системы, находящейся в паровой и жидкой фазах, число степеней свободы С = 1+ 2 - 2 = 1, т. е. из возможных независимых переменных — температуры, давления, характеризующих состояние равновесия этой системы, произвольно может быть выбран только один параметр. Для такой системы кон­центрация не является определяющим параметром, так как обе фазы системы состоят только из одного компонента.

Для двухкомпонентной системы, состоящей из паровой и одной жидкой фаз, параметрами, характеризующими ее состояние, являются температура, давление и концентрация компонентов. Следовательно, определяющими в этой системе являются уже четыре переменные величины. В соответствии с правилом фаз в этом случае произвольно могут быть выбраны две переменные величины: С = 2 + 2 - 2 = 2. Так, достаточно задаться или произвольно выбрать температуру и давление системы, чтобы тем самым определить концентрацию компонентов в равновесных паровой и жидкой фазах.

В случае процесса, в котором каждая из двух взаимодействующих фаз содержит, помимо распределяемого компонента, инертный компонент – носитель, т.е. число компонентов равно трём и С = 3 + 2 - 3 = 3 – можно произвольно менять давление, температуру и концентрацию одной из фаз по распределяемому компоненту. Обозначим концентрацию распределяемого компонента в 1-ой фазе через хА, во 2-ой – через уА. При Р = const и t = const некоторой концентрации одной из фаз хА соответствует строго определённая концентрация другой фазы уА.

Фазовое равновесие, линия равновесия

Рассмотрим процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой.

Обозначим: Фх – жидкая фаза; Фу – газовая фаза; х0 – начальная концентрация аммиака в жидкой фазе; у0 – начальная концентрация аммиака в газовой фазе. Очевидно, что х0 = 0, у0 ≠ 0.

При соприкосновении газа с жидкостью начинается переход аммиака из газовой в жидкую фазу (абсорбция). Скорость этого процесса зависит от концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз: wa = Ka·y (Ka- константа скорости абсорбции).

Скорость обратного процесса – десорбции аммиака – зависит от концентрации аммиака в воде: wд = Kд·х (Kд - константа скорости десорбции).

С течением времени скорость абсорбции будет снижаться, а скорость десорбции – возрастать. В определённый момент скорость абсорбции становится равной скорости десорбции. При этом не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу, т.е. установится динамическое равновесие.

В условиях равновесия некоторому значению действующей концентрации аммиака в жидкой фазе х соответствует строго определённая равновесная концентрация в газовой фазе у*. Соответственно, концентрации у соответствует равновесная концентрация х*. В общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается: у* = f(х) или х* = f(y’).

Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рис. 26, либо в частном случае — прямой линией. На рис. 26, а пока­зана равновесная кривая для системы с компонентами - носителями, вы­ражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = соnst и t = const. На рис. 26, б приведен пример равновесной кривой для процесса ректифика­ции, построенной при Р = const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке, соответствует разным температурам.



Рис 26. Диаграммы равновесия: а – при р = const и t = const; б – при p = const.


Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения: m = y*/x.

Для разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и m является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.

Как будет показано ниже, зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные, концентрации фаз в соответствующих точках, можно определить направление и движущую силу массопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рас­считана средняя движущая сила, а по ней — скорость процесса массопередачи.

^ Материальный баланс. Рабочая линия

Рабочие концентрации распре­деляемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений. Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого ве­щества в фазах у = f (х) изображается линией, которая носит название рабочей линии. Вид функции у = f (х) или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов. Материальный баланс представляет собой вещественное выражение закона сохранения массы применительно к процессам химической технологии: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе веществ, полученных в этой операции (расход), что записывается в виде уравнения баланса.

Рассмотрим схему массообменного аппарата, работающего в режиме идеального вытеснения при противотоке фаз (рис. 27). Пусть в процессе массопередачи из фазы в фазу, например из газовой фазы в жидкую, переходит только один распределяемый компонент. Сверху в аппарат поступает Lн кг/сек жидкой фазы, содержащей хн мас. долей распределяемого компонента, а снизу из аппарата удаляется Lк кг/сек той же фазы, содержащей хк мас. долей распределяемого компонента. Снизу в аппарат поступает Gн кг/сек другой фазы (газовой) концентрацией ун и сверху удаляется Gк этой фазы, имеющей концентрацию ук мас. долей распределяемого компонента. Тогда материальный баланс по всему веществу Gн + Lн = Gк + Lк, и материальный баланс по распределяемому компоненту Gн ун + Lн хн = Gкук + Lкхк.




