книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1

Г л а в а 6

ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ. АБСОРБЦИЯ

ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. Способы выражения состава фаз двухкомпонентных систем

ношения, но с заменой обозначений х на у, X иа У, Сх на Су. 2. Концентрация компонента в газовой фазе может быть вы­ ражена также через его парциальное давление. На основании

+ Рс + ... — общее давление смеси газов или паров, равное сумме парциаль­ ных давлений всех компоненюв.

3. Законы межфазного равновесия для идеальных растворов,

где р* — парциальное давление компонента в газовой фазе над равновесной с га­ зом жидкостью; х — мольная доля компонента в жидкости; Е — коэффициент Геной, зависящий от температуры и от природы газа и жидкости.

Значения Е для водных растворов некоторых газов даны в табл. XLI.

Подставляя в уравнение (6.2) значение р* = у*П по уравне­ нию (6.1), получаем:

Здесь у* — мольная доля компонента в газовой фазе, равновесной с жидко* стыо; т = Е/П — безразмерный коэффициент (коэффициент распределения) f постоянный для данной системы газ — жидкость при t= const и П = const/

Если, применительно к двухфазной трехкомпонентной системе (газовая фаза: А + В, жидкая фаза: А + С), подставить в урав­ нение равновесия (6.3) значения х и у* для компонента А, выра­

женные через его относительные концентрации X и У*, X и Y * (табл. 6.2), получим:

где MA — мольная масса распределенного между фазами компонента А; М в —

то же второго компонента бинарной газовой смеси; MQ — то же второго компо­ нента бинарной жидкой смеси.

При малых концентрациях распределенного компонента в газе

где р* — парциальное давленые компонента в парогазовой смеси над жидкостью

в условиях равновесия; Р — давление насыщенного пара чистого компонента — однозначная функция температуры; P — f (0; х — мольная доля компонента в жидкости.

При подстановке в уравнение (6.7) значения р* = у*П из уравнения (6.1) получаем:

Где у* — мольная доля компонента в парогазовой фазе, равновесной с жидкостью.

284

Для двухкомпонентной бмеси, когда оба ее компонента следуют закону Рауля, уравнение (6.8) приводится к виду:

ние насыщенного пара более летучего (низкокипящего) компонента при той же

в справочнике [6.7]. Для некоторых бинарных смесей данные о

перехода какого-либо компонента из одной фазы в другую (на­ пример, из жидкой фазы ФЛ с мольной концентрацией переходя­ щего компонента х в газовую фазу Фу с мольной концентрацией у) является неравновесность соприкасающихся фаз, их отклонение от состояния динамического равновесия. В химической термоди­ намике устанавливается, что величина этого отклонения, при равенстве температур и давлений фаз, определяется разностью химических потенциалов переходящего компонента (рх — р„), которая и является движущей силой процесса массопередачи. При равновесии фаз потенциалы рх и ру равны.

Заменяя потенциал рх равным ему потенциалом равновесной газовой смеси р£, получим для движущей силы процесса массо­ передачи выражение

Рх~Ру = Р*у-Ру

Аналогично, заменяя потенциал ру равным ему потенциалом равновесной жидкой фазы р£, получим;

Рх - Р у = Рх -Р*х.

Из последних равенств следует, что движущая сила процесса (рх — ру) может быть выражена двумя способами: либо как раз­ ность химических потенциалов, взятых по газовой фазе, либо как разность потенциалов, взятых по жидкой фазе. При этом необхо­ димо помнить, что газовая фаза с потенциалом р£ и концентрацией у*, так же как и жидкая фаза с потенциалом \х% и концентрацией х*, — фазы гипотетические, в реальном процессе массопередачи отсутствующие — см. рис. 6.1.

Втехнических расчетах применяют не химические потенциалы,

аболее простые, легко определяемые величины — концентрации,

спомощью которых также может быть охарактеризовано отклоне­ ние фаз Фх и Фу от состояния равновесия. Однако, в отличие от разности химических потенциалов (рх — ру), которая равна нулю

при равновесии фаз, разность концентраций (х — у), в общем

9. При отсутствии экспериментальных данных коэффициент диффузии (молекулярной) газа А в газе В (или газа В в газе А) может быть вычислен по формуле:

(абсолютное), кгс/см2; Мд и Мв — мольные массы газов А и В; од и vB — моль­

ные объемы газов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа — см. пример 6.6 (атомные объемы некоторых элементов и мольные объемы некоторых газов приведены в табл. 6.3).

Как следует из формулы (6.20), если известно значение коэф­ фициента диффузии Dx при температуре Тг и давлении р19 то зна­ чение его Z)2 при температуре Тг и давлении р%можно найти из уравнения:

Значения коэффициентов диффузии в воздухе для некоторых газов и паров приведены в табл. XLII.

* При расчете мольного объема химического соединения величину соответствую­ щей структурной постоянной надо прибавить к сумме атомных объемов.

Ш

Рис. 6.2. Схема абсорбера.

Рис. 6.8, Рабочая и равновесная линии абсорбера:

АВ — рабочая линия при расходе поглотителя L\ /1С_— рабочая линия при расходе поглотителя £миН, ОС — равновесная линия Y* = f (X)

При расчете абсорбера с нелетучим жидким поглотителем мас­ совые (или мольные) расходы поглотителя и инертного, нерастворяющегося в жидкости газа будут постоянными по высоте абсор­ бера. Выражая концентрации поглощаемого компонента в газе и жидкости в относительных массовых (или мольных) единицах, получим уравнение материального баланса (в массовых единицах):

где М — расход поглощаемого компонента, кг/с; С и L — расходы инертного газа и жидкого поглотителя, кг/с; Ун и Ув — концентрации поглощаемого ком­

понента в газе в низу и на верху абсорбера, кг/кг инертного газа; Хн и Х„ — то же в жидкости в низу и на верху абсорбера, кг/кг жидкого поглотителя.

В координатах У—X уравнение (6.26), при постоянных О и L, выражает отрезок пря*мой, проходящей через точки В [XHf

где У и X — переменные по высоте колонны концентрации поглощаемого компо­ нента в контактирующих неравновесных потоках газа и жидкости в данном се­ чении абсорбера — рис. 6.2.

Расход жидкого поглотителя: