ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Составы многокомпонентных систем

Наиболее важной характеристикой раствора является его состав. Он отражает и качественную (из каких компонентов раствор состоит), и коли­чественную (в каких концентрациях компонент содержится в растворе) стороны раствора. Имеется несколько способов выражения концентраций раствора.

Концентрацией раствора называется отношение количеств (масс, объемов) растворенного вещества и раствора или растворителя.

Известны следующие способы выражения их концентраций: процент­ная, дольная, молярная, моляльная, нормальная, титр.

Процентный способ выражения концентраций указывает, какой про­цент растворенного вещества находится в растворе. При этом различают массовую и объемную процентные концентрации.

Более распространена массовая процентная концентрация, которая обычно специально не оговаривается. Так, 5%-ный водный раствор пова­ренной соли означает, что он содержит 5 г. хлористого натрия в 100 г. рас­твора, а вода в нем составляет 95 г. Эту же массовую концентрацию можно выразить в долях массы, приняв общее количество раствора за единицу. В рассматриваемом примере доля поваренной соли составляет 0,05.

Массовая доля С i-го компонента в растворе, содержащем к компо­нентов, определяется по формуле:

Ci = gi/(g1 + g2 +-+ gk), (1.63)

Где g1,2,...k - количество компонента, выраженное в граммах, килограммах и других единицах массы.

Массовая процентная концентрация используется при определении химического состава жидких и твердых веществ, при составлении матери­альных балансов технологических процессов, при технологических расче­тах в ряде основных отраслей промышленности (горнодобывающей, ме­таллургической, химической).

Объемные соотношения компонентов раствора выражают в объемных процентах или в объемных долях. Этот способ выражения концентраций применяют в отдельных случаях к жидким растворам или газовым смесям. Так, градусы крепости водно-спиртовых смесей выражают объемный про­цент спирта в растворе, состав воздуха по основным компонентам (азот, кислород и др.) также выражают в объемных процентах.

Объемная доля ф i-го компонента определяется по формуле: ф = V/(V + V +-Vk), (1.64)

Где V1,2,.k - объемы компонентов.

Для перехода от массовых к объемным концентрациям и наоборот необходимо использовать соотношение:

Gi = Pi V, (1.65)

Где рі - плотность /-го компонента.

В экологии и в некоторых других науках концентрации выражают как количество массы растворенного вещества в единице объема (г/л, г/м и т. д.) или в единице массы раствора либо растворителя (мг/кг, г/т и т. п.). В таких единицах выражают, в частности, предельно допустимые концен­трации, выбросы и сбросы веществ, загрязняющих атмосферу, воду, почву, а также концентрации элементов при их незначительном содержании в ру­дах (например, 5 г/т золота в золотоносной породе).

В микроэлектронике и производстве сверхчистых материалов концен­трации примесей выражают числом их атомов, приходящихся на 1 млн (ррт) или 1 млрд (ppb) атомов основного вещества. Иногда в ррт выражают количество объемных частей загрязнителя на миллион объемных частей газовых выбросов, т. е. объемную долю, взятую от миллиона.

Массовые и объемные концентрации просты для усвоения, однако не­удобны в химических и физико-химических расчетах, где необходимо учи­тывать мольные и эквивалентные количества реагирующих веществ. В этом случае предпочтительнее выражение концентраций в мольных долях или в мольных процентах.

Мольная доля i-ro компонента равна отношению числа его молей n к сумме молей (n1+n2 + ... + пк) всех к компонентов раствора. Она определя­ется по формуле:

N/ = П//(П1 + П2 +■■■+ Пк ); (1.66)

П/ = g/M, (1.67)

Где Мі - молекулярная масса i-ro вещества.

Мольная масса для идеальных газов может быть выражена также че­рез их давление pi и общее давление смеси Р:

Ni = Pi/(P1 + Р2 + ■+ Рк) = Pi/P. (1.68)

Мольный процент равен 100 Ni. При переходе от мольных долей и мольных процентов к массовым и объемным долям и соответствующим процентам необходимо использовать формулы (1.65) и (1.67). Для газовых смесей, в пределах применимости к ним законов идеальных газов, объем­ные и мольные характеристики состава совпадают, поскольку 1 моль «лю­бого» идеального газа занимает одинаковый объем (22,4 л).

Для водных растворов в общей и аналитической химии, физической химии и в ряде других случаев используют выражение состава через моль­ное или эквивалентное количество растворенного вещества, отнесенное к единице объема или массы раствора или растворителя (молярная, моляль - ная, нормальная концентрации, титр).

Молярная концентрация (молярность) выражается числом молей рас­творенного вещества в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого присутствует 1 моль растворенного вещества, называется молярным. Молярность раствора обычно обозначают буквой М. Если в 1 л раствора содержится 0,1 М вещества, то раствор называют децимолярным, при 0,01 М - сантимолярным и т. д. Молярный раствор по­варенной соли при ее молекулярной массе 58,5 г имеет массовую концен­трацию 58,5 г/л хлористого натрия.

Молярная концентрация зависит от температуры, так как объем рас­твора изменяется вследствие термического расширения. Поэтому часто используют моляльные концентрации, величина которых от температуры не зависит.

Моляльность - концентрация, выраженная числом молей растворен­ного вещества в 1000 г растворителя.

Между молярной долей и моляльностью m i-ro компонента существу­ет соотношение:

N = m/m + 1000/M), (1.69)

Где М - молекулярная масса растворителя.

Нормальная концентрация, или нормальность раствора, выражается числом химических эквивалентов Э вещества, содержащихся в 1 л раство­ра. В свою очередь, Э есть отношение молярной массы вещества к его ва­лентности п.

Раствор, в 1 л которого содержится один эквивалент растворенного вещества, называется нормальным.

Если в 1 л имеется 0,1 экв. вещества, то раствор - децинормальный, при 0,01 - сантинормальный и т. д. Нормальность обозначают буквой п (иногда N). Нормальный раствор серной кислоты (М = 98, п = 2) содержит 49 г/л Н2504, а децинормальный - 4,9 г/л.

Нормальные концентрации очень удобны, так как растворы одинако­вой нормальности реагируют в равных объемах. При разных нормально - стях растворы реагируют в объемах обратно пропорциональных их нор - мальностям.

Для веществ с валентностью равной единице молярные и нормаль­ные концентрации совпадают.

Титр раствора - это количество граммов вещества, содержащееся в 1 мл раствора. Обычно титр обозначают буквой Т. Тогда

T = пЭ/1000. (1.70)

Например, титр децинормального раствора серной кислоты равняется 0,1x49/1000 = 0,0049 г/мл. Титрованные растворы широко применяют в аналитической химии.

Нормальность и титр раствора, как и молярность, зависят от темпера­туры.

Однозначно определить состав многокомпонентной системы можно только в том случае, если она равновесна, т. е. находится в таком состоянии, когда в любой ее части параметры состояния постоянны и одинаковы. Содержание ком­понентов и другие характеристики реальной смеси могут быть оценены лишь с некоторой степенью приближения. Чтобы обеспечить возможность применения математического аппарата к расчетам реальных систем, их значительно упро­щают, подменяя идеальными моделями.

Гомогенную газовую смесь представляют в виде смеси идеальных га­зов, считая возможным применять к ней и к каждому ее компоненту зако­ны идеальных газов. Существует несколько общепринятых способов вы­ражения состава такой смеси. Для расчетов процессов, связанных с изме­нением давления в системе, состав смеси обычно задают в единицах давле­ния.

Согласно закону Дальтона давление газовой смеси P можно подсчи­тать, складывая парциальные давления ее компонентов:

N

P = 2р (1.71)

І = 1

Парциальным давлением /-того компонента называют давление, которое он производил бы при температуре смеси и в том же количестве, если бы один занимал весь объем смеси. Задание состава идеальной газовой смеси набором парциальных давлений ее компонентов равносильно заданию количества (числа молей) каждого компонента в долях от общего количества (числа молей) смеси.

По закону Амага, аналогичному с законом Дальтона, предполагается адди­тивность парциальных объемов:

N

V= ZVi. (1.72)

І=1

Парциальный объем /-того компонента газовой смеси - это объем, кото­рый он занимал бы, находясь в том же количестве при температуре и давлении смеси. Исходя из этого, состав смеси может задаваться парциальными объемами компонентов в единицах измерения объема.

Необходимо помнить, что понятия парциальных давлений и объемов являются математическими абстракциями. Каждый компонент газовой сме­си, находящейся в состоянии равновесия, равномерно распределен по всему предоставленному для смеси объему, а его давление равно давлению смеси.

Часто составы смесей задают относительными величинами, используя для этого объемные, молярные и массовые доли или проценты.

Объемная доля i-того компонента ri выражается отношением его парци­ального объема к объему смеси, молярная доля ni - количеством вещества (молей) i-того компонента, отнесенным к количеству вещества (молей) смеси, массовая доля gi - отношением массы i - того компонента к массе смеси:

Rt = Vi/V; Пі = N/N; g = m/m. (1.73)

Численные значения объемных и молярных долей компонентов идеальной газовой смеси одинаковы, так как в равных объемах идеальных газов при ра­венстве температур и давлений содержится одинаковое количество вещества (молей). Массовые доли связаны с объемными и молярными долями соотноше­нием:

GI = г-ц/ц = ПіЦі/ц, (1.74)

Где ц - средняя (кажущаяся) молярная масса смеси, которую подсчитывают по правилу аддитивности:

N

Ц = ХціГі = 1/Ј(g/m). (1.75)

І=1

Очевидно, что

N N N

Sri = Sn - = Eg - = 1. (1.76)

I = 1 i = 1 i = 1

Наряду с долями содержание компонентов смеси выражают в объемных, мо­лярных и массовых процентах.

В практике пылегазоочистки принято состав газа-носителя (воздуха, дымо­вых газов) задавать объемными или массовыми процентами, а содержание вред­ных ингредиентов - массовыми концентрациями на единицу объема выбросов.

Обычная величина концентраций загрязнителей до очистки имеет порядок 10­2 -3 3 -4 3

...10- кг/м, после очистки - 10 кг/м. Предельно допустимые концентрации химических соединений средней токсичности в атмосферном воздухе норми­руются в пределах 10-6...10-9 кг/м3 , а особо опасных веществ (например, канце-

11 3

Рогенов) - 10 кг/м.

Гетерогенные выбросы невозможно даже приближенно рассматривать как равновесные системы. Поэтому свойства газовой среды (дисперсионной фа­зы) и взвешенных частиц (дисперсной фазы) рассматривают раздельно. Для описания характеристик газовой фазы в основном применяется рассмотренное выше приближение смеси идеальных газов, а для дисперсной части - нормаль­ное распределение случайных величин.

Состав взвешенных частиц характеризуют концентрацией и дисперсно­стью. Концентрацию дисперсной фазы чаще всего представляют как массу частиц в единице объема дисперсионной фазы.

Для правильного выбора способов обработки твердых и, в особенности, жидких загрязнителей газовых выбросов важно знать не только их дисперсный, но и химический состав. Ингредиенты загрязнителей могут быть инертны или химически активны к материалу очистного устройства и коммуникаций, к влаге, сорбентам, могут испаряться, возгоняться, разлагаться, воспламеняться при об­работке. Чтобы избежать негативных последствий или непредвиденных ре­зультатов разрабатываемого способа обезвреживания, необходимо иметь информацию о химическом составе загрязнителей и свойствах ингредиен­тов в области параметров, соответствующей условиям их обработки.

Состояние истинных растворов (жидких и газообразных) зависит от двух термодинамических параметров и концентрации. Свойства истинных газообраз­ных растворов (гомогенных газовых смесей) и способы выражения их состава рассмотрены в предыдущих разделах.

Концентрации жидких растворов обычно представляют по одному из двух способов, различающихся тем, что количество отдельных ингредиентов и всей смеси выражают в одних и тех же или разных единицах измерения. По первому способу наиболее употребительны концентрации, выраженные в мас­совых, объемных или мольных долях (или процентах). Они представляют со­бой массу, объем или количество молей растворенного вещества, отнесенных соответственно к массе, объему или количеству молей всего раствора или рас­творителя (для получения процентов результат необходимо умножить на 100). По второму способу наиболее часто пользуются следующими варианта­ми выражения концентрации: моляльностью, т. е. числом молей растворенного вещества в 1 кг растворителя; молярностью (мольностью), т. е. числом мо­лей растворенного вещества в 1 л раствора; нормальностью, т. е. числом грамм - эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора; титрами, т. е. числом граммов (килограммов) растворенного вещества в 1 мл (л) раствора.

В расчетах параметров процессов, протекающих с переменной темпе­ратурой, удобно выражать концентрации моляльностью, мольными или массовыми долями (процентами), поскольку их значения не зависят от температуры. Выражение концентраций ингредиентов их нормальностью облегчает расчеты процессов в системах с химическими превращениями.

Используемые в дальнейшем изложении и расчетах обозначения кон­центраций вещества А в веществе В, выраженных различными способами, приведены в таблице 1.2, а в таблице 1.3 представлены формулы для пере­счета концентраций вещества А в жидкой фазе. Формулы справедливы и для газовой фазы с заменой обозначения "х" на "у". В формулах таблицы 1.3 МА, Мв„ Mmx обозначают мольные массы веществ А, В и их смеси, кг/моль, при этом мольная масса смеси определяется по правилу аддитивности (например, по жидкой фазе Mmx = MAxn + MB(1 - xn); р - плотность смеси, кг/м.

Таблица 1.2.

Способы выражения концентраций

Условное обозначение

Способ выражения концентрации вещества А

В газовой

В жидкой

Фазе

Фазе

Мольная доля: кмоль А/кмоль (А+В)

Уп

Xn

Массовая доля: кг А/кг (А+В)

Уg

Xg

Относительная мольная доля: кмоль А/кмоль В

Yn

Xn

Относительная массовая доля: кг А/кг В

Yg

Мольная концентрация: кмоль А/м (А+В)

CnV

Cnx

Массовая концентрация: кг А/м3 (А+В)

C2V

C

Wx

Таблица 1.3

Взаимный перевод выражений концентраций

Концентра­ции искомые

Концентрации заданные

X

N

X

G

X

N

X

G

С

N\

X

N

1

. xn

1+X

N

MRX

В g

С M

Nx mx

С M

Gx mx

МА

MnX +мл

В g A

P

PMa

X

G

M. x

A n

І

Мдх

A n

X

К

Мдс

A nx

M

Mx

M. X +MR

An В

1+X

G

P

P

X

N

X

N

1

MRX

В g

MRC

В nx

МвСвх

1-Х

N

MA

D - MAC v

^ A nx

Щр-cj

X

G

M. x

A n

X

І

MAXn

1

M. c

A nx

MRC

В gx

MB(l-x.)

1-Х

G

MB

P - Мдс

R A nx

P"CgX

С

Nx

Px

Px

Px

Px,

1

£

M

Mx

MA

МЛХ +MH

An в

MA(HX)

С

Gx

P M. x

\ .. .A..JO

M

Mx

PXg

Мдр X

A r n

M. X +MR

An В

Px

1+X

G

M. c

A nx

1

Разбавленные растворы достаточно точно подчиняются законам межфазного равновесия Рауля и Генри. По закону Рауля в равновесном состоянии двухфазной системы парциальное давление пара і - того компонента жидкой смеси над рас­твором пропорционально его мольной доле Хі в растворе:

Рі = ХіРі. шс, (1.77)

Где Рі. нас - давление насыщенного пара і-того компонента в чистом виде при температуре смеси.

Согласно закону Генри, мольная доля і-того компонента пара в растворе при равновесном состоянии двухфазной системы пропорциональна его парци­альному давлению в этой системе:

Хі = yp (1. 78)

Где V - коэффициент Генри.

Коэффициент Генри зависит от физико-химических свойств растворяе­мого газа, растворителя, температуры системы и устанавливается опытным путем.

ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Источники загрязнения атмосферы

Загрязнением окружающей среды можно назвать изменение качества среды, способное вызвать отрицательные последствия. Считается, что одинаковые агенты оказывают одинаковые отрицательные воздействия не­зависимо от их происхождения, поэтому пыль, источником которой явля­ется природное …

Абсорбция газовых примесей

Некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпо­нентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их. Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем …

Пенная сепарация поверхностно-активных веществ

Пенное фракционирование основано на селективной адсорбции од­ного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пу­зырьков, которые поднимаются вверх через раствор. Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает парциаль­ную сепарацию …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.