АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

V Основы массопередачи

Читайте также:
  1. II. Организационные основы деятельности участкового уполномоченного полиции
  2. VI. ОСНОВЫ ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА
  3. Акмеологические основы самосовершенствования личности.
  4. Биохимические основы лечения гиперхолестеролемии и атеросклероза
  5. Введение в бизнес. Основы рыночной экономики bibliotekar.ru/biznes-35/37.htm
  6. Введение. СОВРЕМЕННЫЕ ИДЕИ РАВЕНСТВА И ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСТОРИИ
  7. Введение. Современные идеи равенства и психологические основы истории
  8. Внешнеэкономическая деятельность и ее экономические основы
  9. Внимание и его физиологические основы
  10. Вопрос 35. Гигиенические основы проектирования и устройства предприятий общественного питания.
  11. Вопрос Основы бюджетного устройства и принципы построения бюджетной системы РФ

 

5.1. Общие сведения

 

5.1.1. Промышленные процессы массопередачи

Процессы, сущность которых состоит в переходе вещества из одной фазы в другую, называются массообменном (диффузионными). В промышленности широкое распространение получили следующие процессы массопередачи.

Абсорбция – избирательное поглощения газов (паров) из газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом)

Ректификация – частное или полное разделение гомогенных жидких смесей на компоненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкости и пара.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя.

Сушка – удаление влаги из твердых материалов ее испарителем.

Экстракция (в системе жидкость – жидкость) – извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью (растворителем или экстрактом), практически не смешивающейся с первой.

Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из перенасыщенных растворов или расплавов.

Растворение – переход твердой фазы в жидкую (растворитель).

Массопередачей называется перенос вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

 

5.1.2 Способы выражения состава фаз

Для двухкомпонентных систем способы выражения состава фаз представлены в табл. 5-1

 

Таблица 5-1

Способы выпаривания состава фаз двухкомпонентных систем.

Состав Обозначение содержания компонента А
В жидкой фазе В газовой (паровой) фазе
Молярная доля, кмольА/кмоль(А+В) х у
Массовая доля кгА/кг(А+В)
Относительная мольная доля, кмольА/кмольВ Х У
Относительная массовая доля, кгА/кгВ
Молярная концентрация, кмольА/м3(А+В)
Массовая концентрация, кгА/м3(А+В)

 

Содержание компонента в газовой фазе может быть также выражено его парциальным давлением. По закону Дальтона мольная

5.2 Статика массообменных процессов

5.2.1 Равновесие между фазами

Равновесие – термодинамическое состояния системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны, или такое термодинамическое состояние системы, которое при постоянных температуре и давления не изменяется во времени.



В общем виде связи между составом фаз при равновесии может быть выраженное зависимостью

(5-2)

где Y* - равновесное содержание целевого компонента в газовой (паровой) фазе; Х – содержание условного компонента в жидкой фазе.

Графическое изображение этой зависимости называется линией равновесия.

Отношение составов фаз при равновесии называется коэффициентом распределения:

(5-3)

Коэффициент распределения – это тангенс угла наклона линии равновесия. Для криволинейной зависимости m является тангенсом угла наклона касательной к данной точке равновесной кривой.

 

5.2.2 Материальный баланс массообменных процессов. Рабочая линия.

Рассмотрим схему массообменного противоточного аппарата, работающего в режиме полного (идеального) вытеснения при противоточном движении фаз (рис. 5-1)

 

Рис.5-1.К выводу уравнения материального баланса

 

G – газовая фаза; L – жидкая фаза. Пусть в процессе массопередачи целевой компонент переходит из G в L, причем фазы инертны друг к другу и к целевому компоненту, т.е. в процессе массообмена G=const и L=const

Уравнение материального баланса по целевому компоненту имеет вид:

(5-4)

или

G( + )=L( - ) (5-5)

Для произвольного сечения аппарата, в котором текущие составы целевого компонента равны у и х, уравнение материального баланса для части аппарата будет равно:

(5-6)

Решив уравнение (5-6) относительно у, получим зависимость, выражающую свзяь между рабочими составами распределяемого компонента в фазах, т.е. уравнение линии рабочих концентраций (рабочая линия):

(5-7)

Это уравнение прямой с тангенсом угла наклона L/G. Рабочая линия для всего аппарата ограничена точками с координатами хН, уК и уН, хК, т.е.

(5-8)

 

5.3 Кинетика массообменных процессов.

5.3.1 Направление массопередачи и движущая сила массообменных процессов.

 

Рис.5-2.Определение направления массопередачи по у-х-диаграмме:

а – рабочая линия расположена выше линии равновесия; б – рабочая линия расположена ниже линии равновесия

 

Массообмен возможен только при наличии неравновесных фаз, целевой компонент переходит всегда из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, содержание которой ниже равновесного, и чем больше отклонение от состояния равновесия, тем интенсивнее идет процесс массопередачи.

Движущая сила любого массообменного процесса определяется степенью отклонения от равновесного состояния и выражается как разность содержаний целевого компонента Δу или Δх. Направление переноса распределяемого вещества, т.е. направление массопередачи, удобно определять на диаграмме У-Х по расположению равновесной и рабочей линий.

Рабочая линия расположенная выше линии равновесия, тогда для любой точки (например, точка А) рабочий линии у > y* и x < x*, где у* и х* - равновесные составы фаз. В этом случае целевой компонент будет переходить из базовой фазы в жидкую, а движущая сила процесса будет равна Δу=у- y* и Δх=х- x*. Пример – процесс ректификации.

