Масообмінні процеси

4.6.1. Класифікація масообмінних процесів

Процеси перерозподілу маси між фазами і всередині фаз, спричинені намаганням системи прийти у стан фізико-хімічної рівноваги, називають масообмінними, або дифузійними процеса­ми. Рушійною силою масообмінних процесів є різниця хімічних потенціалів. Це поняття введене термодинамікою — наукою, що вивчає умови рівноваги систем.

Стан системи можна описати такими екстенсивними параме­трами: внутрішньою енергією U, ентропією S, об'ємом V. числом

молів компонентів системи

Інтенсивні параметри — тиск р, температура T, хімічний потенціал 7-го компонента ; тер­модинаміка визначає як окремі похідні від внутрішньої енергії U по V, S і відповідно

Отже, хімічний потенціал і-го компонента — це зміна внут­рішньої енергії в разі зміни маси г-го компонента на один моль за

умови, що об'єм, ентропія і маса решти k компонентів системи

залишаються незмінними.

Рівність тисків, температур і хімічних потенціалів у ылл ші-ках системи — це умова рівноваги. Рівновага порушується у зв'язку з виникненням нерівномірних полів цих величин. Різниці тисків, температур, хімічних потенціалів в різних точках системи (рушійні сили) породжують відповідно гідромеханічні, тепло­обмінні і масообмінні процеси. В результаті процесу субстанція (кількість руху, теплоти, маси) переноситься в області менших значень вказаних інтенсивних параметрів, що призводить до вирівнювання їх полів, аж до настання рівноваги. Через складність визначення хімічних потенціалів рушійну силу масо­обмінних процесів звичайно виражають наближено як різницю концентрації 7-го компонента.

Масообмінні процеси дуже поширені в промисловості, де во­ни створюють основу багатьох технологічних процесів. Розрізня­ють масообмінні процеси:

а) в системі газ (пара) — рідина: абсорбція, ректифікація;

б) в системі газ (пара) —тверде тіло: сушіння, адсорбція газів;

в) в системі рідина — тверде тіло: екстракція з твердих тіл, кристалізація, розчинення;

г) в системі рідина — рідина: рідина екстракція. Абсорбція — процес поглинання компонентів газової суміші

рідким поглиначем (абсорбентом), в якому вони розчиняються більшою чи меншою мірою. Цей процес використовують у ви­падку очищання розчинів від небезпечних домішок.

Ректифікація — процес розподілення рідкої суміші на компо­ненти різної леткості способом багаторазового протитечійного контактування рідкої і парової фаз. Процес використовують у спиртовій промисловості для виділення, концентрування і очи­щення етилового спирту, в нафтоперегонній — для вилучення з нафти пального (бензину, гасу, тощо) при розподілі скрапленого повітря на кисень та азот.

Адсорбція — процес поглинання компонентів газової або рідкої суміші поверхнею твердого тіла (адсорбента). У харчовій технології цей процес застосовують для очищання спиртових сумішей (сортівок) і цукрових сиропів. Процеси абсорбції і ад­сорбції називають сорбційними процесами. Зворотний процес — видалення поглинутих речовин — називають десорбцією.

Сушіння — процес вилучення вологи з вогких матеріалів випа­ровуванням. Цей процес застосовують майже в усіх галузях техно­логії для поліпшення транспортабельності і збережуваності про­дуктів (сушіння вугілля, глини, піску, зерна, овочів, фруктів, тощо).

Кристалізація — процес виділення речовин з розчинів або розплавів у вигляді кристалічної твердої фази. Застосовують для одержання чистих кристалічних продуктів (солі, соди, сахарози, глюкози, лактози і т.д.). Зворотний процес — перехід твердих ре­човин між молекулами рідини (розчинника) — називають розчи­ненням. Цей процес застосовують в усіх виробництвах.

Екстракція з твердих тіл — процес добування того чи іншого компонента з твердого шпаруватого матеріалу за допомогою вибіркового розчинення.

Рідинна екстракція — процес добування розчиненої в рідині речовини іншою рідиною, що не змішується з першою. Процеси екстракції як основні засоби вилучення готового продукту широ­ко застосовують у цукровому та олійному виробництвах.

Як видно з цих визначень, у більшості випадків масообмінні процеси здійснюють для вилучення одного чи кількох компо­нентів з твердого тіла, рідкої або газової суміші. Для цього фазу, яка містить вилучаємий компонент, примушують контактувати з фазою з нижчим рівнем хімічного потенціалу цього самого ком­понента. Під дією різниці хімічних потенціалів компонент дифун­дує до поверхні розподілу фаз, де потенціал нижчий, перетинає границю і переходить вглиб фази з меншим потенціалом. Цей процес може бути сталим і несталим. Останній звичайно має місце в апаратах періодичної дії. Речовини, що утворюють фази, в одних процесах (ректифікація) безпосередньо беруть участь у масообміні, а в інших (екстракція, абсорбція) виконують роль інертних носіїв, що не переходять із фази в фазу.