Необходимыми условиями допуска к ПЭ-4 являются:
– выполнение плана практических занятий;
– выполнение и защита лабораторных работ;
– выполнение и защита индивидуального расчетного задания.
5.12 Задачи для «знатоков»
1. В адиабатический абсорбер поступают газ и жидкость при одинаковой температуре. Теплотой растворения газа пренебрегаем, химическое взаимодействие в потоках не происходит. Будут ли отличаться конечные температуры газа и жидкости друг от друга?
2. Чему равна растворимость газа в жидкости при температуре кипения жидкости под атмосферным давлением, если система подчиняется закону Генри?
3. Вывести формулу для определения высоты единицы переноса в насадочном абсорбере для жидкой фазы hх из критериального уравнения:
Nuж = 0,0021×Reж0,75×Prж0,5.
4. Как влияет продольное и поперечное перемешивание на основные характеристики массообменных процессов? Объясните.
5. Аммиак поглощается водой из воздуха с начальным содержанием 5 % объемных, конечное содержание аммиака в воздухе 0,27 % объемных. Количество поступающего воздуха 10000 м3/ч при н.у. Общее давление газа Р=760 мм рт. ст. Содержание аммиака в поступающей на абсорбцию воде 0,3 % весовых, удельный расход поглотителя L = 1,20 кг/кг. Определить количество поглощенного аммиака, конечную концентрацию его в воде и построить рабочую линию процесса.
5.13 Основные термины и понятия
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.
Аддитивность фазовых сопротивлений:
R = 1/Ку = (1/bу ) + (m/bх ),
где Ку – коэффициент массопередачи по газовой фазе;
bу, bх – коэффициенты массоотдачи;
m – константа фазового равновесия.
Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.
Высота единицы переноса (ВЕП) – величина, которая по смыслу выражает высоту массообменного аппарата, эквивалентную одной единице переноса.
Движущая сила процессов массопереноса – в обшем случае разность химических потенциалов распределяемого компонента в фазах. В частных случаях – разность между рабочими и равновесными концентрациями: Dу = у – у* или Dх = х* – х.
Десорбция – процесс, обратный абсорбции или адсорбции, то есть выделение растворенного газа из жидкости или выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя.
Диффузионное сопротивление – величина, обратная коэффициенту массопередачи: R = 1/ Кх,у.
Диффузионный пограничный слой – область потока у границы раздела фаз, где молекулярный перенос вещества становится преобладающим; толщина dд меньше толщины вязкого пограничного слоя dг , причем
dд = dг (D/n)1/ m ,
где m – показатель степени, отражающий закон затухания турбулен-тного переноса вблизи границы раздела фаз (m = 3: жидкость–твердое тело; m = 2: газ–жидкость, жидкость–жидкость);
D – коэффициент молекулярной диффузии.
Для газов: dГ≈dT ≈ dD; для жидкостей dD<<dT<<dГ.
Диффузия – движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения.
Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.
Кинетическая кривая – основа графического метода определения числа реальных ступеней, геометрическое место точек рабочих концентраций в фазах на выходе с тарелки (со ступени).
Концентрация вещества – отношение количества какого-либо компонента смеси (молярная концентрация, моль/м3) или его массы (массовая концентрация, кг/м3) к объему смеси. На практике часто используют безразмерную величину – массовую, молярную или объемную долю, равную отношению массы, количества или объема какого-либо компонента смеси соответственно к массе, количеству или объему смеси.
Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества переходит от единицы поверхности раздела фаз в ядро потока или наоборот, в единицу времени при движущей силе, равной единице.
Коэффициент массопередачи показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице; характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.
Коэффициент молекулярной диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице.
Коэффициент полезного действия колонны h равен отношению числа теоретических ступеней к числу необходимых рабочих (действительных) ступеней nд (h зависит от скоростей фаз, физических свойств, структуры потоков и других факторов): h = nт / nд.
Коэффициент распределения (константа фазового равновесия) – отношение концентраций распределяемого компонента в фазах при равновесии: m = y*/x. Для идеальных и разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и m является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.
КПД Мерфри (эффективность ступени или тарелки) – отношение изменения концентрации данной фазы на ступени к движущей силе на входе той же фазы в ступень и обозначают Еу и Ех. Для n-й ступени для фазы Фу для случая перехода вещества из Фх в Фу:
для фазы Фу: Еу = (уn– уn-1)/(y*(xn) – уn-1),
для фазы Фх: Ех = (хn+1 – хn)/( хn+1 – х* (уn).
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.
Критерий Шервуда (диффузионный критерий Нуссельта) – безразмерный комплекс, который характеризует отношение скорости переноса вещества (конвективного и молекулярного – b) к молекулярному переносу (D). (Sh является аналогом теплового критерия
Нуссельта, а также является определяемым критерием, поскольку в него входит величина b): Sh = bl/D, где l – определяющий геометрический размер.
Лимитирующая стадия при массопередаче – стадия, которая определяет общую скорость процесса. Если коэффициент bх велик, то 1/bу >> m/bх и Ky» bу, то есть лимитирующей стадией процесса является диффузионное сопротивление в фазе Фу. Если велики значения bу и m, то 1/bх>>1/(mbу) и Kх» bх , то есть лимитирующей стадией в данном случае является диффузионное сопротивление в фазе Фх.
Массоотдача – перенос вещества внутри фазы: из фазы к границе раздела фаз или, наоборот, – от границы раздела в фазу (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы – теплоотдачей).
Массопередача – процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов).
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. Применяется для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.
Минимальный расход поглотителя рассчитывается из уравнения: G ( yн – ук ) = Lmin( хк – хн).
Модели массопереноса:
- Пленочная модель Льюиса и Уитмена: на поверхности контакта фаз образуются неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос вещества осуществляется только молекулярной диффузией. Эти пленки отделяют поверхность контакта фаз от ядра потока, в котором концентрация практически постоянна; все изменения концентрации вещества происходят в пленке.
М = (D/dпл)F(со – сгр),
где dпл – толщина пленки;
со и сгр – средняя концентрация в ядре фазы и концентрация на границе раздела фаз соответственно.
- Модель пограничного диффузионного слоя можно считать дальнейшим развитием пленочной модели, в которой отражено влияние гидродинамических условий на процесс массопереноса. По этой модели концентрация вещества, постоянная в ядре потока, в турбулентном подслое толщиной dт постепенно снижается при приближении к пограничному слою, в котором соизмеримы молекулярные и турбулентные силы вязкости, т.е. n » nт. С уменьшением масштаба пульсаций в вязком подслое толщиной dг концентрация снижается существенно быстрее. В глубине вязкого подслоя, внутри тонкого диффузионного подслоя толщиной dд молекулярный перенос становится основным, при этом n>>nт.