ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Массоперенос в процессе абсорбции

Пусть концентрация распределяемого вещества в фазе G выше рав­новесной, и вещество переходит из фазы G в фазу L (рис. 4.6) распреде­ляемое вещество в фазе G переносится к поверхности раздела фаз, а в фазе L переносится от этой поверхности.

Перенос вещества в обеих фазах осуществляется путем моле­кулярной и конвективной диффузии.

Молекулярная диффузия - диффузия молекул через слой носителя.

Конвективная диффузия - это диффузия движущимися частицами носителя и распределяемого вещества.

В основной (центральной) массе фазы, т. е. ядре фазы, где обычно происходит интенсивное перемешивание, перенос вещества осуществляет­ся преимущественно с помощью конвективной диффузии.

Перенос вещества в пограничном слое осуществляется путем кон­вективной и молекулярной диффузии, причем, по мере приближения к по­верхности раздела фаз происходит затухание конвективных потоков и воз­растает роль молекулярной диффузии.

Уравнение молекулярной диффузии имеет следующий вид: M = DF ДСслт/8, (4.31)

Где М - количество компонента, диффундирующего через слой вещества, кг; D - коэффициент диффузии, м/с; F - поверхность слоя, м ; ДСсл - из­менение концентрации по толщине слоя, кг/м3; т - продолжительность процесса, с; 8 - толщина слоя, м.

Уравнение (4.31) есть математическое выражение закона Фика.

Коэффициент диффузии D зависит от свойств диффундирующего компонента и среды, в которой происходит диффузия, а также от темпера­туры и давления процесса.

Коэффициенты диффузии в жидкостях значительно меньше, чем га­зах.

Уравнение конвективной диффузии имеет следующий вид: M = рКАСф-сл, (4.32)

Где М - количество вещества, переносимого из фазы, отдающей вещество, к поверхности раздела фаз (или от поверхности раздела фаз в фазу, вос­принимающую это вещество), кг/с; в - коэффициент массоотдачи, м/с; F - поверхность раздела фаз, м ; АСф-сл - разность концентраций распределяе­мого вещества в фазе и у поверхности раздела, кг/м3.

Коэффициент массоотдачи зависит от гидродинамических, физиче­ских и геометрических факторов и определяется экспериментальным пу­тем с обработкой данных при помощи теории подобия.

Уравнение массопередачи имеет следующий вид:

M = KF А, (4.33)

Где М - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, кг/с; K - коэффициент массопередачи, м/с; F - поверхность соприкосновения

2 3

Фаз, м ; А - движущая сила процесса массопередачи, кг/м (Па).

Из уравнения (4.33) следует, что коэффициент массопередачи вы­ражает количество вещества, переходящего из одной фазы в другую за единицу времени через единицу поверхности соприкосновения при дви­жущей силе, равной единице.

Размерность коэффициента массопередачи зависит от размерности движущей силы. Например, если движущая сила выражается в виде разно­сти объемных концентраций, т. е. кг/м, то размерность коэффициента мас­сопередачи согласно уравнению (4.33):

KC = [кг/(м2скг/м3)] = [м/с]. (4.34)

Если движущая сила А выражена через разность парциальных дав­лений, т. е. в Па или Н/м, размерность коэффициента массопередачи:

KP = [кг/м2сН/м2] = [кг/с. (кгм/с2)] = [с/м]. (4.35)

Связь между коэффициентами массопередачи KC и KP:

Kp = KcMk/(RT), (4.36)

Где Мк - молекулярная масса компонента; R - газовая постоянная, Дж/(кмоль град); Т - абсолютная температура, К.

Иногда коэффициент массопередачи относят к единице рабочего объема аппарата (объемный коэффициент массопередачи). В этом случае коэффициент массопередачи определяется соотношением

Ков = Kf (4.37)

Где f - поверхность соприкосновения фаз, отнесенная к единице рабочего

23

Объема аппарата, м /м.

Размерность объемного коэффициента массопередачи при движущей силе, выраженной в кг/м3:

[КОб] = [1/с].

Приложение теории подобия к процессам массопередачи показало,

Что эти процессы определяются критерием Рейнольдса Re и диффузион-

T

Ными критериями Нуссельта NU и Прандтля Рг, являющимися аналогами тепловых критериев Nu и Рг.

Критерии Re и Рг являются определяющими, критерий Nu - опреде­ляемым. Зависимость между критериями выражается в общем виде урав­нением

Nu = f Re, Рг'). (4.38)

По найденному значению NU вычисляют коэффициент массоотдачи

Р.

Ниже приводятся значения диффузионных критериев и критерия Рейнольдса:

Nu = P7/D; (4.39) РГ = ^/(pD); (4.40)

Re = wip/ц. (4.41)

Здесь в - коэффициент массоотдачи, м/с; 7 - определяющий геомет­рический размер, м; D - коэффициент диффузии, м /с; ц - динамическая вязкость, Па с; p - плотность, кг/м ; w - скорость, м/с.