Автор: Тимергазина Татьяна Михайловна
Понятие массообменных процессов и их общие признаки
Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).
Массообменные или диффузионные процессы играют важную роль при переработке нефти, различных углеводородных и других смесей. Физическими (массообменными) процессами достигается разделение нефти на составляющие компоненты (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масляные фракции, узкие (по температурам кипения) бензиновые фракции) без химических превращений и удаление (извлечение) из фракций нефти, нефтяных остатков, масляных фракций, газоконденсатов и газов нежелательных компонентов (полициклических ароматических углеводородов, асфальтенов, тугоплавких парафинов), неуглеводородных соединений.
При ректификации сжиженных газов выделяют этилен, этан, пропан, бутан и другие компоненты. Путем перегонки в вакууме получают специальные масла.
Абсорбцию жидкими поглотителями и адсорбцию твердыми веществами используют для извлечения из природных и попутных газов, а также из газов нефтеперерабатывающих заводов пропан-пропиленовой, бутан-бутиленовой, бензиновой фракций, которые служат сырьем для нефтехимической промышленности.
Для извлечения ароматических углеводородов из бензиновых фракций при производстве масел и очистке нефтепродуктов применяется процесс экстракции.
Процесс сушки нашел применение в производстве катализаторов и адсорбентов.
Кристаллизация используется при депарафинизации масел, производстве серы, парафинов и церезинов, разделении ксилолов.
Даже такой неполный перечень использования массообменных процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности свидетельствует об их широком распространении и важности решаемых с помощью этих процессов технологических задач.
В большинстве производственных установок химической промышленности массообменный и реакционный аппараты связаны по следующей схеме (рисунок 1).
Рисунок 1 — Схема технологического процесса с массообменным аппаратом
Исходное сырье поступает в реактор, где частично превращается в продукты реакции, поскольку химические реакции с получением целевых продуктов не протекают до конца. Выходящая из реактора смесь продуктов реакции и сырья, не участвующего в реакции, направляется в массообменную разделительную аппаратуру. В аппаратуре производится разделение смеси на продукты реакции и непрореагировавшее сырье, которое возвращается в реактор, а продукты реакции поступают на дальнейшую переработку.
Отсюда следует, что между реакционными и разделительными аппаратами существует тесная технологическая связь. Закон этой связи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, т.е. чем меньше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше нагрузка на разделительный аппарат, и наоборот.
Оптимальное сочетание нагрузок на реакционный и разделительный аппараты обеспечивает минимальные производственные затраты. Поэтому основа химического производства – реактор – работает оптимально только в сочетании с оптимально работающим разделительным аппаратом. В этой связи работа массоообменного аппарата в химической промышленности имеет не меньшее значение, чем работа самого реактора.
В разделительном аппарате могут производиться разнообразные процессы.
Наибольшее распространение получили рассмотренные ниже массообменные процессы.
1. Абсорбция- избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.
Процесс, обратный абсорбции, т. е. выделение растворенного газа из жидкости, называют Десорбцией.
2. Перегонка и Ректификация — разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой Переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей.
3. Экстракция (жидкостная)- извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой Переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.
4. Адсорбция- избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой Переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из смеси. Процесс, обратный адсорбции, т. е. выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя, называют Десорбцией.
5. Ионный обмен- избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой Переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.
6. Сушка — удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой Переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.
7. Растворение и экстрагирование из твердых тел — это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют Экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.
8. Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой Переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.
9. Мембранные процессы — избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки-мембраны. Эти процессы представляют собой Переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.
Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом компонентов из одной фазы в другую с целью их разделения.
Все массообменные процессы обладают рядом общих признаков.
1. Они применяются для разделения смесей.
2. В любом процессе участвуют, по крайней мере, две фазы (или три): жидкая и паровая (перегонка и ректификация), жидкая и газовая (абсорбция), твердая и парогазовая (адсорбция), твердая и жидкая (адсорбция, экстракция), две жидких (экстракция).
В большинстве процессов массопередачи участвуют три вещества:
— распределяющее вещество, составляющее первую фазу:
— распределяющее вещество, составляющее вторую фазу;
— распределяемое вещество, переходящее из одной фазы в другую.
Распределяющие вещества не участвуют в процессе массопередачи, а являются носителями распределяемого вещества.
3. Переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.
4. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций или градиент концентраций. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше.
5. Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз, на которой предполагается состояние равновесия фаз.
6. Диффузионные процессы обратимы, т.е. направление процесса определяется законами фазового равновесия.
7.Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия. Для достижения равновесия необходимо, чтобы продолжительность контактирования или поверхность соприкосновения фаз были достаточно большими.
Состояние равновесия следует понимать так, что обмен между фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются.
8. Скорость перечисленных процессов определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую (скоростью массопередачи).