Массообменные процессы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРИЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

«Забайкальский государственный университет»

(ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)

 

 

 

Кафедра менеджмента

 

 

 

 

Контрольная работа

 

на тему: Массообменные процессы

 

по дисциплине: Основы отраслевых технологий

 

 

                                                                                                                  

                                                                                                                  

 

 

                                                                                                                   

 

 

 

Чита-2012

 

 

Содержание

 

 

Введение ………………………………………………………………………  3

1. Массообменные процессы…………………………………………………  4

   1.1. Абсорбция ………………………………………………………………5

    1.2. Адсорбция ………………………………………………………………7

     1.3. Перегонка и ректификация …………………………………………….8

    1.4. Кристаллизация ………………………………………………………...9

    1.5. Сушка …………………………………………………………………...10

Заключение …………………………………………………………………….13

Список используемых источников …………………………………………..14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В производстве промышленной продукции широко используются физические процессы. На любой стадии производства (подготовительной, основной или завершающей) физические процессы выполняют вспомогательную или основную функцию. Большое значение приобретают физические процессы в природоохранных мероприятиях по очистке сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, а также по рекуперации промышленных и бытовых отходов.

Физические процессы подразделяются на физико-механические, гидромеханические, тепловые и массообменные, последние мы рассмотрим более подробно.

В производстве промышленной продукции многие процессы связаны с переносом вещества (массы) из одной фазы с другую через границу раздела. Процессы, для которых скорость переноса вещества является определяющей, называются массообменными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Массообменные процессы

 

Большое значение в химической технологии имеют массообменные процессы, основанные на переходе одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Массообменные процессы классифицируют по трем основным признакам: агрегатному состоянию вещества, способу контакта фаз и характеру их взаимодействия.

В промышленности применяют процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами.

По агрегатному состоянию вещества можно представить основные фазы: «газ – жидкость» (Г - Ж), «газ – твердое тело» (Г – Тв.т), «жидкость – жидкость» (Ж–Ж), «жидкость – твердое тело» (Ж – Тв.т) и др. В зависимости от сочетания фаз имеются способы их разделения. Так, при сочетании Г–Ж разделение возможно дистилляцией, ректификацией, абсорбцией и десорбцией, сушкой и увлажнением; Г – Тв.т – сублимационной сушкой, адсорбцией, ионным обменом, фракционной адсорбцией; Ж – Ж–жидкостной экстракцией; Ж–Тв.т – фракционной кристаллизацией, экстрагированием, адсорбцией, ионным обменом.

Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности и молекулярной диффузии, то есть способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения молекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будет достигнуты условия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи, ее эффективностью может быть выражена в любых единицах, применяемых для определения состава фаз, однако наиболее часто движущая сила процесса выражается через разницу между рабочим и равновесными концентрациями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно. Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит в основном от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентраций.

Повышение эффективности процессов массопередачи может быть достигнуто за счет увеличения поверхности контакта фаз, возрастания скорости потока и его турбулизации, а также снижения диффузионного сопротивления среды.

По характеру взаимодействия массообменные процессы разделяют на периодические и непрерывные. В непрерывных процессах возможна организация прямоточного, противоточного, перекрестного и комбинированного движения компонентов.

 В основные процессы  массопередачи входят: абсорбция, адсорбция, перегонка и ректификация, кристаллизация и сушка.

 

1. Абсорбция

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Жидкий поглотитель называется абсорбентом, а поглощаемый компонент газовой смеси – абсорбтивом. Процесс основан на способности газов при контакте с жидкостью растворяться в ней. Контакт потоков жидкости и газа может осуществляться за счет  пропускания газа над поверхностью или через слой  жидкости. Так как обе соприкасающиеся фазы подвижны, поверхность контакта между ними  -  величина неопределенная и зависит от гидродинамического режима движения фаз. Перемещение молекул газа через границу раздела подвижных фаз происходит за счет диффузии и продолжается до достижения состояния динамического равновесия. Скорость переноса зависит от разности между рабочей и равновесной концентрацией поглощаемого в фазах компонента. Эта разность отражает меру отклонения  системы от состояния равновесия и является движущей силой процесса.

Абсорбция  характеризуется избирательностью (селективностью). Каждый абсорбент может поглощать одни газы в заметных количествах, другие не поглощать или поглощать в незаметном количестве, поэтому при абсорбции исходная газовая смесь разделяется на две части – нерастворимую и растворимую в абсорбенте. Нерастворимые  в жидкости газы рассматриваются как фаза-носитель распределяемого вещества. Для жидкой фазы аналогичную функцию выполняет абсорбент. Таким образом, при абсорбции имеет место взаимодействие двух фаз: отдающей вещество и получающей его. Эти две фазы называются носителями. Они переносят распределяемое вещество, являются инертными по отношению друг к другу и не участвуют непосредственно в процессе массообмена. Свойство селективности позволяет использовать абсорбцию для разделения газовых смесей.

Различают физическую и химическую (хемосорбцию) абсорбцию.

