post

Масообменни процеси – пренос на маса

плакат на междузвездни войни

Масообменни процеси се наричат тези, при които се наблюдава пренос на дадено количество вещество между две контактуващи среди и преминаването му от едната фаза в другата. Масопреносът се прилага в химическата индустрия, когато се разделят смеси от различни вещества. За целта се използват процесите на адсорбция, абсорбция и дифузия, дестилация и ректификация, екстракция и др.

Фазата е еднородна среда, която често се асоциира с агрегатните състояния, но не е задължително различните фази да са в различно агрегатно състояние. Например смес от вода и олио е течност, но с две отделни ясно отличими фази. Веществата, които съставят дадена фаза се наричат нейни компоненти.

Осъществяването на различните видове масообменни процеси често става с помощта на дифузия или осмоза. Дифузията предствалява самоволно движение на частиците от място с висока тяхна концентрация към място с ниска. Класически пример е наливането на солена вода в сладка, като при това йоните на солта се разпределят равномерно в целия обем на разтворителя.

Ако между солената и сладката вода обаче, се постави полупропусклива мембрана, тогава ще се наблюдава процесът осмоза. При него водните молекули от сладката вода се насочват през мембраната към соления разтвор, за да намалят концентрацията на разтворените частици. Осмотично налягане е това, което спира процеса и се изразява като разлика между хидростатичните налягания от двете страни на мембраната.

Обратната осмоза се използва за получаване на питейна вода от морската. При нея под налягане водните молекули мигрират обратно през мембраната, където солевата концентрация е пренебрежимо малка.

Класификация на основните масообменни процеси

Всички масообменни процеси в химичната инженерна практика могат да се разделят на две главни групи според начина, по който фазите контактуват.

Първите са масообменни процеси с подвижна междуфазна повърхност, които се базират на контакта флуид – флуид. Такива са:

  1. абсорбционните процеси
  2. дестилацията и ректификацията
  3. екстракцията на две несмесващи се течности

Вторите са масообменни процеси между твърда фаза и флуид. Такива са:

  1. разтварянето и противоположната му кристализация
  2. адсорбция, йонообмен, сушене, твърдо-течна екстракция

Примери за масообменни процеси в химичното инженерство

устройство на скрубер за пречистване на газове чрез абсорбция, масообменни процеси

устройство на скрубер за пречистване на газове чрез абсорбция

Първият пример за използване на масообменни процеси в химическата промишленост е пречистването на отработените газове от производството. За целта се употребяват специални апарати наречени скрубери (колони с пълнеж). Те представлят вид големи филтри, в които противотоково на замърсения газ се впръсква течност, която абсорбира замърсителя при контакта си с газа.

Течността може да е само вода ако целта е единствено обезпрашаване. Но в случай, че промишлените газове съдържат и други съставки (напр. серен диоксид), то флуидът, който се впръсква, трябва да съдържа вещество, което да свързва химикалите в промишления газ (за конкретния пример – натриев карбонат).

След това течността се обтича под формата на тънък слой върху пълнежа на скрубера. Точно там газовите замърсители влизат в контакт с нея и преминават чрез дифузия в разтвора, където реагират с веществата в него. Така замърсителят бива абсорбиран във флуида.

Друг начин да се отстранят замърсяващите газове е като се използва подходящ адсорбент, който да адсорбира вредните газове. Подходящи за целта устройства са сорбционните филтри с пълнеж от активен въглен. При въздух замърсен с хлор например, газът се прекарва през пълнежа, където в порите на въглена активните центрове в структурата му задържат хлорните молекули. При процеса адсорбентът се насища и затова редовно трябва да се подлага на десорбция. Адсорбенти могат да бъдат множество вещества като силикагел, природни глини и други.

Извличането на ценни етерични масла също става посредством масообменни процеси. Накои от методите използват дестилация в апаратура много наподобяваща казаните за варене на ракия. В други се употребява шнеков апарат, който представлява модерна версия на Архимедов винт. В него се придвижва растителната суровина (тв.фаза), като срещу нея се подава подходящ разтворител за етеричните масла. Той навлиза в растителните структури и извлича ценната суровина от твърдата фаза. Процесът в този случай представлява твърдо-течна екстракция.

Дифузия и закон на Фик

Дифузията е явление, което може да се наблюдава при твърдите тела, течностите и газовете, когато между тях съществува контактна повърхност. Понякога тя е много бавен процес, но често пъти при флуидите се наблюдава ясно в кратки периоди от време.

явлението дифузия е в основата на множество масообменни процеси

явлението дифузия е в основата на множество масообменни процеси

В горния пример със солената вода дифузионния процес не може да бъде видян. Но ако в съд с вода се капне водоразтворима боя, тогава може да се придобие визуална представа за явлението. Дифузията е резултат от хаотичното топлинно движение на частиците и продължава докато смесващите се флуиди (компоненти) достигнат до равновесие, т.е. придобият хомогенна концентрация във всички точки от обема на разтвора. Движението е винаги в посока, в която дадените частици имат по-малка концентрация.

