Модуль 8. Массообменные процессы с участием твердой фазы

К группе массообменных процессов с участием твердой фазы относятся сушка, адсорбция, кристаллизация и ионный обмен.

Сушка – процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазу. Применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.

Кристаллизация – процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затвердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава).

Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.

Растворение и экстрагирование (выщелачивание) – извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества из твердого пористого материала. Применяют для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.

Особенностью всех перечисленных процессов является нестационарность процесса и многообразие элементарных механизмов массопередачи в твердом теле. При данном типе массообмена перенос массы во внешней фазе (жидкость, газ, пар) осуществляется конвективной и молекулярной диффузией, а в твердой фазе механизм переноса обусловлен многообразием твердых пористых материалов. Элементарные виды переноса в твердом пористом материале: молекулярная и конвективная диффузии.

Молекулярная диффузия вещества в матрице твердого тела – обмен местами атомов с вакантными узлами кристаллической решетки либо обмен местами двух соседних атомов. Молекулярная диффузия может быть свободной и кнудсеновской. Свободная диффузия молекул в капиллярах возникает в достаточно широких порах, радиус которых больше длины свободного пробега молекул. Стесненная, или кнудсеновская, диффузия возникает в случае, когда движение молекул определяется столкновениями со стенками пор.

Наряду со свободной и стесненной диффузией в объеме пор существует и диффузионный поток по их поверхности – термодиффузия, поскольку молекулы и в адсорбированном состоянии находятся в тепловом движении. Термодиффузия описывается законом Фика:

, (8.1)

где D – коэффициент эффективной диффузии, коэффициент массопроводности (справочная величина), м²/с.

Конвективная диффузия вещества в каналах возникает под действием разности температур и давлений по длине поры. Конвективный перенос возникает, когда длина свободного пробега молекул значительно меньше радиуса поры.