 

5.3.2 Скорость массопередачи

Перенос вещества внутри фазы может происходить путем молекулярной диффузии (обусловленной беспорядочным движением молекул), если среда неподвижна, либо путем конвекции и молекулярной диффузии одновременно, если перенос осуществляется в движущейся среде.

 

А. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому масса вещества М продиффундировавшего за время τ через поверхность F (нормальную к направлению диффузии), пропорциональна изменению концентрации «С» этого вещества по толщине слоя «δ»:

(5-9)

Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика называется коэффициентом молекулярной диффузии. Молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента. Единица измерения коэффициента диффузии:

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при изменении концентрации, равном единице, через единицу толщины слоя. Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Значения D являются функцией свойств распределяемого вещества и свойств среды, через которую оно диффундирует, а так же температуры и давления.

Молекулярная диффузия является медленным процессом, особенно в жидкости, т.е. переносом массы в движущейся среде, в частности, турбулентной диффузией.

 

Б. Конвективная диффузия – это диффузия в движущейся среде, где масса целевого компонента переходит из одной фазы в другую не только за счет молекулярного движения, но и в результате движения более крупных частиц одной фазы относительно другой. Перенос вещества при конвективной диффузии осуществляется со скоростью во много раз большей, чем скорости переноса при молекулярной диффузии.

Конвективная диффузия определяет любой вид массового движения – массоотдачу. При конвективной диффузии происходит перенос вещества не только в направлении потока, но и в его поперечном сечении.

 


Рис.5-3.Структура потока и профиль концентрации:

00 - граница раздела фаз; 1 – диффузионный подслой; 2 – вязкий подслой;

3 – турбулентный пограничный слой; 4 – ядро потока

Рис.5-4.Схема процесса массопередачи

 

Перенос вещества из фазы G в фазу L за счет массоотдачи в каждой из фаз можно выразить с помощью представления о пограничном слое (рис. 5-3).

В каждой фазе выделяется ядро потока (основная масса потока) и пограничный слой 4 поверхности раздела фаз. В ядре потока происходит интенсивное перемешивание (за счет конвективной диффузии) и концентрация «C» целевого компонента близка к постоянной. Разное изменение концентрации происходит в пределах пограничного слоя (за счет конвективной и молекулярной диффузии).

В соответствии с теорией диффузного пограничного слоя, на рис. 5-3 показано, как переносится целевой компонент (распределяемое вещество) в потоке. По пере приближения к пограничному диффузионному слою затухает турбулентный перенос и начинает преобладать молекулярная диффузия. Фаза, воспринимающая целевой компонент, считается (в данном случае) твердой или близкой к ней, т.е. способной гасить турбулентные пульсации потока.

Закон конвективной диффузии позволяет определить количество вещества, переносимого из одной фазы к границе другой, как

(5-10)

здесь β – коэффициент массопередачи; ΔС – движущая сила (разность концентраций С-Сгр); F - поверхность контакта фаз; τ – время.

Коэффициент молекулярной диффузии является переменной величиной D=f(T,P). Численные значения D можно рассчитать по эмпирическим формулам, например, для газа А в газе В (или газа В в газе А):

(5-11)

где Dг - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; Т – температура, К; Р – абсолютное давление, кгс/см2 или МПа; МА и МВ – мольные массы газов А и В; vA и vB – мольные объемы газов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа [7].

Для жидкости при 20°С:

(5-12)

здесь Dж - коэффициент диффузии, м2/с; μ – динамический коэффициент вязкости жидкости, МПа*с; vA и vB – мольные объемы растворенного вещества и растворителя; МА и МВ – мольные массы растворенного вещества и растворителя; А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя [7].

Коэффициент диффузии газа и жидкости Dt ( при температуре t) связан с коэффициентом диффузии D20 (при температуре 20°С) приближенной зависимостью:

 

(5-13)

где - температурный коэффициент; μ – динамическая вязкость при 20°С, МПа*с; ρ – плотность жидкости при 20°С, кг/м3.

Концентрационная диффузия – протекает под воздействием разности концентраций.

Термодиффузия – перенос вещества под воздействием перепада температур (при протекании нагретой смеси газов и холодной стенки более легкие молекулы перемещаются к стенке, а тяжелые – в направлении источника теплоты).

 

5.4 Моделирование массообменных процессов

5.4.1 Управление массоотдачи и массопередачи.

Рассмотрим процесс перехода целевого компонента из газовой фазы G в жидкую фазу L (рис. 5-4, на котором изображен элементарный участок поверхности раздела фаз). Можно представить себе три последовательные стадии процесса: диффузия переходящего вещества в поток фазы G к поверхности раздела фаз; проникновение через эту поверхность и дальнейшая диффузия в поток фазы L. Точное математическое описание этого сложного процесса встречает пока затруднение, поэтому предложены его приближенные описания на основе упрощенных моделей.

Двухпленочная модель Льюиса и Уитмена – наиболее ранняя и наглядная, согласно которой по обе стороны межфазной поверхности находятся пограничные пленки контактирующих фаз, создающие основное сопротивление переходу вещества из одной фазы в другую (рис. 5-4). При этом на межфазной поверхности достигается равновесие обеих фаз, а количество переходящего (диффундирующего) вещества М в пределах каждой фазы в еденицу времени можно выразить уравнениями.

(5-14)

где D1 и D2 – коэффициенты молекулярной диффузии переходного вещества в контактирующих фазах; и - толщины пограничных слоев (пленок); у и х – концентрации переходящего вещества в основной массе каждой фазы; и - концентрации переходящего вещества на поверхности раздела фаз (межфазной поверхности); F – площадь межфазной поверхности.

Недостаток пленочной теории – игнорирование гидродинамической обстановки вблизи межфазной поверхности, вклады молярной и турбулентной диффузии, роли физических и геометрических параметров системы. На практике не оправдывается линейная зависимость М ~ D, непосредственное измерение «δ» невозможно, не подаются пока измерения также концентрации и .

Для нахождение перехода вещества из одной фазы к межфазной поверхности и от последней во вторую фазу по аналогии используют массоотдачи:

(5-15)

здесь и - движущиеся силы процесса массоотдачи в фазах G и L; и - коэффициенты пропорциональности, которые в данных уравнениях называются коэффициентами массоотдачи.

Коэффициенты (в фазе G) и (в фазе L) показывают, какое количество вещества переходит из основной массы фазы к поверхности раздела (или в обратном направлении) через единицу площади поверхности в единицу времени при движущей силе, равной единице.

Единица измерения в каждом конкретном случае будет связана с единицами, принятыми для определения движущей силы.

Пенетрационная модель Хигби – модель обновления поверхности контакта фаз, которая предполагает, что переход вещества совершается в результате сменяющих друг друга элементов данной фазы (жидкости, газа, пара) на межфазной поверхности, куда они доставляются из основной массы молекулярной диффузией. Из-за кратковременности контакта с межфазной поверхностью каждого элемента массообмен протекает а условиях нестационарного режима, т.е. количество переходящего вещества изменяется во времени.

Модель Кафирова – в основу, которой положено предположение о наличии при массообмене развитой межфазной турбулентности, проходящий к изменению вязкости, плотности и поверхностного натяжения.

Для массообменных процессов имеем:

(5-16)

 

(5-17)

Уравнение линии равновесия: у*=mх. Принимаем, что содержание целевого компонента непосредственно у границы раздела фаз равновесное, следовательно, угр=mхгр. Из этих равновесных зависимостей определим содержание целевого компонента в фазе L:

х=у*/m; хгргр/m

Подставив значения хгр и х в уравнение (5-17), получим:

(5-18)

Складывая почленно правые и левые части уравнений (5-17) и (5-18), определяем:

 

или

(5-19)

где

Если в уравнение (5-16) подставить значение у и угр из равновесных зависимостей, то получим:

 

(5-20)

где

Уравнение (5-19) и (5-20) называются уравнениями массопередачи. Они определяют переход массы из одной фазы в другую. Величины, обратные коэффициенту массоотдачи, выражают диффузионные сопротивления на границе раздела фаз. Следовательно, зависимости для Ку и Кх выражают аддитивность фазовых сопротивлений.

Коэффициенты массоопередачи (Ку и Кх) показывают, какое количество вещества переходит из одной фазы в другую за единицу времени через единицу времени через единицу площади поверхности контакта фаз при движущей силе массопередачи, равной единице.

 

5.4.2 Критерии подобия

Для расчета коэффициентов массоотдачи используют эмпирические уравнения, полученные на основе теории подобия.

Диффузионный критерий Фурье

который характеризует нестационарность процесса массоотодачи.

Диффузионный критерий Пекле

который выражает отношение массы вещества, перешедшей путем конвекции, к массе, перешедшей путем молекулярной диффузии.

Диффузионный критерий Прандтля

который следует рассматривать как меру подобия профилей скорости и концентрации в процессах массоотдачи.

Диффузионный критерий Нуссельта

(5-21)

который является безразмерным выражением коэффициентов массоотдачи, в расчетном виде для установившегося процесса массоотдачи при отсутствии влияния силы тяжести имеет вид:

(5-22)

По найденным значениям и определяются и , далее и коэффициенты массопередачи Ку и Кх. Поверхность массоопередачи рассчитывают из уравнения:

или (5-23)

 

5.4.3 Средняя движущая сила массопередачи

 

 

Рис.5-5.Варианты (а - в) определения движущей силы

Рассмотрим процесс протекания массопередачи в противоточном колонном аппарате (см. рис. 5-1) при следующих условиях:

1) линия равновесия – кривая у*=f(x);

2) обе фазы инертны по отношению друг к другу;

3) расходы их постоянны (G=const и L=const), т.е. рабочая линия является прямой;

4) коэффициенты массопередачи не изменяются по высоте аппарата (Кх=const и Ку=const)

Движущая сила при массообмене определяется разностью рабочей м равновесно концентрации и всегда положительна (рис. 5-5, а и б), т.е. Δу целевого компонента в фазе G или Δх – в фазе L. Единицы движущей силы:

а) в системе жидкость - жидкость – кг/м3 или мольные долы;

б) в системе жидкость – газ – мольные доли или Па, если движущая сила выражена разностью парциальных давлений (Δр=р-р*).

Движущая сила меняется по высоте аппарата, поэтому для всего массообменного процесса определяют среднюю движущую силу (рис. 5-5, в), которая и входит в общее уравнение массопередачи (М=КуΔусрF или М≈ КхΔхсрF)

(5-24)

Аналогично для другой фазы:

(5-25)

 

5.4.4 Способы определения общего числа единиц переноса.

Для определения площади поверхности контакта фаз (когда равновесная зависимость у*=f(x) криволинейна) удобно пользоваться понятием о числе единиц переноса в массообменном процесса. Общее число единиц переноса обозначается noy либо nox определяется как:

; (5-26)

Следовательно, число единицы переноса определяет изменение рабочего состава фазы, приходящейся на единицу средней движущей силы.

 

А. Аналитический способ расчета.

Общее число единиц переноса можно выразить в зависимости от числа перноса в фазах, между которыми происходит массопередачи. Из уравнений массопередачи (5-23) и (5-26) можно сказать, что

;    

Аналогично для массоотдачи в газовой фазе число единиц переноса и в жидкой фазе . Иначе можно записать:

; ; (5-27)

По аддитивности фазовых сопротивлений имеем:

(5-28)

Следовательно,

(5-29)

 

Б. Графическое определение

 

Рис.5-6.Графическое определение общего числа единиц переноса

 

Общее число единиц переноса можно определить графически методом (рис. 5-6)

На диаграмме У-Х строят рабочую линию и линию равновесия. Проводят линию MN, делящую пополам отрезки ординат, заключенные между рабочей и равновесной линиями. Эти отрезки ординат равны (У-У*) и выражают движущую силу процесса. Затем через точку А на рабочей линии, определяющую состав фазы G на выходе из аппарата, проводят горизонталь, пересекающуюся с линией MN в точке В, и продолжают ее до точки С, причем отрезок АВ равен отрезку ВС. Из точки С проводят вертикаль CD до пересечения с рабочей линией (точка F).

Из подобия треугольников ACD и ABF следует CD/BF=AC/AB, но по построению AC=2AB и FB=FE/2, следовательно,

Ступенька ACD соответствует некоторому участку аппарата, в котором изменение рабочих концентрации в газовой фазе равно CD, а в жидкой фазе – AC. Отрезок FE выражает среднюю движущую силу на этом участке. Так как CD=FE, то ступенька ACD соответствует одной единице переноса.

Продолжим вписывать таким способом ступеньки до пересечения с ординатой, отвечающей хк, находим графически общее число единиц переноса. Данный метод применим при условии, что равновесная линия имеет малую кривизну, иначе FE не будет соответствовать средней движущей силе на данном участке.

 

5.5. Основы расчета массообменных аппаратов.

Существует два основных принципиально различных типа массообменных аппаратов:

  1. аппараты с непрерывным контактом фаз – посадочные колонны, пленочные аппараты;
  2. аппараты со ступенчатым контактом фаз – тарельчатые колонны, смесительно – отстойные аппараты.

Расчету подлежат высота Н и диаметр Dвн аппарата

 

5.5.1 Расчет непрерывно-противоточных аппаратов

Поверхность массопередачи при расчете аппаратов (насадочная колонна, рис. 5-7) геометрически определима. Поверхность контакта фаз применяем равной поверхности насадки:

(5-30)

где Н – высота насадки, м; f – площадь поперечного сечения колонны, м2; σ – удельная поверхность сухой насадки, м23; ψ – коэффициент смоченности насадки.


Рис.5-7.Насадочная колонна:

1 – корпус; 2 – разбрызгиватель; 3 – насадка

Рис.5-8.Тарельчатая колонна:

1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – переток

По определению , отсюда поверхность контакта фаз . Приравнивая , получим

(5-31)

здесь - высота рабочей части аппарата, эквивалентная одной единице переноса (ВЕП), м.

общая высота рабочей части аппарата:

(5-32)

Высота единицы переноса определяется значение коэффициента массопередачи, т.е. отображает кинетику процесса. Величина следовательно, и высота всего аппарата будет тем меньше, чем интенсивнее массопередача в этом аппарате.

 

5.5.2 Расчет ступенчато-противоточных аппаратов.

Схема тарельчатого колонного аппарата изображена на рис. 5-8. В целом по всей колонне осуществляется противоток фаз, но на каждой тарелке наблюдается перекрестный ток и барботаж (газ в виде пузырьков проходит через слой жидкости на тарелке).

 

Рис.5-9.Схема массообмена на тарелке

 

Рассмотрим идеализированную тарелку (рис. 5-9), на которой состав жидкости во всех точках одинаков. Такой тарелке соответствует ступень А1ВА2 и точка А1 характеризует состав газовой фазы, поступающей на тарелку(У1) и жидкости на тарелке (Х1); точка А2 – соответственно покидающей тарелку (У2), и поступающей на тарелку (Х2). Составы газовой фазы по поперечному сечению аппарата постоянны; так как Х1=const, то и У1*=const.

Выделим элемент барботажа слоя dF. Для него – dM=-Gdy, однако, это же количество вещества из массопередачи . Приравниваем их:

Разделим переменные у и F и, интегрируя это уравнение

, получим:

Определим эффективность одной ступени , представив выражение для общего числа единиц переноса следующим образом

(5-33)

где - коэффициент извлечения (обогащения)

Тогда , откуда

(5-34)

На рис. 5-9 разность ( ) – это отрезок А1В, а ( ) – отрезок А1С, следовательно, .

 

Рассчитав ряд значений дл х в пределах от хн до хк и определив ответствующий им ряд значений у, отвечающих точкам В, строят так называемую Кинетическую кривую EBD (рис 5-10). Вписывая ступеньки между рабочей линией и кинетической кривой, определяют действительное число тарелок.

 

 


Рис.5-10.Определение числа тарелок методом кинетической кривой

Рис.5-11.Определение числа теоретических ступеней изменения концентрации

 

5.3.3 Метод теоретических ступеней изменения концентраций (теоретических тарелок).

Построение теоретических ступеней изменения концентрации показано на рис.5-11

Из точки М (с координатами ун, хн) проводится отрезок МС до пересечения с линией равновесия, затем отрезок СА до пересечения с рабочей линией. Ступенька АСМ изображает изменение составов обеих фаз на теоретической тарелке. Для нее у2 и хк равновесны друг другу (точка С) или у2 равно т.е. у21*. Ступень изменения концентрации можно определять либо как элемент аппарата, в котором на выходе из этого элемента достигается содержание целевого компонента, равное равновесному на входе, либо как движущую силу процесса, которая обеспечивает содержание целевого компонента на выходе из элемента, равное равновесному на входе.

Строя последовательно подобные ступеньки до пересечения с ординатой, отвечающей составу газа, удаляющегося с верхней (последней) теоретической ступень, находят число теоретических ступеней nc.

Для перехода от числа теоретических ступеней к числу действительных тарелок используют соотношение:

(5-35)

где η – средний по всей высоте колонки КПД, учитывающий реальную кинетику массообмена; обычно η=0,3÷0,8.

Рабочую высоту тарельчатых аппаратов Н (расстояние между крайними тарелками) определяют как , где h – расстояние между тарелками.

Диаметр аппарата рассчитывают по уравнению расхода для газовой фазы , где V – объемный расход газа (пара); ω – фиктильная скорость, т.е.е скорость, отнесенная к полному сечению аппарата; f – площадь поперечного сечения аппарата.

(5-36)

Величина V обычно задается; определяют по предельной скорости ( ), которая рассчитывается по справочным эмпирическим уравнения, а принимают на 10-20% меньше.


8.4 Кинетика адсорбции

Скорость процесса зависит от условий внешнего и внутреннего переноса поглощаемого компонента. Скорость внешнего переноса характеризуется гидродинамической обстановкой процесса, а внутреннего – структурой адсорбента и физика – химическими свойствами адсорбционной системы.

 

8.4.1 Кинетика внешнего переноса

Она определяется зависимостью:

(8-10)

где а – величина адсорбции; τ – время; с и - концентрация поглощаемого компонента в объеме парогазовой смеси и на поверхности адсорбента; β – коэффициент массоотдачи к единице объема адсорбента.

 

8.4.2 Кинетика внутреннего переноса.

Описывается уравнением молекулярной диффузии:

(8-11)

где - эффективный коэффициент диффузии.

Величину кинетического коэффициента β, , определяют по критериальному уравнению:

(8-12)

здесь Nu` и Pr` - диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля; Re – критерий Рейнольдса; А, m и n – оптимальные константы

Для адсорбции паров активным углом (du=1,7 – 2,2 мм; ωр=0,2 – 2 м/с) известно уравнение:

(8-13)

где ; ; D – коэффициент диффузии адсорбтива в газе при температуре процесса, м2/с; d4 – средний диаметр зерен (частиц) адсорбента, м; ωг – скорость парогазовой смеси, при пустом сечении аппарата, м/с; - кинетическая вязкость газа, м2/с.

Из (8-13) определяют кинетический коэффициент адсорбции:

(8-14)

Коэффициент диффузии D при любых температурах и давлении рассчитывают по формуле:

(8-15)

коэффициент выбирают из справочной литературы [7]

 

8.4.3 расчет адсорбции в неподвижном слое адсорбента.

Расчет сводится к определению времени, в течении которого слой заданной толщины способен извлекать из потока газа или жидкости адсорбтив так, чтобы его содержание на выходе из слоя не превышало заданной величины. Это время называется временем защитного (адсорбционного) действия слоя. Сечения слоя, расположенное перпендикулярно к направлению парогазового потока, отвечающее минимальному содержанию адсорбтива в потоке, называют фронтом адсорбции. Фронт адсорбции (по мере насыщения ближайших к входу слоев адсорбента) перемещается по слою (рис. 8-3). Средняя концентрация поглощаемого вещества во все слое адсорбента данной толщины, достигнутая к моменту проскока адсорбтива, условно называют динамической активностью адсорбента.

 

 

Рис.8-2.Изотерма адсорбции Х=f(p)

Рис.8-3.Изменение фронта адсорбции во времени

Для определения времени защитного действия слоя (рис. 8-4) применяют формулу:

(8-16)

где К=1/u – коэффициент защитного действия слоя, причем Кωг=const; H – высота слоя адсорбента; - потеря времени защитного действия слоя; u – скорость движения фронта равных концентрации в слое; ωг – скорость парогазового потока.

Потеря времени защитного действия слоя обусловлена тем, что формирование фронта адсорбции происходит не мгновенно. Уменьшить можно, улучшив условия обтекания частицы адсорбента в слое парогазового потоком.

Потеря времени защитного действия слоя обусловлена тем, что формирование фронта адсорбции происходит не мгновенно. Уменьшить можно, улучшив условия обтекания частицы адсорбента в слое парогазовым потоком.

