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.
Рис. 4.6. Схема процесса массообмена между жидкостью и газом: 1 - ядро фазы, 2 - пограничный слой; 3 - поверхность раздела фаз |
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
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.