Рис. 27. К выводу уравнения материаль­ного баланса противоточного массообменного аппарата



Теперь напишем уравнения материального баланса для части аппарата от его нижнего конца до некоторого произвольного сечения, для которого расходы фаз составляют G и L кг/сек, а их текущие концентрации равны у и х соответственно.

По всему веществу Gн + L = G + Lк, по распределяемому компоненту Gн ун + Lх = Gу + Lкхк.

Решая это уравнение относительно у, получим:

у = (7.1) .

Обычно расходы фаз постоянны по высоте аппарата или мало изменяются. Поэтому, с достаточной для практических целей точностью можно считать, что Gн = Gк = G = const, Lн = = Lк = L = const и уравнение принимает вид:

y = (7.2).

Обозначим L/G = A и = В, получаем у = Ах + В. Таким образом, рабочая линия представляет собой прямую, которая наклонена к оси абсцисс под углом, тангенс которого равен А, и отсекает на оси ординат отрезок, равный В.

Аналогично, для части аппарата от некоторого произвольного сечения до верхнего конца материальный баланс имеет вид G у + Lнхн = Gкук + Lх, а уравнение рабочей линии: y = (7.3).

Выражения (7.2) и (7.3) являются уравнениями рабочей линии, которыми обычно пользуются при расчётах массообменных процессов.

Движущая сила массопередачи

и направление переноса вещества из фазы в фазу

В общем случае: движущей силой массообменных процессов является отклонение данной системы от состояния равновесия.

Со стороны газовой фазы: движущей силой процесса является разность между действующей концентрацией данного компонента в газовой фазе и концентрацией этого же компонента в газе, находящемся в равновесии с жидкостью.

^ Распределяемое вещество всегда пере­ходит из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса распределяемого вещества, т, е. направление массопередачи, можно опре­делить с помощью линии равновесия и рабочей линии (рис. 28).




Рис. 28. Определение направления массопередачи по у –х диаграмме: а - рабочая линия ниже линии равновесия: б - рабочая линия выше линии равновесия


Пусть массопередача происходит между фазами Фх и Фу, рабочие концентрации которых равны х и у соответственно. Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия (рис. 28, а) то для любой точки, например точки А рабочей линии, у<у* и х>х*, где у* и х* — равновесные концентрации. Следовательно, распределяемое вещество (компонент) будет переходить в этом случае из фазы Фх в фазу Фу. Перенос в таком направлении происходит, например, в процессе ректификации, где более летучий компонент переходит из жидкой фазы х) в паровую у).

Если же рабочая линия расположена выше линии равновесия (рис. 28, б), то для произвольно выбранной на рабочей линии точки А концентрация у>у*, х<х*. При этом распределяемый компонент будет переходить из фазы Фу в фазу Фх. Примером такого перехода является процесс абсорбции.

Таким образом, направление процесса масссопередачи может быть определено по взаимному расположению равновесной и рабочей линии на фазовой диаграмме «у – х».


1   2   3   4   5   6   7



Похожие:

Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для самостоятельной работы Ставрополь 2010 ббк 63. 3 (2) Я73 удк 99 (С) р -82
Учебное пособие предназначено для студентов медицинских и фармацевтических вузов
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов экономических специальностей г. Симферополь, 2005 удк 331. 45 Ббк 65. 247 А 44
Акуличев Ю. Ф., Глухенко Н. В. Основы охраны труда: учебное пособие для студентов экономической специальности. // Под общей редакцией...
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconУчебное пособие для студентов-психологов Калуга, 2004 удк 159 577. 4 Ббк 88
Охватывает экосистемы, различные по величине и сложности, от биосферы в целом (экосистема биосферы) и кончая конкретной экосистемой,...
Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35 iconЛекция для студентов лечебного факультета Обсуждено на умк кафедры бжимк 2013 г
Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для студентов / Под ред чл корр. Рамн, проф. И. М. Чижа. – М: Первый мгму им. И....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы