Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225

МАССООБМЕН В СИСТЕМАХ С ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ

В случае массообмена твердой фазы с жидкостью или газом процесс массопередачи происходит по схеме, приведенной на рис. 1-15. Концентрация компонента внутри твердого вещества уменьшается в направлении к поверхности раздела фаз. Перемещение вещества к границе раздела фаз происходит по законам массопроводности, являющихся аналогом законов молекулярной диффузии для жидкостей и газов. У поверхности твердой фазы возникает пограничная пленка жидкости (газа) толщиной 5, в пределах которой перенос вещества осуществляется молекулярной диффузией. На внешней границе пленки, сопрягающейся с ядром потока жидкой (газовой) фазы, происходит выравнивание концентрации с концентрацией в ядре потока с. В ядре потока жидкости (газа) концентрации выравниваются за счет конвективной и молекулярной диффузии.

При переходе вещества из твердой фазы его содержание в этой фазе будет непрерывно уменьшаться как во времени, так и по направлению к границе раздела фаз. Поэтому все процессы с участием твердой фазы являются нестационарными.

Диффузия передаваемого компонента в твердой фазе происходит аналогично молекулярной диффузии и уравнение массопроводности записывается аналогично закону Фика

dM = -K

(1.37)

где К - коэффициент массопроводности, аналогичный коэффициенту молекулярной диффузии D.

Количество вещества, перешедшее в ядро потока жидкости (газа), определяется уравнением конвективной диффузии

Пограничный слой

"if о с

: с%о о

с Ядро фазы L или G

Рис. 1-15. Схема массопередачи участием твердой фазы

dM = Э(с -c)dF = pAcdF. (1.38)

Поскольку на границе раздела фаз вещество не накапливается и не исчерпывается, то из уравнений (1.37) и (1.38) получим

-К-= pAc. (1.39)

Разделив правую часть уравнения (1.39) на левую и приняв во внимание соотношения (1.36), получим диффузионный критерий Био для массообменных процессов в присутствии твердой фазы

Аналогично уравнению (1.9) молекулярной диффузии можно получить следующее дифференциальное уравнение массопроводности

дс

- + -т + -

дх ду dz

(1.40)

При делении левой части уравнения (1.40) на один из членов правой части с учетом соотношений (1.36) получим диффузионный критерий Фурье для процесса массопередачи в твердой фазе

В пределах твердой фазы концентрация распределенного вещества все время изменяется. Чтобы получить общее уравнение взаимосвязи между переменными оказалось удобным ввести безразмерную концентрацию

где с, с„ и Ср - соответственно текущая, начальная и равновесная концентрации. В числителе этого выражения стоит величина движущей силы в любой момент процесса, а в знаменателе - максимальная величина движущей силы в начале процесса. Очевидно, что безразмерная концентрация изменяется в пределах от единицы до нуля. Кроме того, величины концентраций в отдельных точках тела зависят от их относительного положения, т.е. от симплекса л/7, где л - расстояние в данном направлении, а 7 - характерный линейный размер.

На основе вышеизложенного обобщенное уравнение массопередачи с участием твердой фазы будет иметь вид

.Bi..Fo„f

- Ср

= 0. (1.41)

В практических расчетах обычно определяют время т, в течение которого средняя концентрация компонента в твердой фазе достигнет заданной величины с. Тогда из уравнения (1.41) можно исключить симплекс

Рис. I-ie. Общий вид зависимостей при массообмене с участием твердой фазы

геометрического подобия п/1 и результирующее уравнение представить в общем виде

Общий вид подобных зависимостей приведен на рис. 1-16.

Определив величину критерия продолжительность процесса

Фурье, рассчитывают требуемую

ГЛАВА II РАВНОВЕСНЫЕ СИСТЕМЫ

ПРАВИЛО ФАЗ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ К ПРОЦЕССАМ МАССООБМЕНА

Научной основой процессов перегонки, ректификации, абсорбции и подобных является учение о термодинамическом равновесии, основные положения которого излагаются в курсах физической химии и химической термодинамики.

При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией (масса- и теплообмен) через поверхность раздела фаз. При этом система стремится к состоянию равновесия, при котором скорости перехода из одной фазы в другую выравниваются.

Достигнув состояния равновесия, система может существовать как угодно долго без каких-либо видимых качественных и количественных изменений, пока какое-либо внешнее воздействие (изменение давления, температуры, концентрации) не выведет ее из этого состояния.

При равновесии, например, паровая и жидкая фазы будут иметь вполне определенный состав в течение любого отрезка времени.