Лекция 24 Основы массопередачи Литература- Г

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Модуль № 4

Теплообменные процессы

Лекция № 24

Основы массопередачи

Литература:

1.  Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко  «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.
2.  Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.

План лекции:

1.  Общие сведения.
   1.  Кинетика массопередачи.
      1.  Материальный баланс массообменных процессов.
      2.  Основные законы массопередачи и массоотдачи.

Контрольные вопросы:

1.  Какие процессы называют массообменными?
   1.  В каких процессах пищевых производств происходит массопередача?
      1.  Как выглядит общее уравнение кинетики массопередачи?
         1.  Что показывает коэффициент массопередачи?
         2.  Какие случаи масообмена (по виду сред участвующих в процессе) Вам известны?
         3.  Что характеризует коэффициент диффузии?
         4.  В чем отличие между коэффициентом массопередачи и массоотдачи?

ВОПРОС 1. Общие сведения

Массообменными называются такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной молекулярной диффузией. К ним относятся абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, адсорбция, кристаллизация и др. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называются массообменными.

Массопередача происходит в процессах абсорбции, перегонки и ректификации, экстракции и выщелачивания, сушки, адсорбции, кристаллизации и др.

При абсорбции наблюдается селективное поглощение газов или паров жидкими поглотителями — абсорбентами, т. е. вещество переходит из газовой или паровой фазы в жидкую.

При перегонке и ректификации жидкая смесь разделяется на составляющие компоненты. Вещество переходит из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

При экстракции происходит извлечение одного или нескольких веществ из растворов или твердых веществ при помощи растворителей. При этом в системе жидкость—жидкость вещество переходит из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Процесс извлечения веществ из твердого тела при помощи растворителя называется выщелачиванием. При этом вещество переходит из твердой фазы в жидкую.

При адсорбции происходит избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым поглотителем — адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечь тот или иной компонент. Вещества переходят из газовой или жидкой фазы в твердую.

Сушка — это удаление влаги из твердых или жидких влажных материалов путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристаллов. При этом происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую в результате возникновения и роста кристаллов в растворе.

ВОПРОС 2. Кинетика массопередачи

Массопередача — процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

В массообмене участвуют как минимум 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.

Обозначим первую фазу G, вторую — L, а распределяемое вещество — М. Все массообменные процессы обратимы, поэтому распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L и наоборот в зависимости от концентрации вещества в фазах.

Пусть распределяемое вещество находится первоначально только в фазе G и имеет концентрацию Y. В фазе L в начальный момент распределяемое вещество отсутствует, т. е. концентрация его в этой фазе Х= 0.

Если распределяющие фазы привести в соприкосновение друг с другом, начинается переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L и с появлением вещества М в фазе L начинается обратный переход его из фазы L в фазу G. До некоторого момента времени число частиц распределяемого вещества М, переходящих в единицу времени из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих из фазы L в фазу G. Однако конечным результатом является переход вещества М из фазы G в фазу L. По истечении определенного времени скорости прямого и обратного перехода вещества М в фазах G и L становятся одинаковыми. Такое состояние системы называется равновесным. При равновесии устанавливается строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в фазах. Такие концентрации называют равновесными.

     (1)

Эти зависимости определяются экспериментально и называются равновесными зависимостями.

Равновесные зависимости изображаются графически кривой или в частном случае прямой линией. На рис. 1 показана зависимость равновесной концентрации ур компонента в газовой фазе G от его концентрации хр в жидкой фазе L при постоянных давлении и температуре.

Соотношение концентраций компонента в фазах в условиях

равновесия  называется коэффициентом распределения.

Коэффициент распределения геометрически выражается тангенсом угла наклона линии равновесия. В случае кривой линии равновесия коэффициент распределения является переменной величиной.

Конкретный вид законов равновесия применительно к различным процессам массопередачи будет рассмотрен в соответствующих главах.