 


Рис.8-4.Зависимость времени защитного действия от высоты слоя Н адсорбента

Рис.8-5. К расчёту процессов непрерывной адсорбции:

1 – равновесная линия (изотерма адсорбции); 2 , 2' – рабочие линии

 

8.4.4 Методы адсорбции и десорбции

Процессы адсорбции не отличаются от других процессов массообмена с участием твердой фазы по своему механизму и характеризуется такими же закономерностями. Деление процессов адсорбции на периодические и непрерывные проводят не только в неподвижном слое адсорбента, но и в движущемся или взвешенном (кипящем) слое.

Десорбция – важная часть адсорбционного процесса, проводимого в замкнутом цикле. Она проводится следующими методами:

  1. вытеснением из адсорбента поглощенного вещества агентом, обладающим поглотительной способностью, более высокой чем поглощенные чем поглощенные вещества;
  2. испарением поглощенных веществ (если летучесть их высока) путем нагревания адсорбента.

Иногда проводят высокотемпературную обработку адсорбента с целью более полной его регенерации. Этот метод называют окислительной регенерацией адсорбента. В качестве десорбирующих агентов часто используют водяной пар, пары органических веществ и инертные газы.

 

8.4.5 Расчет адсорбции в движущемся слое адсорбента

Такой процесс адсорбции организуется таким образом, что плотный слой адсорбента непрерывно движется (в колонном вертикальном аппарате) навстречу восходящему потоку парогазовой смеси.

Уравнение материального баланса такого противоточного процесса:

(8-17)
   

Здесь L и G – расходы адсорбента и газа-носителя; ан и а – содержание адсорбтива в адсорбенте на входе и в произвольном сечении аппарата; ск и с - содержание абсорбтива в потоке. выходящем из адсорбера, и в произвольном его сечении.

По углу наклона рабочей линии (линия 2 ` в положении АВ рис. 8-5) можно определить минимальный расход адсорбента Lmin:

(8-18)

Число теоретических ступеней находится путем графического построения(см. главу V)

Расчет установившегося непрерывного процесса адсорбции заключается в определении высоты Н слоя адсорбента (рис. 8-5):

(8-19)

где hэ –высота, эквивалентная одной теоретической ступени; n – число ступеней.

Зависимость времени защитного слоя τпр от высоты слоя Н выражается плавной кривой (см. рис. 8-4) , которая в период параллельного переноса фронта адсорбции переходит в прямую линию, с тангенсом угла наклона прямолинейной части кривой tgα=Л, т.е. равен коэффициенту защитного действия слоя. При проведении адсорбции во взвешенном слое адсорбента могут быть могут быть достигнуты условия, при которых τ0=0.

В последние годы стали применять адсорбцию во взвешенном (кипящем) слое. Успешное проведение такого процесса связанно с необходимостью иметь активные угли (или другие адсорбенты), обладающие высокой механической прочностью, с обязательной проверкой в условиях их регенерации (десорбции).

 

8.5 Типовые конструкции адсорберов.

8.5.1. Адсорберы с неподвижным слоем абсорбента.

Аппараты периодического действия (рис. 8-6). Часто применяют циклические адсорберы вертикального типа, кожух которых покрыт теплоизоляцией. Периодические процессы адсорбции проводят в четыре стадии: 1) собственно адсорбция; 2) десорбция; 3) сушка адсорбента; 4) охлаждение адсорбента. Установка может работать непрерывно, для чего применяют несколько аппаратов, включая их попеременно: в одном проводится адсорбция, в другом - десорбция (с автоматическим переключением).

 

Рис.8-6. Адсорбер периодического действия с неподвижным слоем адсорбента:

1 – корпус; 2 – слой адсорбента; 3 - барботер

 

8.5.2. Адсорберы с движущимся слоем адсорбента.

Процесс рабты: движение парогазовой смеси происходит сквозь медленно движущееся сверху вниз (под действием сил тяжести) плотные слои адсорбента. Организация непрерывного процесса адсорбции представляет определенные трудности из-за сложности транспортирования адсорбента.

 

8.5.3 Адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента (рис. 8-7)

Применение: для очистки дымовых газов ТЭЦ или отходящих газов из печи дожигания. Транспортирование адсорбента производят с помощью транспортера: отделение твердой фазы от газового потока производится в циклонах-сепараторах. На рис. 8-7 приведена схема установки производительностью 55000м3/ч (Da=4,9м, Н=5,1м).

На рис. 8-8 показана схема адсорбционной установки с движущимся слоем активного угля для разделения газовой смеси на три фракции: мягкую, промежуточную и тяжелую.

 

 

Рис.8-7.Адсорбционно-каталитическая установка очистки газа от SO2 с псевдоожиженным слоем адсорбента (по методу «Вестфако»):

1 – котёл-утилизатор; 2 – теплообменник; 3 – газодувки; 4 – транспортёр угля;

5 – бункер; 6 – генератор серы; 7 – отпарная секция; 8 – охлаждающая секция;

9 – сепаратор; 10 – конденсаторы; 11 – адсорбционная секция; 12 – переточный стояк

Рис.8-8.Адсорбционная установка с движущимся слоем активного угля для разделения газовой смеси на три фракции:

1 – разделительная колонна; 2 – холодильник; 3 – теплообменник; 4 – распределительная тарелка; 5 – разгрузочное устройство; 6 – гидрозатвор; 7 – регулирующий клапан;

8 – газовый подъёмник; 9 – сборник; 10 – вентилятор; 11 – реактиватор; 12 – бункер;

I – III - зоны

 

Разделительная колонна 1 состоит из трех зон: адсорбционной зоны I, где происходит взаимодействие между газовой смесью и свежим углем; десорбционной зоны III, где поглощенные углем вещества выделяются вследствие нагрева угля; ректификационной зоны II, где выходящие из зоны IIIвещества вытесняются из угля менее сорбируемые компоненты. По высоте колонны в местах ввода и вывода газа имеются четыре распределительные тарелки Y.

