Массообменные процессы

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ АБСОРБЦИЯ Абсорбция – поглощение газов или паров жидкостями-поглотителями, называемыми абсорбентами. В большинстве случаев этот процесс носит обратимый характер, т.е. например, при нагревании можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называется десорбцией. Равновесие при абсорбции. Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью жидкости. В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе «газ-жидкость», используется закон Генри: при данной температуре концентрация газа в растворе пропорциональна парциальному давлению газа над раствором: где р – парциальное давление газа над раствором; х – концентрация газа в растворе; Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), который зависит от природы растворяющегося вещества и температуры и не зависит от давления. Для идеальных растворов зависимость равновесных концентраций от давления (р-х) изображается прямой линией. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен Е. С повышением температуры Е увеличивается, что ведет к уменьшению растворимости газа в жидкости. Снижение общего давления уменьшает парциальное давление компонентов, что соответствует закону Дальтона: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений, составляющих смесь компонентов: Из закона Дальтона следует, что парциальное давление компонента пропорционально общему давлению и его концентрации: Подставив последнее выражение в закон Генри, получим: или Где n – коэффициент распределения или константа фазового равновесия Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности. Процесс абсорбции подчиняется уравнению массопередачи: Коэффициенты массопередачи определяются: Для газовой фазы Для жидкой фазы где - коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; - коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости. Для хорошо растворимых газов n мало и тогда можно принять Для плохо растворимых газов Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность контакта фаз между газом и жидкостью. В пищевой промышленности применяют насадочные абсорберы (скрубберы) и тарельчатые. Схемы абсорбции бывают прямоточные и противоточные. Расчет абсорберов заключается в определении расхода абсорбента, диаметра и высоты абсорбера ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ Перегонка или дистилляция - процесс разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или на фракции различного состава. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называют легколетучим. Он кипит при более низкой температуре (низкокипящий компонент - НК). Компонент, обладающий меньшей летучестью (труднолетучий), кипит при более высокой температуре (высококипящий компонент - ВК). Существует 2 вида перегонки: 1)простая перегонка (дистилляция). Простую перегонку осуществляют путем однократного частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучим (низкокипящим) компонентом, а остаток жидкости - менее летучим (высококипящим). 2)ректификация – процесс многократного испарения жидкости и конденсации паров. Простая перегонка, которая делится на: а) периодическая б) периодическая с дефлегмацией в) молекулярная г) перегонка с водяным паром или инертным газом Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе, образующиеся при этом пары отводятся и конденсируются. Если перегонка проводится периодически, то с течением времени уменьшается содержание НК компонента как в кубовом остатке, так и в дистилляте. Поэтому, как правило, отбирают несколько фракций дистиллята. Называют её фракционной или дробной перегонкой (рис.1). Рис. 1 Схема фракционной перегонки 1.перегонный куб 2.конденсатор- холодильник 3.смотровой фонарь 4.сборники дистиллята При перегонке с дефлегмацией в верхней части перегонного куба устанавливают дефлегматор с водяным охлаждением, в котором часть НК компонента конденсируется и движется вниз навстречу потоку паров, содержащих смесь НК+ВК, при этом ВК компонент переходит в жидкостную фазу, а НК в паровую. Используется для понижения температуры кипения разделяемой смеси (например, если компонент разрушается при температуре кипения). Если компоненты исходной смеси не растворимы в воде, то её используют в качестве дополнительного компонента и вводят в куб в виде острого пара (рис.2). Следует отметить, что температура кипения смеси должна быть ниже температуры кипения воды при данном давлении. Так, при давлении 1 атм температура перегонки будет ниже 1000С. При этом выделяемое вещество отгоняется в виде азеотропной смеси с водой, t кипения смеси ниже t кипения каждого из компонентов. Так, например, скипидар, имеющий t кипения 1600С, будет перегоняться с водяным паром при t=95,50С. Рис. 2 Схема перегонки с водяным паром   1.куб с паровой рубашкой 2.барботер острого пара 3.конденсатор- холодильник 4.смотровой фонарь 5.сепаратор Исходная смесь загружается в куб 1, обогреваемый глухим паром через рубашку. Внутрь через барботер 2 подается острый пар. Пары, образующихся при испарении смеси, направляются в холодильник-конденсатор 3. образующийся здесь конденсат через смотровой фонарь 4 поступает на разделение в сепаратор 5. снизу через гидравлический затвор удаляется, например вода, а сверху отогнанный не растворимый в воде более легкий компонент. Для снижения расхода острого пара нагрев куба осуществляют глухим паром (до температуры кипения). Расход водяного пара можно найти из соотношения: , Где - коэффициент насыщения, =0,5-0,9, учитывает степень насыщения пара извлекаемым компонентом. - упругость паров чистых отгоняемого компонента и воды при t кипения - молекулярные веса НК компонента и воды.  Ректификация — это процесс разделения жидких смесей на дистиллят и кубовой остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости и пара. Процесс ректификации может осуществляться в периодическом или непрерывном режиме при различном давлении: в вакууме (для разделения смесей высококипящих веществ), при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное. Ректификационная установка непрерывного действия. Схема такой установки приведена на рис. 3. Внутри ректификационной колонны 2 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 4 и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава, т. е. на верхнюю тарелку нижней, исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из куба- испарителя 3. На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации — частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба-испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре 1. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом. Отношение расхода флегмы к расходу дистиллята называется флегмовым числом R. Из куба-испарителя отводят нижний продукт или кубо­вой остаток. Выбор рабочего флегмового числа часто проводят приближенно по уравнению R= , где — коэффициент избытка флегмы ( = 1,1 – 1,4). В ректификационных установках применяют аппараты следующих типов: тарельчатые, пленочные и насадочные колонны. Рис. 3. Схема ректификационной установки непрерывного действия. 1 — дефлегматор; 2 — колонна; 3 — куб-испаритель; 4 — теплообменник для подогрева исходной смеси АДСОРБЦИЯ Процесс самопроизвольного концентрирования газов или растворенных веществ на поверхности раздела фаз называют адсорбцией. Еще в 1785 г русский ученый Т.Е. Ловиц открыл способность угля поглощать растворенное вещество. С тех пор изучению явлений адсорбции было посвящено много работ, среди которых первостепенное значение имеют работы русских ученых: академика Н.Д.Зелинского, предложившего уголь в качестве универсального средства защиты от газообразных отравляющих веществ; М.С.Цвета, разработавшего хроматографический метод разделения веществ по их адсорбционной способности; академика К.К. Гедройца, создавшего учение о поглотительной способности почв; академика М.М. Думанского, разработавшего методику получения активных адсорбентов. Очень много для разработки теории и практики адсорбции сделали зарубежные ученые Гиббс, Ленгмюр, Фрейндлих, Поляни, Бранауэр и др. Адсорбция является следствием снижения ненасыщенности молекулярных, атомных или ионных сил на поверхности раздела фаз и обусловлена накоплением вещества, снижающего свободную поверхностную энергию. Адсорбция – процесс самопроизвольный, т.к. в результате процесса адсорбции происходит уменьшение свободной поверхностной энергии, а по второму закону термодинамики такие процессы являются самопроизвольными. Вещества, которые адсорбируются, называют адсорбатами (иногда - адсорбтивами), а вещества, которые адсорбируют на своей поверхности - адсорбентами. В зависимости от характера сил, действующих между частицами (молекулы, атомы, ионы) адсорбата и адсорбента, различают физическую или ван-дер-ваальсову адсорбцию и химическую или хемосорбцию. Природу адсорбции можно установить, исследовав её кинетику и энергетику. Действительно, физическая адсорбция происходит под влиянием относительно слабых межмолекулярных сил сцепления (сил Ван-дер-Ваальса) и по своей природе аналогична процессам конденсации паров адсорбата, теплота её близка к теплотам конденсации и составляет 10 - 50 кДж/моль. Поэтому при увеличении температуры физическая адсорбция уменьшается. Хемосорбция связана с перекрыванием электронных орбиталей частиц адсорбата и адсорбента, т.е. вызывается их химическим взаимодействием, не приводящим, однако, к образованию объемной фазы. Теплота хемосорбции соизмерима с теплотами химических реакций и составляет обычно 60 - 600 кДж/моль. Химическая адсорбция с увеличением температуры увеличивается. Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности адсорбента. Поэтому адсорбенты обладают развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле. Адсорбенты характеризуются поглотительной способностью (активностью), определяемой количеством вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента. К наиболее распространенным адсорбентам относятся: 1) Активированный уголь. Его получают сухой перегонкой дерева с последующим прокаливанием при температуре около 900°С. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600-1700 м2. Размеры гранул от 1 до 5 мм. Недостаток – небольшая механическая прочность. В ликеро-водочном производстве его применяют для извлечения альдегидов, кетонов, сложных эфиров, сивушных масел. Используют для обесцвечивания сахарных сиропов, коньяков, вин, соков. 2) Силикагели. Получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Размер гранул от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400-770 м2. Используют для осушки воздуха, осветления пива и соков. 3) Цеолиты – пористые водные алюмосиликаты природного или синтетического происхождения. Чаще используют синтетические цеолиты. Размер пор цеолитов сравним с размерами молекул. Такие цеолиты называют молекулярными ситами. Гранулы имеют размеры 2-5 мм. Применяют для глубокой осушки газов и жидкостей. Для концентрирования соков. 4) Иониты – природные и синтетические адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Синтетические иониты называют ионообменными смолами. Используют для обесцвечивания сахарных сиропов. Природные иониты (глины): бентонит, диатомит, каолин используют для осветления вин, пива, соков. Поверхность 1 г глин 20-100 м2, радиус пор 3-10 мкм. Количество вещества, поглощенного сорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе и от температуры. Для изотермических процессов условие равновесия для адсорбции принимает вид уравнения Фрейнлиха: где K и n – константы для данных веществ и температуры. Их находят графически. ЭКСТРАКЦИЯ Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Если вещество извлекается из жидких систем, то процесс называется жидкостной экстакцией. В пищевых производствах экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения (семена масличных культур, сахарная свекла и др.). В общем виде процесс экстрагирования растительного сырья можно разбить на 4 стадии: 1) Проникновение экстрагента в поры растительного сырья; 2) Растворение извлекаемого вещества экстрагентом; 3) Диффузионный перенос извлекаемого вещества к поверхности сырья; 4) Перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкую фазу – экстрагент. Расчет процессов экстрагирования выполняют исходя из основного уравнения массопередачи. Количество извлекаемого вещества М зависит от скорости внутренней диффузии и определяется по уравнению: , где Dвн – коэффициент внутренней «стесненной» диффузии, м2/с; L –определяющий размер (например, толщина стружки), м; F – суммарная поверхность сырья, м2; ∆С – разность между средней концентрацией вещества внутри стружки и средней концентрацией вещества в растворе, окружающем стружку, кг/м3; τ – продолжительность процесса, с. Процесс жидкостной экстракции основан на распределении извлекаемого вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения: . После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в перерабатываемом растворе. После экстракции раствор и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя.