ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы МАССОПЕРЕДАЧА Введение в массопередачу из "Гидродинамика, теплообмен и массообмен" Наиболее типичные задачи химической технологии относятся к процессам массопередачи. Как уже говорилось в начале этой книги, отличительной особенностью химика-технолога является умение рассчитывать и эксплуатировать аппараты для производства реагентов, осуществления химических реакций и разделения полученных продуктов. Это умение основывается в значительной степени на знаниях в области массопередачи. Процессы переноса количества движения и тепла встречаются во многих областях техники, но применение процессов массопередачи, как правило, ограничивается химической технологией. Серьезное применение массопередача нашла также в металлургических процессах, а совсем недавно — в аппаратах для высокоскоростных полетов. [c.441] Под массопередачей понимают переход компонента смеси из области высокой концентрации в область более низкой концентрации. Например, если открытую пробирку с небольшим количеством воды на дне поместить в пространство с относительно сухим воздухом, то пары воды будут диффундировать через слой воздуха в пробирке. Будет происходить перенос воды из области, где ее концентрация высока (у свободной поверхности жидкости), в область, где ее концентрация низка (в окружающей атмосфере). Если газовая смесь в пробирке неподвижна, массопередача происходит путем молекулярной диффузии. Если же слои газа в пробирке перемешиваются механической мешалкой или вследствие разности плотностей, то массопередача происходит главным образом путем вынужденной или естественной конвекции. Эти способы переноса массы аналогичны переносу тепла теплопроводностью и конвекцией в массопередаче нет аналога лучеиспусканию. [c.441] Аналогия между переносом количества движения и тепла уже детально рассматривалась, теперь ее можно распространить на массопередачу. Этот вопрос был поставлен в предыдущих главах и будет изучен детально в последующих. [c.442] Изучая основы массопередачи, мы рассмотрим главным образом бинарные смеси, хотя многокомпонентные смеси имеют большее практическое применение. Некоторые из этих более сложных случаев будут рассмотрены после того, как основные положения будут разобраны на бинарных смесях. [c.442] Молекулярная диффузия в газе происходит в результате беспорядочного движения молекул. Это движение иногда называют движением по случайным траекториям. Через плоскость, перпендикулярную к направлению градиента концентрации (или через любую другую плоскость), движение молекул происходит в обоих направлениях. Направление движения каждой молекулы в разбавленных растворах не зависит от концентрации. Следовательно, в системах с градиентом концентрации доля молекул компонента А, пересекающая плоскость, нормальную к градиенту, будет одинаковой как со стороны высокой, так и со стороны низкой концентрации. Но так как общее число молекул компонента А со стороны области высокой концентрации больше, чем со стороны низкой концентрации, то в результате происходит перемещение молекул компонента А в направлении уменьшения его концентрации. [c.442] При отсутствии противодействующих сил концентрация компонента А по обе стороны рассматриваемой плоскости стремится выравняться. В аналогичном явлении теплопередачи — передаче тепла в газе путем теплопроводности — распределение более горячих молекул (обладающих большей степенью беспорядочного молекулярного движения) имеет тенденцию к усреднению благодаря беспорядочному перемешиванию. Подобным же образом, если есть градиент направленной скорости (в отличие от скорости беспорядочного движения) через плоскость, то распределение скоростей стремится к однородному в результате беспорядочного молекулярного движения. Происходит перенос количества движения, пропорционального вязкости газа. [c.442] Сделанные замечания являются приближенными и качественными. Количественное определение коэффициента диффузии, коэффициента теплопроводности и вязкости газа по молекулярным свойствам крайне сложно. Рассмотрение таких зависимостей составляет важный раздел статистической механики. [c.442] Подобно тому как количества движения и тепла переносятся благодаря движению отдельных частиц жидкости, может переноситься и масса. Мы видели, что скорость этих процессов переноса, вызванных перемешиванием объема жидкости, может быть выражена коэффициентом турбулентной кинематической вязкости, коэффициентом турбулентной температуропроводности и коэффициентом турбулентной диффузии. Последнюю величину можно связать с длиной пути перемешивания, которая в данном случае равна одноименной длине, введенной в связи с переносом количеств движения и тепла. В самом деле, аналогия между тепло-и массопередачей настолько явная, что уравнения, выведенные для теплопередачи, часто применимы к массопередаче при простом изменении обозначений. Мы отсылаем читателя к гл. 7 и 25. [c.443] Турбулентная диффузия проявляется при рассеянии дыма,, выходящего из дымоходной трубы. Турбулентность вызывает перемешивание и перенос дыма в окружающую атмосферу. В ряде мест, где атмосферная турбулентность отсутствует, дым, образующийся над поверхностью земли, рассеивается главным образом молекулярной диффузией. Это приводит к серьезной проблеме загрязненности воздуха, так как вещество значительно медленнее переносится молекулярной диффузией, чем турбулентной. [c.443] Массовый поток Nизмеряется относительно системы координат, закрепленной в пространстве. Движущей силой является разность концентраций на границе фазы (поверхности твердого тела или жидкости) и в любой произвольной точке жидкой среды. [c.443] Коэффициентом конвективной массопередачи пользуются при вынун денной и естественной конвекции. Аналогов таких величин, как коэффициенты теплоотдачи при кипении, конденсации и лучеиспускании, в массопередаче нет. Величина кд, подобно коэффициенту а, зависит от геометрических характеристик системы, скорости и свойств жидкости. [c.444] Размеры аппаратов для процессов разделения зависят от скорости, с которой компонент переходит из одной фазы в другую, что, в свою очередь, определяется скоростью подхода компонента к границе раздела фаз. Подобно влиянию коэффициентов теплоотдачи на размер теплообменника, коэффициенты массоотдачи для газовой и жидкой фаз влияют на размер абсорбционной колонны. [c.444] Аммиак, например, можно выделить из смеси с воздухом, пропуская газ снизу вверх по абсорбционной колонне. Вода подается в верхнюю часть колонны и стекает вниз навстречу восходящему потоку газа, причем поверхность контакта фаз достаточно велика. В любой точке ио высоте колонны концентрация аммиака в газовой фазе выше концентрации, равновесной с водной фазой. В результате аммиак переходит из газа к поверхности воды, поглощается ею и уходит с поверхности в глубь водной фазы. Высота колонны в значительной степени определяется скоростью массопередачи аммиака из одной фазы в другую, выражаемой через разности концентраций и коэффициенты массоотдачи. [c.444] При достаточной высоте колонны почти весь аммиак удаляется из воздуха на нути движения последнего к выходу из верхней части колонны. Для выделения аммиака из воды раствор, выходящий из нижней части колонны, подвергается ректификации. [c.444] Хотя при расчете абсорбционной колонны или другого массообменного аппарата основным фактором является скорость массопередачи, необходимы также уравнения материального и теплового балансов. Производительность колонны определяет ее диаметр, который рассчитывают по допустимым скоростям фаз в колонне. С помощью термодинамических закономерностей можно рассчитать условия фазного равновесия, которые определяют возможные значения движущей силы процесса. [c.444] В оставшейся части этой книги мы рассмотрим, прежде всего, принципы массопередачи в одной фазе несколькими возможными способами, а затем применим результаты к межфазному переносу, с которым мы сталкиваемся в ряде распространенных процессов разделения. [c.444] Вернуться к основной статье