Массообменные процессы, используемые в технологии
В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.
Подобно теплопередаче массопередача – это сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ – жидкость, пар – жидкость, жидкость - жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).
В массообменных процессах количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.
На практике наибольшее распространение получили следующие виды массобменных процессов:
v Абсорбция– процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями
(абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция.
Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.
В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных веществ, примесей. Аппараты, в которых осуществляется абсорбционные процессы, называют абсорберами.
v Перегонка жидкостей. Применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемых однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.
Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которой летучи. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.
Различают следующие виды перегонки:
а) простая перегонка (дистилляция);
б) ректификация.
v Дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.
v Ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и тепло- обмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном или непрерывном контакте фаз.
Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет большое значение: в производствах органического синтеза, полимеров, полупроводников, в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.
v Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсорбатом или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.
Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.
Процессы абсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров.
Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента. При химической адсорбции или хемосорбции возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.
В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.
В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты).
Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно – в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента.
v Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание достигается тепловой сушкой.
По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду, при этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:
1) конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;
2) контактная сушка– путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;
3) радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами;
4) диэлектрическая сушка– путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала.
5) сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние при глубоком вакууме и при низких температурах.
Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии:
1) при снижении давления в сушильной камере происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом;
2) удаление основной части влаги сублимацией;
3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.
Высушиваемый материал при любом методе находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.
Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материал, характера связи влаги с материалом, размера кусков, толщины слоя материала, внешних факторов и т.д.
v Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные компоненты исходной смеси.
Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.
Экстракция в системах жидкость-жидкость представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).
Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделение жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) является низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.