При физической абсорбции газ, растворяясь в жидкости, не вступает с ней в химическое взаимодействие, тогда как хемосорбция сопровождается химическим взаимодействием между газом и жидкостью. Физическая абсорбция обратима. При определенных условиях растворенный в жидкости газ можно вновь выделить в газовую фазу. Процесс выделения из жидкости растворенных газов называется десорбцией.  Десорбцию проводят продувом раствора инертным газом, нагревом или вакуумированием. Применяются также различные комбинации указанных способов. Сочетание абсорбации с десорбцией позволяет многократно использовать абсорбент и получать целевой газообразный продукт.

При хемосорбции скорость переноса вещества из газообразной фазы в жидкую больше, чем при физической абсорбции. Это объясняется тем, что часть газообразного компонента, растворяясь в жидкости и вступая с ней в химическую реакцию, переходит в связанное состояние, концентрация свободного компонента в жидкости уменьшается, а движущая сила процесса возрастает. Если в результате химического взаимодействия абсорбтива с абсорбентом образуются нелетучие соединения, процесс становится необратимым.

Абсорбция применяется в различных отраслях промышленности для получения кислот, извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

 

 

 

1.2.Адсорбция

 

Адсорбция есть процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси твердым пористым поглотителем – адсорбентом. Механизм процесса адсорбции, отличающийся от механизма абсорбции, практически  аналогичен механизму других процессов массопередачи с участием твердой фазы. Наиболее универсальной теорией адсорбции является разработанная М.М.Дубининым теория объемного заполнения микропор, где учитывается притяжение молекул поглощаемого вещества с адсорбентом на основе зависимости равновесия от структуры пор адсорбента.

По сравнению с другими массообменными процессами  адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извлекаемых компонентов в исходной смеси. В качестве адсорбентов широко используются твердые вещества с высокоразвитой поверхностью и высокой пористостью (активные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты -  водные алюмосиликаты кальция и натрия, ионообменные смолы и др.).

Различают физическую и химическую адсорбцию. При физической адсорбции молекулы адсорбента и поглощаемого вещества не вступают в химическую взаимосвязь; взаимное притяжение молекул происходит под действием сил Ван-дер-Ваальса или дисперсионных. Химическая адсорбция характеризуется химическим взаимодействием между молекулами поглощаемого вещества и поглотителя, в результате чего на поверхности адсорбента возникает химическая связь. Оба вида адсорбции проходят в выделением тепла. Теплота физической адсорбции газов и паров примерно равна теплоте их конденсации (85…125кДж/кмоль), а мимической адсорбции достигает нескольких сотен кДж/кмоль. Адсорбционная способность твердого поглотителя падает с ростом температуры, поэтому при больших тепловыделениях слой адсорбента охлаждают. Химическая адсорбция возможна и при высоких температурах, когда физическая адсорбция ничтожно мала.

На установках периодического действия процесс, проводимый в адсорбере, складывается из следующих четырех операций или циклов: 
1. поглощение адсорбентом распределенного в газе вещества (собственно адсорбция); 
2. отгонка поглощенного газа из адсорбента при его нагреве водяным паром (десорбция); 
3. сушка адсорбента горячим воздухом; 
4. охлаждение адсорбента холодным воздухом.

Здесь совмещают циклы сушки и охлаждения адсорбента с циклом поглощения, что позволяет сократить продолжительность процесса.

Для проведения адсорбции непрерывным способом применяют установки из двух и более адсорберов, включаемых для адсорбции газа поочередно. Все циклы проводятся при этом последовательно.

Адсорбция применяется в промышленности для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения смесей различных жидких и газообразных веществ, извлечение летучих растворителей, осветления растворов, для очистки воды и др.  Адсорбция используется в химической, пищевой, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и других отраслях промышленности.

 

 

1.3.Перегонка и ректификация

Наиболее распространенным способом разделения однородных жидких смесей является перегонка – процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, образующийся пар отбирается и концентрируется. Разделение перегонкой основано на неодинаковой летучести компонентов смеси: все компоненты смеси при перегонке переходят в паровую фазу, но в различной степени – пропорционально летучести. В простейшем случае смесь состоит из двух компонентов, т.е. является бинарной. Полученный при ее перегонке пар подержит большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), а неиспарившаяся часть – большее количество труднолетучего или высококипящего компонента (ВК). Полученный отгон  называется дистиллятом, неперегнанная часть – кубовым остатком. Существуют два принципиально отличающихся друг от друга вида перегонки:

- простая (однократная);

- перегонка и ректификация.

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Используется для предварительного, «грубого» разделения жидкой смеси, компоненты которой сильно разнятся летучестями.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения и конденсации паров, осуществляемый в одном аппарате, иначе – многократно повторенный процесс простой перегонки. Процессы перегонки могут быть периодическими и непрерывными. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Процесс осуществляется в аппаратах колонного типа. Процессы перегонки и ректификации находят  широкое применение в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

 

 

1.4.Кристаллизация

 

Кристаллизацией называется выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т.д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается,  однако это приводит к образованию более мелких кристаллов и часто вызывает снижение движущей силы процесса. Крупные кристаллы легче получить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов,  однако, это снижает производительность процесса кристаллизации. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.