Массообменные процессы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………..3

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

2. Движущая сила массообменных процессов. ………………………………...9

3. Основное уравнение массопередачи………………………………………...11

Заключение……………………………………………………………………….14

Список литературы………………………………………………………………16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называют массообменными процессами. Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для  решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для  защиты окружающей природной среды, прежде всего, для очистки сточных  вод и отходящих газов.

В разделительном агрегате могут проводиться разнообразные  процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионообменные процессы и мембранное разделение. Кроме перечисленных  основных процессов разделения должны быть упомянуты и такие, как термодиффузия, зонная плавка и другие. В реферате мы  рассмотрим основные процессы массопередачи, а также их движущую силу и основное уравнение массопередачи.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

• для разделения жидких и газовых гомогенных смесей,
• для их концентрирования,
• для  защиты  окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

В пищевой и химической промышленности и в технологии очистки  газовых и жидких систем широко распространены,  и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Пищевые продукты и материалы  представляют собой сложные гетерогенные биологически активные системы, их массовлагообменные и термодинамические характеристики являются функцией химического состава, структура, параметров состояния (плотности, температуры, влажности и т. п.), они зависят от метода обработки, поэтому в технологических процессах изменяются в широких предела.

 

 

1. Массообменные процессы

 

 

Процессы  массообмена  -  процессы,  в которых основную  роль  играет  перенос вещества  из  одной  фазы  в  другую.  Движущая  сила  этих процессов – разность химических   потенциалов.   Как  и  в  любых  других  процессах,  движущая  сила массообмена  характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия.  В  пределах  данной  фазы вещество переносится от точки с большей к точке  с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую  силу  выражают  через  разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы подразделяют на:

• массопередачу  в системах  со  свободной границей  раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость),
• массопередачу  в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ - твердое тело, пар - твердое тело, жидкость - твердое тело),
• массопередачу через полупроницаемые перегородки (мембраны).

Классификация и общая  характеристика массообменных процессов:

1. Абсорбция

2. Перегонка и ректификация

3. Экстракция (жидкостная)

4. Адсорбция

5. Ионный обмен

6. Сушка

7. Растворение и экстрагирование  из твердых тел

8. Кристаллизация

9. Мембранные процессы

В пищевой отрасли широко применяются такие массообменные  процессы как сушка, кристаллизация, адсорбция, экстракция и ректификация. Рассмотрим их поподробнее.

Ректификация - процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции. Перегонка и ректификация - наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов, т.е. имеет место переход веществ из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процессы перегонки (дистилляции) и ректификации широко применяют при получении этилового спирта, в производстве ароматических веществ. Дистилляцией получают коньячный спирт, винный спирт, используемые в производстве коньяка, виски, бренди, рома и др. Перегонку используют для грубого разделения смесей, ректификацию - для наиболее полного их разделения. Эти процессы основаны на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, кипит при более низкой температуре, чем компонент, обладающий меньшей летучестью (труднолетучий). Поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами. В результате перегонки или ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

Экстракция - процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким экстрагентом. При экстракции происходит извлечение одного или нескольких веществ из растворов или твердых веществ с помощью растворителей. При экстракции в системе «жидкость - жидкость» имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу. Экстракцию широко применяют для извлечения ценных веществ из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов.

Абсорбцией - называют процесс поглощения газов или паров (абсортивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями - абсорбентами, т.е. имеет место переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применить его с целью получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паровых смесей (десорбция). В пищевой промышленности процессы абсорбции применяют для очистки отводящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов (например, в пивоваренной промышленности - утилизация диоксида углерода, образующегося при брожении пивного сусла). В различных пищевых технологиях, например, для очистки диффузионного сока и сахарных сиропов, осветления пива и фруктовых соков, очистки от органических примесей спирта, коньяка, водки и вин и др., используют процесс адсорбции. В пищевых производствах широко используются следующие адсорбенты: активные угли, силикагели (гели кремниевой кислоты), цеолиты, глины и др.

Адсорбцией - называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым пористым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процесс используется в тех производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечение того или иного вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.

Сушка - это удаление влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого материала в паровую или газовую фазу. Скорость его во многих случаях определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле.