Равновесные зависимости позволяют определить не только направление процесса, но и скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую.

Разность между фактической и равновесной концентрациями, характеризующая степень недостижения равновесия, является движущей силой массообменных процессов.

Основные уравнения массопередачи могут быть получены из общего уравнения кинетики. Согласно этому уравнению скорость массообменных процессов прямо пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна диффузионному (массообменному) сопротивлению.

Рис.1. Диаграмма равновесия при р = const и t = const

Обозначив величину, обратную диффузионному сопротивлению, К= 1/R (где R — диффузионное, или массообменное, сопротивление), запишем

      (2)

Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной.

Движущая сила массообменных процессов определяется степенью отклонения от равновесия – разностью между рабочей и равновесной или равновесной и рабочей концентрацией.

Нетрудно видеть, что dM/Fdτ является скоростью массопередачи, отнесенной к единице контакта фаз. Если dM отнесено к единице времени, то

        (3)

При к = const для всей поверхности массообмена

   (4)

Уравнения (3) и (4) называются основными уравнениями массопередачи. Согласно этим уравнениям количество вещества, перенесенного из ядра одной фазы в ядро другой фазы, пропорционально разности его концентраций в ядрах фаз, площади поверхности фазового контакта и продолжительности процесса.

Коэффициент массопередачи показывает, какое количество вещества переходит из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности фазового контакта при движущей силе, равной единице.

Коэффициенты массопередачи в зависимости от единиц, в которых выражены движущая сила и количество распределяемого вещества, могут выражаться в м/с, кг/(ед. дв. силы • м2 • с), кмоль/(ед. дв. силы • м2 • с).

ВОПРОС 3. Материальный баланс массообменных процессов

Рассмотрим схему элементарного массообменного аппарата, в котором происходит массообмен между двумя движущимися прямотоком фазами. Массовые скорости фаз относительно поверхности их раздела, выраженные в килограммах инертного вещества в час, обозначим G и L, а концентрации распределяемого вещества (в килограммах на килограмм инертного вещества) — соответственно у и х (рис. 2).

Рис. 2. К составлению материального баланса и выводу уравнения рабочей линии процесса:

а—схема потоков в аппарате; б— изображение рабочей линии в координатах у—х

Предположим, что у > ур, тогда распределяемое вещество будет переходить из фазы G в фазу L, а концентрация в фазе G будет

Для бесконечно малой площади поверхности аппарата dF

     (5)

Интегрируя это уравнение в пределах изменения концентраций распределяемого вещества в аппарате, получим

     (6)

откуда определим массовые расходы

Интегрируя уравнение (5) в пределах от начальных до текущих концентраций, получим  откуда определим связь между текущими концентрациями

      (7)

Аналогично для противоточного движения фаз

   (8)

или

Из уравнений (7) и (8) легко видеть, что связь между текущими концентрациями распределяемого вещества подчиняется линейным уравнениям. Уравнение прямой, выражающее зависимость между фактическими (рабочими) концентрациями, называется рабочей линией процесса.

ВОПРОС 4. Основные законы массопередачи и массоотдачи

В процессах массопередачи следует различать несколько случаев массообмена: между потоком газа или пара и потоком жидкости; между потоками жидкости; между потоками жидкости и твердой фазой; между потоками газа или пара и твердой фазой.

Основные законы массопередачи — закон молекулярной диффузии (первый закон Фика), закон массоотдачи (закон Ньютона — Щукарева) и закон массопроводности.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика), основанный на том, что диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, приводящего к переносу молекул распределяемого вещества из зоны высоких концентраций в зону низких концентраций, гласит: количество вещества, перенесенного путем диффузии, пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и продолжительности процесса:

     (9)

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность 1 м2 в течение 1 ч при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак «минус» в правой части уравнения (9) показывает, что при молекулярной диффузии концентрация убывает.

