План

1. Класифікація масообмінних процесів.

2. Способи виразу складу та рівновага фаз.

1. Класифікація масообмінних процесів.

Масообмінними називаються процеси, швидкість протікання яких визначається швидкістю перенесення речовини (маси) з однієї фази в іншу конвективною чи молекулярною дифузією. Класифікацію масообмінних процесів доцільно проводити за такими ознаками: агрегатним станом, способом контакту і характером взаємодії фаз.

Масопередача має місце в процесах абсорбції, перегонки і ректифікації, екстракції, адсорбції, кристалізації, сушіння та ін.

При абсорбції проходить селективне поглинання газів чи парів рідкими поглиначами – абсорбентами, тобто відбувається перехід речовини з газової чи парової фази в рідку.

При перегонці і ректифікації рідка суміш розділяється на складові компоненти. При цьому проходить перехід речовини з рідкої фази в парову і з парової в рідку.

При екстракції проходить добування однієї чи декількох речовин з розчинів чи твердих речовин за допомогою розчинників. При екстракції в системі рідина – рідина відбувається перехід речовини з однієї рідкої фази в іншу. Процеси добування речовин з твердого тіла за допомогою розчинника називається вилуджуванням, при цьому проходить перехід речовини з твердої фази в рідку.

Процес адсорбції полягає у поглинанні газів або парів чи розчинених в рідинах речовин твердим поглиначем – адсорбентом, здатним поглинати один чи декілька компонентів з їх суміші.

При сушінні відбувається видалення вологи з твердих чи рідких вологих матеріалів випаровуванням. У цьому процесі має місце перехід вологи в парову чи газову фазу.

За способом контакту між фазами процеси можуть бути розділені на: здійснювані безпосереднім контактом фаз, контактом через мембрани і здійснювані без границі розділу фаз.

Кристалізація – процес, при якому проходить перехід речовини з рідкої фази в тверду в результаті виникнення і росту кристалів у розчині.

Класифікація за видом фаз.

Газ – рідина. Якщо одні і ті ж компоненти містяться в кожній з цих фаз, але в умовах рівноваги співвідношення цих компонентів в кожній фаз різне (перегонка, ректифікація).

Газ – тверде тіло. Перехід з твердого стану в газоподібний, минаючи рідку фазу, називається сублімацією. Перехід газу в тверде тіло (адсорбція, сушіння) – з твердого тіла рідина під дією температури переходить у парогазову фазу і видаляється.

Рідина – рідина. Розділення в цій системі має місце у випадку, коли в контакт вступають дві нерозчинні одна в одній рідини, кожна з яких містить в умові рівноваги в різних співвідношеннях компонент, який потрібно виділити (екстрація).

Рідина – тверде тіло. Перенесення речовини з рідкої фази в тверду має місце в адсорбції та іонному обміні, твердої фази в рідку – екстрагування в системі тверде тіло – рідина.

Газ – газ і тверде тіло – тверде тіло практично не використовуються.

Способи взаємодії фаз залежать, перш за все, від того, чи є процес періодичним чи безперервним. При періодичному процесі зміна концентрацій кожної з фаз розглядається лише в часі, при безперервному – зміну концентрації фаз можна розглядати як в часі, так і по довжині апарата.

Безперервні масообміні процеси діляться на прямотечійні, протитечійні, змішувані і комбіновані.

Процеси можуть бути стаціонарними і нестаціонарними. При стаціонарних процесах концентрації в кожній точці апарата весь час залишаються незмінними, а по довжині апарата відбувається їх зміна за певним законом. Для стаціонарності процесу необхідна постійність складу і фізичних властивостей продуктів, що надходять в апарат, а також температур і інших зовнішніх факторів, які забезпечують протікання процесу в апараті.

Нестаціонарний процес характеризується зміною концентрацій в кожній точці апарата по мірі протікання. Всі періодичні процеси є нестаціонарними.

2. Способи виразу складу та рівновага фаз.

Кількісно склади фаз можуть виражатись в масових, мольних, об'ємних концентраціях.

Масова концентрація – відношення маси компонента до маси всієї суміші:

де М – маса і-го компонента.

При цьому: .

Масову концентрацію без твердої фази іноді позначають а або x в рідкій і в або у – в газоподібній фазі.

Мольна концентрація – відношення числа молей компонента в одній фазі до загального числа молей цієї фази.

де N - кількість молів і-го компонента в фазі.

Об’ємна масова концентрація виражається кількістю кілограмів даного компонента, що міситься в фази:

де V – об’єм, який займає і-тий компонент;
n - кількість компонентів.

Об’ємна мольна концентрація – відношення числа молей даного компонента до всього об’єму суміші:

Відносна масова концентрація – відношення маси компонента до маси компонента – носія, кількість якого не змінюється у процесі:

Відповідно відносна мольна концентрація – відношення числа молей тих самих компонентів.

Основною умовою протікання масообмінного процесу є порушення рівноваги між фазами, яке може відбутись у разі зміни температури, тиску або складу хоча б однієї із фаз. Процес при цьому буде йти до тих пір, поки знову не встановиться рівновага.

У стані рівноваги кожній концентрації будь-якого компонента (крім носія) в одній фазі відповідає строго відповідна концентрація того ж компонента в іншій фазі:

де C1 – концентрація компонента в одній фазі;
C1*- рівноважна концентрація цього ж компонента в другій фазі.

Стан рівноваги підпорядковується правилу фаз Гіббса, у відповідності з яким число ступенів свободи рівноважної термодинамічної системи, на яку із зовнішніх факторів діють лише температура і тиск, рівне числу компонентів К мінус число фаз +2

Під числом степенів свободи розуміють число незалежних змінних – температури, тиску, концентрації, при будь-яких значеннях в яких можлива термодинамічна рівновага в системі із Ф однорідних фаз і К різних компонентів.

Найзручніше представляти співвідношення параметрів в умовах рівноваги у вигляді графіків.