Исходная газовая смесь поступает под вторую сверху тарелку и поднимается в зону I, находящуюся между первой и второй (сверху) тарелками. В зоне I поглощаемая часть газовой смеси адсорбируется углем, а непоглащенная часть, называемая легкой фракцией, выводится в верхней части колонны из-под первой сверху тарелки.

Из зоны I уголь опускается вниз в зону II находящуюся между второй и четвертой тарелками сверху.

Промежуточная фракция отбирается из-под третьей тарелки.

Из зоны II уголь опускается в зону III, находящуюся под четвертой сверху тарелкой. В зоне III уголь нагревают и продувают острым перегретым водяным паром. Встречая горячий уголь, пар практически не конденсируется, а лишь выдувает десорбируемые вещества. Смесь десорбируемых веществ с водяным паром (тяжелая фракция) выходит из-под четвертой сверху тарелки.

Горячий уголь из зоны III выводится вниз через питательный механизм 5 в гидрозатвор 6, предотвращающий попадание пара в подъемную систему, даже уголь газовым подъемником 8 попадает в бункер 12, расположенный над колонной.

Циркуляция газа осуществляется вентилятором 10. Поступающий в бункер уголь подсушивают, пропуская через трубки холодильника 2. Из бункера уголь ссыпают в холодильник2, з холодильника – в зону I, и цикл начинается снова.

Разделенный газ содержит трудно десорбирующие вещества, тогда часть угля из бункера подается в реактиватор 11 – аппарат, нагреваемый до более высокой температуры, чем раствор колонны. Продукты реактивации, обработанные острым паром, и пар отводят из верхней части реактиватора.

Холодильник 2 – кожухотрубный теплообменник, по трубкам которого проходит голь и часть легкой фракции, в МТП подают снизу вверх охлаждающую воду.

Десорбер – так же кожухотрубный теплообменник, по трубкам которого проходит уголь и водяной пар, а в МПТ подается нагревающий агент (водяной пар или пары даутерма – дифенильная смесь). Реактиватор аналогичен конструкции десорбера.

Распределительные тарелки – трубная решетка, в отверстие которой вмонтированы трубы (l=0.25-0.6м иd=40-50мм) Тарелки монтируют в колонну патрубками вниз.

 

IX Массообмен в процессе сушки

9.1. Общая характеристика

9.1.1 Классификация процессов сушки.

Сушка – это процесс удаления влаги из материала путем испарения и отвода образующихся паров. Для сушки необходимо к высушиваемому материалу подводить теплоты, за счет которой происходит испарение влаги. Процесс сушки широко используется во многих отраслях народного хозяйства. Его назначение – улучшение качества продукта, его сохраняемости, удешевление транспортировки и т.д.

Высушиваемые материалы можно разделить на следующие группы: твердые, пастообразные, жидкие (растворы, суспензии).

Существуют различные виды сушки:

1) контактная сушка – теплота от теплоносителя к материалу передается через разделяющую их систему;

2) конвективная сушка – теплота передается при непосредственном соприкосновении высушиваемого материала с сушильным агентом;

3) радиационная сушка – теплота передается инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая сушка – теплота выдается в материале под воздействием токов высокой частоты;

5) сублимационная сушка – материал высушивается в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

 

9.1.2 Связь влаги с материалом

Форма связи влаги с материалом определяет в значительной степени механизм процесса сушки. Чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. различают три основных формы связи влаги с материалом.

  1. Химическая (гидратная или кристаллизационная влага). Химически связанная влага в процессе сушки не удаляется.
  2. Физико-химическая (адсорбционная и осмотическая влага). Адсорбционная влага находится в микропорах и прочно связанна с материалом адсорбционными силами. Осмотическая влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага обоих видов с трудом удаляется в процессе сушки.
  3. Механическая (влага смачивания). Влага смачивания заполняет микропоры, наименее прочно связанна с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Применительно к процессу сушки влагу разделяют на свободную (легкоудаялемую при сушке) и связанную (адсорбционную, осмотическую, влагу из микропор).

Свободная влага характеризуется легкостью обхождения от высушиваемого материала при температуре (если влага вода) с той же скоростью, с какой влага испаряется с поверхности жидкости.

Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды.

Влагосодержание материала на границе свободной и связанной форм называется критическим влагосодержанием.

Если вес материала обезводить и привести в соприкосновение с атмосферным воздухом, то они начинают поглощать влагу из воздуха и насыщаться ею до определенного равновесного состояния в соответствии с температурой и влажностью окружающего воздуха. Это влагосодержание материала называется равновесным (гигроскопическая влага). Следовательно, если известны гигроскопическая точка материала, то известен целесообразный предел удаления влаги. Это особенно важно для сильно гигроскопических материалов (текстиль, табак, многие соли и др).

Изменяя влажность воздуха при температуре t=const (когда материал и влажный воздух имеют одинаковую температуру), можно получить кривую равновесной влажности материала в виде изотерм (рис. 9-1).

 

Рис.9-1.Кривые равновесной влажности при tм=25°С:

1– каолин; 2 – бумага; 3 – клей; 4 –нитроклетчатка;

5-табак

При глубокой сушке материалов расчет сушилок необходимо вести с учетом энергии связи влаги с материалом. Суммарный расход теплоты:

(9-1)

где - теплота, расходуемая на испарение свободной влаги; - теплота, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.

При выборе способа сушки необходимо учесть:

1) основные требования, предъявляемые к продукту;

2) физико-химические свойства высушиваемого материала;

3) вид высушиваемого материала – твердый, пастообразный, жидкий;

4) скорость сушки;

5) допустимую температуру сушки;

6) начальную и конечную влажность материала;

7) заданную производительность установки.

На рис. 9-2 приведены принципиальные схемы наиболее распространенных контактной (а) и конвективной (б) суки.

 

 

Рис.9-2.Схемы сушки:

а – контактная; б - конвективная

Рис.9-3.Вакуум-сушильный шкаф:

1 – камера; 2 – полые плиты

9.2. Контактная сушка

Контактная сушка, или сушка на греющих поверхностях, осуществляется при атмосферном давлении под вакуумом. Мотивом выбора вакуум-сушки могут быть: необходимость понижения температуры сушки, увеличения скорости процесса, возможность улавливания растворителя, частоты высушиваемого продукта.

 

9.2.1 Тепловой баланс контактной сушки.

При этом виде сушки теплота расходуется на нагрев материала до начальной температуры сушки и на собственную сушку.

Расход теплоты на нагревание материала:

(9-2)

здесь - количеств высушиваемого материала, кг; - удельная теплоемкость высушенного материала, Дж/(кгК); с – удельная теплоемкость влаги, Дж/(кгК); - начальная температура сушки, °С; W – количество влаги, испаряющейся при сушке, кг; - потери теплоты в окружающую среду при нагревании материала, Дж.

Расход теплоты на собственную сушку:

(9-3)

- конечная температура сушки, °С; h – удельная энтальпия водяных паров, образующихся при сушке, Дж/кг; - потери тепла в окружающую среду, Дж; - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг.

 

9.2.2 Тепы контактных сушилок

По способу организации процесса они подразделяются на периодические – и непрерывнодействующие.

Вакуум – сушильные шкафы (рис. 9-3) – простейшие сушилки периодического действия. Это цилиндрическая камера 1, в которой размещены полые плиты 2, обогреваемые паром или горячей водой. Высушиваемый материал находится на противнях, установленных на плитах. Во время работы камера закрыта и соединена с вакуумом - конденсационной системой и вакуум - насосом. Сушилки этого типа малопроизводительные и малоэффективные, так как сушка происходит в неподвижном слое при наличии зазоров между противнями и греющими плитами; загрузка и выгрузка не механизированы. Однако, они универсальны, потому что сушка возможна различных материалов при оптимальных условиях.

Гребковые вакуум – сушилки (рис. 9-4) – материал во время сушки перешивается, т.е. увеличивается площадь поверхности контакта; загрузка и выгрузка механизированы.

 

 

Рис.9-4.Гребковая сушилка:

1 – вал с гребками; 2 – барабан; 3 – рубашка; 4 – трубы («скалки»)

 

Вальцевые сушилки (рис. 9-5) – предназначены для непрерывной сушки пастообразных материалов, однако они сложны устройствами герметических питателей и выгрузных приспособлений.

 

 

Рис.9-5.Вакуумная двухвальцовая сушилка:

1 – кожух; 2 – барабаны-вальцы; 3 – ножи; 4, 5 – осушители; 6 – сифонная трубка

 

Вакуум-сушка имеет ряд технологических преимуществ перед сушкой при атмосферном давлении:

1) независимость процесса от атмосферных условий;

2) герметичность системы позволяет создать стерильность среды;

3) сушка идет при низких температурах, что важно при обработке веществ, не выдерживающих высокотемпературного нагрева;

4) быстрота сушки;

5) меньший расход теплоты, по сравнению с сушкой при атмосферном давлении;

6) меньшие габаритные установки (нет необходимости циркулировать большим объемом газа;

7) возможность более полного упаривания ценных или вредных паров;

8) устранение пожарной безопасности и др.

Недостаток сушилок – более высокая стоимость сушильного агента.

 

9.3 Конвективная сушка

Конвективная сушка – это сушка влажного материала в потоке горячего воздуха или топочного газа, который выполняет 2 функции: является теплоносителем и влагоносителем.

Схема конвективной сушильной установки представлена на рис. 9-6. Атмосферный воздух засасывается вентилятором 1, проходит калорифер 2, где подогревается, и подается в сушилку 3. На схеме изображена ленточная сушилка непрерывного действия. Зернистый материал подается на ленту, движется в ленте с ней и пересыпается с ленты на ленту. Нагретый воздух проходит над материалом, испаренная влага с потоком воздуха выводится из сушильной камеры. В циклоне 4 воздух перед выбросом в атмосферу освобождается от пыли продукта.

 

Рис.9-6.Схема конвективной сушильной установки:

1 – нагнетательный вентилятор;

2 – калорифер; 3 – сушилка;

4 – циклон; 5 – вытяжной вентилятор

 

9.3.1 Основные свойства влажного воздуха.


1 | 2 |


Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.144 сек.)