определится из уравнения (9):

Значения коэффициента диффузии обычно берут из справочников или находят по следующим формулам: для газов

     (10)

для жидкостей

      (11)

Коэффициенты диффузии зависят от агрегатного состояния систем. Для газов коэффициенты диффузии составляют (0,1...1,0)10-4 м2/с Они примерно на четыре порядка выше, чем для жидкостей. С увеличением температуры коэффициенты диффузии возрастают, а с повышением давления уменьшаются.

Коэффициенты диффузии в газах почти не зависят от концентрации, в то время как коэффициенты диффузии в жидкостях изменяются с изменением концентрации диффундирующего вещества.

Основной закон массоотдачи является аналогом закона Ньютона и формулируется так: количество вещества, перенесенного потоком от поверхности раздела фаз (контакта фаз) в воспринимающую фазу или в обратном направлении, прямо пропорционально разности концентраций у поверхности контакта фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности контакта фаз и продолжительности процесса.

Согласно теории диффузионного пограничного слоя распределяемое вещество переносится из ядра потока жидкости к поверхности раздела фаз непосредственно конвективными потоками жидкости и молекулярной диффузией. В рассматриваемой системе (рис.3) различают ядро потока и пограничный диффузионный слой. В ядре перенос вещества осуществляется преимущественно потоками жидкости или газа. В условиях турбулентного течения потоков концентрация распределяемого вещества в данном сечении в условиях стационарного режима сохраняется постоянной. По мере приближения к пограничному диффузионному слою турбулентный перенос уменьшается и начинает увеличиваться перенос за счет молекулярной диффузии. При этом возникает градиент концентрации распределяемого вещества, растущий по мере приближения к границе. Таким образом, область пограничного диффузионного слоя —это область появления и роста градиента концентрации, область увеличения влияния скорости молекулярной диффузии на общую скорость массопередачи.

Примем, что распределяемое вещество М переходит из фазы G, в которой его концентрация выше равновесной, в фазу L.

Рис. 3. К выводу уравнения массоотдачи

Если концентрации вещества в ядрах фаз принять равными уf и хf, а концентрации на поверхности раздела фаз — соответственно уг и хг, то процесс массоотдачи вещества из ядра фазы G к поверхности раздела фаз и от поверхности раздела фаз в ядро фазы L можно записать так:

      (12)

Размерность коэффициента массоотдачи

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества передается от поверхности контакта фаз площадью 1 м2 в ядро воспринимающей фазы или в обратном направлении в течение единицы времени при разности движущих сил, равной единице.

По физическому смыслу коэффициенты массоотдачи отличаются от коэффициентов массопередачи, но выражаются в одинаковых единицах.

Для установившегося процесса dM выражает количество вещества, перенесенного от поверхности контакта фаз в ядро или из ядра потока к ее поверхности в единицу времени.

Для этого случая уравнение (12) перепишется так:

Если β = const для всей поверхности контакта фаз,

      (13)

β = Nuд D/l                  (14)

PAGE  9

1. Софи Кинселла Брачная ночь
2. Статья 927. Добровольное и обязательное страхование 1
3. Рациональные уравнения и неравенства
4. Мособлгосэкспертиза
5. 33 ~ 02722 075 ББК Ч 489
6. реферат дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата сільськогосподарських наук
7. Персоносфера русской культуры
8. Речевое взаимодействие.html
9. на тему Античные баллады Выполнила- Студентка 1 курса специальности Реклама
10.  Основные категории буддийской философии
11. Основные положения международного публичного права
12. то красным запачкан
13. вещественную основу производства
14. Строительная климатология и геофизика; 368; d0 ~ величина в метрах СНиП 2
15. Экономика Вьетнама
16. Реферат на тему Історія світової культури та сучасність Одне з дивовижних відкриттів сучасної наук
17. ТЕМА 24 ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ ТРУДА Лекция 7
18. Абсолютная монархия во Франции
19. Нарисуй мне овечку
20. глобализация конкуренции поляризация спроса размывание отраслевых границ технизация дерегулирование ры

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе