Массовый, мольный и объемный состав

Часть

Разработала

канд. техн. наук, доц.                                        ___________ Р.Р.Ибрагимова

                                                                             (подпись, дата)

Уфа 2018

Рекомендуемая литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 14-е изд. (перепечатано с 9-го изд. 1973 г.).- М.:Альянс, 2008.-750с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 14 изд. (перепеч. с изд. 1987 г.), -М.:Альянс, 2007.-576с.

3.Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра-Бизнесцентр, 2000, 677 с.

4 Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. – М., Химия, 1980, 408 с.

5. Сугак А.А, Процессы и аппараты химической технологии / А.В.Сугак, В.К.Леонтьев, В.В.Туркин.- М.: Издательский центр «Академия», 2005.- 224с.

Основные понятия и законы массообмена

Общие признаки массообменных процессов

       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 гомогенных 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.

Классификация массообменных процессов

Ректификация- процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

       Абсорбция – процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем – абсорбентом.

Экстракция- процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким экстрагентом.

       Адсорбция – процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем – адсорбентом.

       Сушка – процесс удаления жидкости (влаги) из твердых материалов

    Мембранные процессы – избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки- мембраны.

.

Основное уравнение массопередачи

Известны два вида переноса вещества – молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях.

       Конвективная диффузия протекает в турбулентных средах.

Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса D, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF . Следовательно:

                                                     ( 4 )

где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей)

       Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице.

       Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы.

1.4. Правило фаз Гиббса, применение к процессам массообмена

При равновесии во всех частях системы должны быть постоянными давление и температура, в противном случае будут протекать процессы массо- и теплообмена.

Для равновесных систем выполняется правило фаз Гиббса, которое устанавливает зависимость числа степеней свободы (N)

N=К+2-Ф                                                      (5)

где N -число степеней свободы системы; К - число компонентов; Ф - число фаз.

Число степеней свободы системы - это число независимых переменных (температура, давление, концентрация компонентов), которые можно произвольно в определенных пределах изменять, не изменяя равновесие системы.

 Если система находится в равновесии то N = 0 , если нет, то N > 0

В равновесной системе (N = 0) число сосуществующих фаз не может быть более Ф=К+2.

Для двухфазных систем, число степеней свободы системы равно числу компонентов (N = К). В основном в курсе далее будут рассмотрены двухфазные системы.

Бинарная смесь К=2, N=2, можно изменять температуру и концентрации, при постоянном внешнем давлении. В аппарате должен быть градиент t и x при постоянном π.(внутреннем давлении).

Для много компонентных систем (нефть) К→∞ и N→∞, Поэтому для многокомпонентных систем (характерных для нефтепереработки) число степеней свободы может быть весьма велико.

Массовый, мольный и объемный состав

Массовая доля компонента определяется отношением массы данного компонента к массе всей смеси 

                                                 ( 1 )

Учитывая, что суммарная масса смеси равна сумме масс отдельных компонентов смеси т.е.

                                         ( 2 )

можно написать

                                        ( 3 )

т.е. сумма массовых долей всех компонентов смеси равна единице

Мольная доля какого - либо компонента смеси определяется как отношение числа молей данного компонента к общему числу молей смеси

                                          ( 4 )

где N_i число молей, определяется по следующему соотношению:

                                                    ( 5 )

                                      ( 6 )

Объемная доля компонента в смеси равна отношению объема данного компонента к объему всей смеси

                                                ( 7 )

                                        ( 8 )

       Объемные доли применяют в тех случаях, когда при смешении не происходит изменения объема компонентов.

Для взаимного пересчета массовых и мольных долей используют следующие соотношения:

                                           ( 9 )

                                           ( 10 )

При пересчете объемных концентраций в массовые или мольные (например, при пересчете кривых разгонки, построенных в объемных долях) пользуются соответствующими формулами расчета:

                                               (11)

где ρ_см - средняя плотность смеси.

Ректификация