В производстве многих пищевых  продуктов (молочных и фруктово-ягодных  консервов, колбасных изделий, рыботоваров, солода, пищеконцентратов и др.) сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. При производстве некоторых пищевых продуктов сушке может предшествовать частичное удаление свободной влаги из материалов другими методами, например, отжатием на прессах, центрифугированием, выпариванием с целью повышения концентрации сухих веществ (сгущение при производстве сухого молока). При выборе метода сушки необходимо учитывать то, что пищевые материалы обладают рядом отличительных свойств: низкой термостойкостью, склонностью к окислению и деструкции, склонностью к короблению и потере товарного вида, наличием активных биохимических (ферментов, заквасок микроорганизмов) и химически активных веществ. Поэтому необходимо применение комбинированных способов подвода теплоты, что позволяет наиболее рационально нагревать материал до температуры сушки. Рациональным является также применение комбинированных сушильных агрегатов (например, сочетание распылительной сушки с сушкой в псевдоожиженном слое).

Кристаллизация -  является одним из распространенных и наиболее эффективных методов получения вещества в чистом виде. При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристаллов различной геометрической формы, ограниченных плоскими гранями. При этом имеет место переход вещества из жидкой фазы в твердую в результате возникновения и роста кристаллов в растворе. В пищевой технологии выделение твердой фазы из растворов или расплавов в виде кристаллического продукта является завершающей стадией технологического процесса получения сахарозы, глюкозы, соли и других кристаллических продуктов. Кристаллизацию, как правило, проводят из водных растворов. При понижении температуры или удалении части растворителя уменьшается растворимость твердого вещества. Раствор становится пересыщенным, и твердое вещество выпадает из раствора в осадок.

Во  всех  перечисленных  выше  процессах  общим  является  переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.

Процесс  перехода  вещества  (или  нескольких  веществ) из одной  фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.

Перенос  вещества  внутри фазы - из фазы к границе раздела  фаз или наоборот – от границы  раздела  в  фазу  -  называют  массоотдачей  (по  аналогии  с процессом переноса теплоты внутри фазы - теплоотдачей).

Процессы  массопередачи  обычно  обратимы.  Причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия.

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом  компонентов из одной фазы в другую с целью их разделения.

Все массообменные процессы обладают рядом общих признаков.

1. Они применяются для разделения смесей.
2. В любом процессе участвуют, по крайней мере, две фазы: жидкая и паровая (перегонка и ректификация), жидкая и газовая (абсорбция), твердая и парогазовая (адсорбция), твердая и жидкая (адсорбция, экстракция), две жидких (экстракция).
3. Переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.
4. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций или градиент концентраций. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше.
5. Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз, на которой предполагается состояние равновесия фаз.
6. Диффузионные процессы обратимы, т.е. направление процесса определяется законами фазового равновесия.
7. Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

Состояние равновесия следует  понимать так, что обмен между  фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются.

 

 

2. Движущая сила массообменных процессов

 

 

Движущей силой массообменных процессов является разность между рабочей и равновесной концентрациями или наоборот. Это зависит от того, какая из указанных концентраций больше.

Движущей силой процесса переноса любого компонента из одной  фазы в другую является разность химических потенциалов этого компонента во взаимодействующих фазах. Перемещение  компонента происходит в направлении  уменьшения его химического потенциала. Поскольку химические потенциалы компонентов  неидеальных смесей являются сложными функциями состава, при анализе процессов массопередачи обычно рассматривают изменение не химических потенциалов, а концентраций компонентов. Это объясняется тем, что концентрации компонентов поддаются непосредственному определению и чаще всего рассматриваются как параметры состояния двух- и многокомпонентных систем. 
В массообмене участвуют в большинстве случаев три вещества: распределяющее вещество (G), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (L), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (М), которое переходит из одной фазы в другую. Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L, и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих системах. В качестве движущей силы процесса массопереноса компонента i из объема фазы к границе раздела или в обратном направлении принимается разность концентраций этого компонента на границе раздела фаз и в объеме рассматриваемой фазы. Так при десорбции, если концентрация компонента i в отдающей фазе равна xi, а в принимающей yi и на границе раздела фаз концентрации соответственно равны xi* и уi*, то движущая сила процесса переноса в отдающей фазе будет равна xi - xi*, а в принимающей уi* - y. Согласно правилу линейности, поток вещества можно представить так:

 

Gi= βx(x-xi*) = βy(yi *- yi ) ,      (1)

 

где βx и βy - коэффициенты массоотдачи, характеризующие кинетику переноса соответственно в отдающей и принимающей фазах.

Как следует из этого уравнения, поток любого компонента в отдающей и принимающей фазах одинаков. Коэффициенты массоотдачи определяют перенос рассматриваемого вещества в одной из фаз через единицу поверхности поперечного сечения при движущей силе, равной единице. 
Количество вещества, переносимое за время τ через единицу поверхности контакта фаз F, определяется выражениями: