1. Общие сведения
383
кую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обратный кристаллизации. Извлечение на основе избирательной растворимости одного или нескольких компонентов из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого или выщелачиванием.
Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Как известно, при теплопередаче обменивающиеся теплом среды в большинстве случаев разделены твердой стенкой, в то время как массопередача происходит обычно через границу раздела соприка- ‘ сающихся фаз. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ—жидкость или пар—жидкость, жидкость—жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).
Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной из фаз, называется м а с с о - отдачей.
Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно находится только в одной фазе, другое — только во второй фазе, а третье — переходит из одной фазы в другую и представляет собой распределяемое между фазами вещество. Первое и второе вещества являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воздухом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества — аммиака.
К Другой группе относятся процессы (например, перегонка), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в мзссопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.
Скорость массообменных процессов, как правило, лимитируется молекулярной диффузией (см. ниже). Поэтому процессы массопередачи иногда называют диффузионными процессами.
Для массообменных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе; Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов распределяемого .вещества. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, и в расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций подобно тому, как в процессах теплопереноса ее выражают разностью температур. Расчетные выражения движущей силы не одинаковы для процессов массоотдачи и массопередачи и будут рассмотрены ниже для каждого из этих процессов.
Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальные ее компоненты. Эти процессы большей частью обратимы, т. е. могут протекать в противоположных направлениях в зависимости от температуры, давления и других условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия.
Способы выражения состава фаз.. Обычно количественный состав фаз выражают:
в объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или за единицу количества вещества 1 моль\ объемная концентрация представляет собой число килограммов (или киломолей) данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (в кг!м3 или кмоль[мъ)\
384 Гл. X. Основы массопередачи в весовых или мольных долях, представляющих собой отношение массы (или количества) данного компонента к массе (или количеству) всей фазы; в относительных концентрация х, т. е. в виде отношения массы (или количества) данного компонента, являющегося распределяемым веществом, к массе (или количеству) компонента-носителя, количество которого остается постоянным в процессе массопередачи. Пересчет составов из одних единиц измерения в другие приводится ниже. Весовые и мольные доли. Пусть имеется смесь, состоящая из компонентов А, В, ..., К, . . ., Ы, весовые доли (или весовые проценты) которых в смеси хА, хв, . . ., хк, . . ., Хд, и мольные массы (кг/кмоль) равны МА, Мв, . . ., Мк, . . .* Мц. Число молей любого компонента, например компонента К, приходящееся на 1 кг смеси, составляет хк/Мк. Соответственно содержание этого компонента в смеси (в мол. долях) х к хк!мк _ хк/мк (Х,1) X ^ '1 *■ ~1 *■ ~щ АяД ~м Для обратного пересчета выразим весовые доли х компонентов через мольные доли х. Массы отдельных компонентов, содержащихся в 1 кмоль смеси, составляют МА, хА, Мвхв Мкхк, . . ., М[^хы, а общая масса 1 кмоль смеси: маха + мвхв т Ь Мкхк + (- М„хы = ^ Мх Соответственно весовая доля К-то компонента: Мкхи <*•*> Для двух компонентной (бинарной) смеси, состоящей из компонентов А к В, выражения (Х,1) и (Х,2) упрощаются. Если весовая доля одного из компонентов (например, компонента А) равна хА, его мольная доля хА и мольная масса МА, то содержание другого компонента (с мольной массой Мв) будет (1 — ха) или (I — хА) соответственно. Поэтому мольный состав смеси (по компоненту А) ХЛ = МА ^ Мв и ее весовой состав по тому же компоненту МАХА маха + мв(1-ха) (Х.4) Объемная концентрация и весовые доли. Обозначим объемные концентрации компонентов в смеси через сА, св, сы кг/м3. Сумма сА + св +•••+%+■••+ Сд, представляет собой массу смеси в 1 м3 ее объема, или плотность р смеси. Соответственно весовая доля любого (например, /С-го) компонента выражается через его объемную концентрацию ск следующим образом: хК-~ <Х.5> Относительные концентрации, весовые и мольные доли. Пусть X и У выражают относительные весовые концентрации распределяемого компонента во взаимодействующих фазах Фх и Фу соответственно, т. е. коли (Х,3)
2. Равновесие при массопередаче 385 чества его, приходящиеся на один килограмм носителя в каждой фазе. Например, если аммиак (распределяемый компонент) поглощается водой из его смеси с воздухом, то относительная концентрация ИНд составляет: в жидкой фазе X кг!кг Н20, в газовой фазе У кг!кг воздуха. Такое выражение состава фаз в некоторых расчетах (например, при составлении материальных балансов) удобнее других, так как содержание компонента относится к количеству носителя, неизменному в процессе массопередачи. Общая масса фазы, состоящей из распределяемого компонента и 1 кг носителя, при таком выражении концентрации равна (1 + -X) кг (жидкая фаза) и (1 + У) кг (газовая или паровая фаза). Соответственно весовые концентрации х и у распределяемого компо- нента в фазах: х - V V = :—г=г (х-6) 1 + X 1 + У откуда X = —у = (Х,7) 1 — х 1—у Для многокомпонентных смесей весовые концентрации компонентов определяются по уравнениям: »«■ 1 + %х 1 + £к где 2 X и 2 У — сумма относительных весовых концентраций всех компонентов смеси (кроме носителя) в фазах Фх и Фу. Зависимости, идентичные уравнениям (Х,6) и (Х,7), получаются при выражении относительных концентраций че'рез киломоли распределяемого компонента и носителя, а содержания распределяемого компонента в фазах — через мольные доли (х, у). При этом отметим, что в случае малых концентраций распределяемого компонента относительные мольные концентрации и мольные доли практически совпадают друг с другом. В случае выражения концентраций распределяемого компонента в мольных долях его относительные весовые концентрации определяются из следующих зависимостей: X = у = Му Л*н(1—X) Мн (1—1/) ^ где М и /VIа — мольные массы распределяемого компонента и носителя, кг. Парциальные давления. Состав газовых смесей часто выражают через парциальные давления компонентов, пропорциональные концентрациям последних и не зависящие от температуры газа. Соотношения между парциальным давлением компонента и некоторыми выражениями его концентрации приведены в главе XI.---= (Х,6а)