Ако две цилиндрични тела с напречно сечение S, които съдържат съответно флуидите А и В, се съединят хоризонтално без преграда помежду им, тогава двата флуида ще започнат да се смесват. По време на дифузията, количеството на частиците (концентрация С – масова или моларна) на всеки от флуидите ще е най-голямо в края на собствения му цилиндър и ще намалява в посока другия.

Адолф Фик опитно установява, че масата газ dM, която преминава за време dt през сечението на цилиндричното тяло е правопропорционална на градиента на концентрацията по оста х. Изразът за тази зависимост се нарича в негова чест Закон на Фик:

dMA = -DA.mA.\(\frac{dC}{dx}\).S.dt

Коефициентът на дифузия D е различен различните флуиди и зависи няколко различни параметри. Отрицателният знак пред него означава, че движението е в посока противоположна на градиента, т.е. от област с по-висока концентрация към такава с по-ниска.

 Пренос на вещество в системата флуид-флуид

Преносът на вещество от една фаза в друга е процес, който се състои от три стадия. За системата флуид-флуид те са:

  1. Пренос от вътрешността на първия флуид към междуфазната граница.
  2. Пренос през междуфазната повърхност.
  3. Пренос от междуфазната повърхност към вътрешността на втората фаза.

Според ципестата теория на Люис-Уитман, около междуфазната повърхност се образуват два много тънки слоя наречени ципи, в които е съсредоточено главното съпротивление на преноса на вещества през граничната повърхност. В тези ципи всички масообменни процеси протичат чрез молекулярна дифузия. На междуфазната граница възниква равновесие в концентрациите на компонента, който се пренася. Неговият дифузионен поток е право пропорционален на разликата в концентрациите от двете страни и обратно пропорционален на дебелината на ципата.

Апаратите, които се използват за масообменни процеси в системата флуид-флуид могат да се разделят на две големи групи:

  1. Апарати с непрекъснат контакт на фазите (пълнежни и барботажни колони).
  2. Апарати със стъпален контакт, в които взаимодействието се осъществява на отделни стъпала (тарелкови колони).

За първия тип апарати е важно пълнежът да притежава по-голяма специфична повърхност и по-голям свободен обем. Апаратите със стъпален контакт обикновено са направени със звънчеви, ситовидни или клапанни тарелки. Те притежават различни предимства, но техен недостатък е невъзможността да се достигне до висока скорост на движение на двата флуида в контактните елементи (звънци, клапани и отвори). За решаване на този проблем се използват апарати с правотокови контактни елементи.

Пренос на вещество в системата твърдо тяло-флуид

Твърдите тела могат да се разделят на два вида:

  1. Монолитни твърди тела, при които всички масообменни процеси се осъществяват на повърхността.
  2. Порьозни твърди тела, в които масообменните процеси се осъществяват на повърхността и във вътрешността на тялото.

Всеки процес на масопренос между порьозно тяло и флуид също може да се раздели на три стадия:

  1. Пренос на вещество от вътрешността на флуида към граничната повърхност с порьозното тяло или обратно.
  2. Пренос на вещество от повърхността на порьозното тяло към вътрешността в порите му или обратно.
  3. Пренос на вещество от порите на порьозното тяло в самата твърда фаза.

Адсорбция и адсорбери

Най-простият начин за осъществяване на процеса на адсорбция е в периодични апарати с неподвижен слой адсорбент (вертикален адсорбер и пръстеновиден адсорбер). В тях процесът периодично трябва да се спира, за да се очиства адсорбента чрез десорбция. Непрекъснат режим на работа с адсорбери може да бъде постигнат с помощта на движещ се адсорбционен слой. Адсорбцията е възможно да се осъществи и в апарати с тарелки с кипящ слой, в който адсорбентът е във флуидно състояние.

Екстракция от твърди материали

Процесът на екстракция (извличане) може да бъде разделен на няколко последователни фази:

  1. Проникване на екстрагента (разтворителя) във вътрешността на твърдите частици.
  2. Разтваряне на извличаното вещество в разтворителя.
  3. Дифузия към повърхността на твърдото тяло.
  4. Отвеждане на разтвора.

Най-простият вид екстрактор е този с периодично действие и неподвижен слой от твърди частици. Друг тип апарати са тези, в които се образува суспензия, която се разбърква. Третият тип са шнековите апарати, при които екстрагента и твърдата фаза се движат противотоково.

Сушене

Процесът на сушене е един от най-често срещаните в химичната индустрия. За целта се използват сушилни, чието предназначение е да отстраняват влагата от твърдите тела с помощта на топлина. Пример за това са сушилните използвани при производството на керамика и керамични изделия.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *