Классификация массообменных процессов основные понятия кратко

Обновлено: 05.07.2024

Массообмен - явление переноса веществ в пределах одной или нескольких фаз, лежащее в основе процессов разделения разнообразных смесей. К массообменным процессам относится:

Извлечение (экстрагирование) как процесс представляет переход экстрактивных веществ из сырья в жидкость. Продукт, содержащий извлеченные вещества, называется вытяжкой.

Сушка - удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Ректификация и перегонка - разделение жидкой смеси на компоненты путем противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Этот процесс включает переходы вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Адсорбция - избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя (адсорбента), способного поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фаз в пористый твердый материал. Разновидностью адсорбции является ионный обмен.

Абсорбция - избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.

Кристаллизация – процессы выделения вещества из жидкой фазы в виде твердой фазы – кристаллов.

Растворение – процесс перехода молекул вещества из одной фазы в другую (раствор, растворенное состояние). Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии при растворении твёрдых веществ и её уменьшением при растворении газов.

Как видно, в процессе массообмена чаще участвуют три вещества:

1) распределяющее вещество, составляющее первую фазу;

2) распределяющее вещество, составляющее вторую фазу;

3) распределяемое вещество, переходящее из одной фазы в другую.

При отклонении от состояния равновесия происходит переход вещества из фазы, в которой его содержание выше равновесного, в фазу, где содержание этого вещества ниже равновесного.

Массообменные процессы обратимы, т.е. распределяемое вещество может переходить из одной фазы в другую в зависимости от концентрации этого вещества в обеих фазах и условий равновесия.

Скорость перехода вещества пропорциональна степени отклонения от равновесия, которую можно выразить как разность концентраций - рабочей концентрации вещества в одной из фаз и равновесной концентрации в ней данного вещества. Эта разность концентраций является движущей силой процесса массопередачи. Кроме того, скорость перехода вещества прямо пропорциональна поверхности соприкосновения фаз.

Скорость перехода вещества (или количество перехода вещества в единицу времени) прямо пропорциональна движущей силе процесса.

где: К - коэффициент массоотдачи;

F — поверхность соприкосновения фаз;

М - масса вещества, переходящее из одной фазы в другую;

ΔС — движущая сила массообмена;

Движущая сила процесса может быть выражена не только через разность концентраций; рабочей и равновесной, но и как разность парциальных давлений, разность температур, разность активностей и т.д.

Основу производства экстракционных препаратов составляют процессы экстракции. В фармации они широко используются при получении препаратов из лекарственного растительного сырья (настойки, экстракты жидкие, густые и сухие, экстракты-концентраты, максимально очищенные (новогаленовые) препараты, извлечения из свежих растений и др.) и из сырья животного происхождения (препараты гормонов, ферментов и препараты неспецифического действия - пантокрин, витогепат и др.).

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называют массообменными, а аппараты для проведения этих процессов – массообменными аппаратами.

Классификация массообменных процессов

В пищевой технологии применяют в основном следующие процессы массопередачи: между газовой (паровой) и жидкой, газовой и твердой, а также между двумя жидкими фазами.

Ректификация – разделение жидкой смеси, состоящей из компонентов различной летучести, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Ректификация применяется при получении этилового спирта и разделении эфирных масел. При перегонке и ректификации одни вещества переходят из жидкости в пар, другие – из пара в жидкость.

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями – абсорбентами.

Процесс применяется при производстве газированных вод, пива и некоторых сортов вина, сульфитации виноградного сусла и сока с целью предотвращения забраживания, при сатурации свекловичного сока с образованием нерастворимого углекислого кальция.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ поверхностью твердого поглотителя – адсорбента.

Процесс применяется для осветления вина, очистки водноспиртовых растворов от красящих веществ и других примесей, для обесцвечивания соков и сиропов в сахарном производстве.

Обратный процесс – десорбция – проводится после адсорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Сушка – удаление влаги из влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс применяется во всех отраслях пищевой промышленности, где влажные природные вещества до их переработки должны быть обезвожены или должен быть обезвожен готовый продукт. При проведении процесса сушки влага переходит в пар или газ.

Кристаллизация – процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.

Процесс применяется при производстве сахара и кристаллической глюкозы, лимонной кислоты, глюканата натрия. В процессе кристаллизации наблюдается перемещение вещества к поверхности кристалла и его переход из жидкого состояния в кристаллическое. Обратный процесс – переход твердой кристаллической фазы в раствор называется растворением.

Основные понятия

Переход вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую через их границу в направлении достижения равновесия называют массообменном, или массопередачей.

Переход вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной фазы, называется массоотдачей.

В массообмене участвуют в большинстве случаев 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.

Назовем первую фазу G (газовая фаза), вторую L(жидкая фаза), а распределяемое вещество М. Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в L и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах.

Допустим, что распределяемое вещество находится вначале только в фазе G и имеет концентрацию . В фазе L в начальный момент распределяемого вещества нет и, следовательно, концентрация его в этой фазе = 0.

Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, начнется переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и в последней обнаружится определенная концентрация распределяемого вещества > 0. С момента появления вещества М в фазе L начинается и обратный переход его в фазу G, но до некоторого момента число частиц М, переходящих в единицу времени через единицу поверхности соприкосновения из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих из фазы L в G; конечным итогом процесса является переход М из фазы G в фазу L.

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 в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которые при равновесии системы называются равновесными. Равновесные концентрации очень важны для определения скорости течения процесса.

Процессами массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую.

1. Абсорбция -избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.
Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного газа из жидкости, называют десорбцией.
2. Перегонка и ректификация-разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей.
3. Экстракция (жидкостная) -извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.

7. Растворение и экстрагирование из твердых тел—это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.
8. Кристаллизация—выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.
9. Мембранные процессы -избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки - мембраны. Эти процессы представляют собой переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

· Абсорбция – избирательное поглощение газа жидким поглотителем (абсорбентом). Переход вещества из газа в жидкость ч/з границу раздела фаз.

· Адсорбция– избирательное поглощение газа твердым поглотителем (адсорбентом). Переход вещества из газа в твердое состояние.

· Ректификация– разделение смеси жидких веществ на составляющие вещества с разной температурой кипения путем противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости.

· Сушка– удаление влаги путем испарения из тв. влаж. в-в. Переход вещества из тв. в газ. Обратный процесс – увлажнение.

· Кристаллизация– выделение веществ в тв. виде из растворов и расплавов. Переход в-ваиз жид. в тв. Обратный процесс – растворение.

· Экстракция– избирательное поглощение растворенных в одной жидкости в-в др. жидкостью.

Все процессы происходят под действием движущей силы – из-за разницы концентраций и представляет переход в-ва из одной фазы в др.

Различают массоотдачу и массопередачу:

· Массоотдача –перенос в-ва в пределах одной фазы к границе раздела фаз или наоборот.

· Массопередача – суммарный процесс перехода в-ва из одной фазы в др. ч/з границу раздела фаз.

Движущая сила - Δу=у-у * - для газов у – рабочая концентрация, у * - равновесная концентрация

Δх=х-х * - для жидкостей.

Изучение равновесия необходимо для того , чтобы определить направление протекания процесса и определить движущую силу.

Виды диффузионного переноса массы:

1. молекулярная диффузия

2. конвективная диффузия

1. Молекулярная диффузия:

Это перенос массы отдельными молекулами в неподвижных слоях за счет разницы концентраций.

Основным законом явл. з-н Фика: dМ=-Δժс/ժn*dF,

Где dM- расход перенесенной массы,

Δժс/ժn- градиент изменения концентраций.‘- ' т.к. концентрация уменьшается.

D- коэффициент молекулярной диффузии – физическая константа, зависит от св-в газа и жид, Т и Р. (с)=кг/м 3 , то (D)= м 2 /с.

2.Конвективная диффузия:

Перенос массы под действием разности концентраций в потоках газа или жид.Граница раздела фаз не является сопротивлением. На границе раздела фаз существует равновесие.

У * =f(х * ) Основным законом конвективной диффузии явл. з-н Щукарева: dM=β_у(y-y_гр)dFdM=β_х(х_гр-х)dF

Закон Щукаревахар-т массотдачу, перенос массы от ядра потока к границе раздела фаз или наоборот.

β_у -коэффициент массоотдачидля жид. фазы

β_х- для газовой фазы.

Если (с)= кг/м 3 , то (β)=м/с

Β-не физическая, а кинетическая константа, которая зависит от режима движения потоков, определяется с использованием критериального уравнения по теории подобия.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Δу_м=у_к-у * _к , если Δу_б/Δу_м используют модифицированное уравнение массопередачи, которое позволяет найти или рабочий объем аппарата, или его рабочую высоту, или число ступеней фазового контакта.

1. Определение рабочего объема аппарата, (м 3 ):

а-удельная поверхность фазового контакта, (м 2 / м 3 )

F=V*a (m 2 ) – поверхность фазового контакта.

Ку*а=Ку_v - объемный коэффициент массопередачи.

2. Нахождение рабочей высоты Н, (м):

S(м 2 ) – площадь поперечного сечения аппарата.

А(м 2 / м 3 ) – удельная поверхность фазового контакта.

F=G/Ку*ƒ Ун (dy/(y-y * )) – модифицированное уравнение.

N_оу- число единиц переноса.

Весь метод называется расчет по числам переноса.

Физический смысл:

h_оу- является аналогом коэффициента массопередачи и характеризует интенсивность массопереноса.

N_оу- является аналогом средней движущей силы. Чем больше средняя движущая сила, тем меньше N_оу.

Расчет числа ступеней фазового контакта.

Необходимо найти число тарелок в аппарате.

п_д- действительное число тарелок.

А) 1-ый метод – Расчет по теоретическим тарелкам:

Между рабочей и равновесной линией вписывают ступеньки.

П_о- КПД тарелки, зависит от конструкции, находится в пределах (0,5-0,8).

Метод простой, но не очень точный, т.к. КПД на тарелках не достигается.

Б)2-ой метод –по кинетической кривой.

Между равновесной и рабочей линией строится кинетическая кривая, которая характеризует степень достижения равновесия на тарелке.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.006)

Читайте также: