Материал: Аппаратура процессов разделения гомогенных и гетерогенных систем

ВВЕДЕНИЕ

Процессы разделения гомогенных и гетерогенных систем широко используются в промышленности. На химических предприятиях до 90 % капитальных и энергетических затрат связано с этими процессами. Процессы разделения востребованы на таких ключевых стадиях производства, как подготовка сырья, переработка продуктов химической реакции (отделение основных продуктов от побочных и выделение непрореагировавшего сырья для направления на рецикл), утилизация отходов. Аппаратура процессов разделения зачастую весьма громоздка, а сами процессы обычно энергоёмки, что особенно характерно для процессов разделения гомогенных систем. Разделение гетерогенных систем менее энергозатратно.

Процессы разделения гомогенных систем относятся к массообменным, в этих процессах основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущей силой массообмена является разность химических потенциалов. Движущая сила характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах фазы вещество переносится от точки с большей концентрацией к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчётах движущую силу основных массообменных процессов приближённо выражают через разность концентраций.

Гомогенные системы, которые на производстве подвергают разделению, очистке или концентрированию: смеси взаимно растворимых жидкостей; смеси газов и паров; растворы солей, кислот, щелочей и др. В данном пособии подробно рассмотрены крупнотоннажные процессы разделения гомогенных систем: абсорбция, перегонка и ректификация. Эти процессы связаны с перераспределением компонентов между жидкой и газовой (паровой) фазами.

Разделение гетерогенных систем относится к гидромеханическим процессам, в которых сепарация осуществляется благодаря разнонаправленному движению дисперсной фазы и дисперсионной среды под действием внешних сил (силы тяжести, силы гидростатического давления, силы инерции, электростатической силы и др.). Крупнотоннажными процессами разделения гетерогенных систем на химических предприятиях являются процессы разделения суспензий, они же – одни из самых сложных для разделения гетерогенных систем. Существенную роль в химической технологии играют также процессы очистки газов от пыли.

3

1. АППАРАТУРА РАЗДЕЛЕНИЯ ГОМОГЕННЫХ СИСТЕМ

Разделение гомогенных систем осуществляют путём перехода одного из компонентов разделяемой системы в другую фазу. Контактирующие фазы взаимно нерастворимы и образуют поверхность раздела фаз. Каждая из контактирующих фаз может находиться в одном из трёх агрегатных состояний: газовом (паровом), жидком или твёрдом. Многообразие комбинаций двух фаз в различных их агрегатных состояниях приводит к большому количеству процессов разделения гомогенных систем (рис. 1).

Основные методы разделения гомогенных систем

Рис. 1. Перечень основных методов разделения гомогенных систем

Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей. В отличие от теплопередачи, которая обычно осуществляется через стенку, массопередача проходит при непосредственном соприкосновении фаз. Исключение составляют мембранные процессы, где массопередача осуществляется через мембрану – перегородку, обладающую избирательной проницаемостью.

Производительность массообменных аппаратов по разделяемым веществам определяется в первую очередь площадью поверхности контакта фаз. В

4

процессах с подвижной поверхностью контакта фаз, к которым относятся процессы в двухфазных системах газ (пар)-жидкость и жидкость-жидкость, площадь поверхности контакта фаз можно увеличить путём механического воздействия на фазы. Для этой цели используют контактные устройства, в которых происходит диспергирование (дробление) одной из фаз, приводящее к увеличению поверхности массопередачи. Классификация массообменных аппаратов по типу контактных устройств представлена на рис. 2. Массообменные аппараты, применяемые в процессах с подвижной поверхностью контакта фаз, в большинстве случаев представляют собой цилиндрические колонны.

Массообменные аппараты

Рис. 2. Классификация масообменных аппаратов по типу и способу контакта фаз

Впроцессах с неподвижной поверхностью контакта фаз, к которым относятся процессы в двухфазных системах жидкость-твёрдое и газ (пар)-твёрдое, непосредственное влияние на площадь поверхности контакта фаз в ходе процесса невозможно. Твёрдая фаза в таких процессах (адсорбции, сушки и т.п.) выполнена обычно в виде гранул. В этом случае для интенсификации процесса часто применяют псевдоожижение слоя гранул, путём пропускания через него восходящего потока жидкой или газовой фазы.

Вмембранных процессах повышение производительности достигается развитием поверхности мембран в единице объёма.

5