Со свободной границей раздела фаз

К процессам, для которых характерна свободная граница раздела фаз, относятся такие широко распространенные в технике про­цессы, как абсорбция, десорбция, перегонка и ректификация, жид­костная экстракция. В этих процессах граница контакта фаз обычно подвижна, величина поверхности контакта фаз зависит от гидро­динамической обстановки, что существенно отличает механизм переноса масс в системах со свободной границей раздела фаз от механизма переноса для систем с твердой фазой.

Массообменные процессы со свободной границей раздела фаз по принципу участия фаз в массопереносе подразделяют на две группы. К одной группе относят процессы, в которых участвуют как минимум 3 вещества: 1) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 1-ю фазу Ф_у (например, при поглощении аммиака водой из аммиачно-воздушной смеси воздух не участвует непо­средственно в массообмене); 2) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 2-ю фазу Ф_х (вода в данном примере); 3) распределяемое вещество М, которое переходит из одной фазы в другую (процессы абсорбции, десорбции, экстракции).

Другая группа процессов (перегонка и ректификация) -это про­цессы, в которых вещества, составляющие фазы, участвуют в массообменных процессах и не могут рассматриваться как носители распределяемого вещества.

Как отмечалось выше, направление процесса, его движущая сила зависят от соотношения рабочих и равновесных концентраций. Построения линий равновесных и рабочих концентраций рассмот­рены в гл. 2 и 3. В каждой из последующих глав, посвященных тому или иному конкретному процессу массопереноса (абсорбция, перс-гонка и др.), будет рассмотрены условия равновесия системы и материальные балансы этих процессов, на основе которых полу­чают уравнения линий рабочих концентрации.

Поскольку концентрации участвующих в массообменных про­цессах фаз могут иметь различную размерность (кг/кг, кмоль/м³ и т. п.), то целесообразно рассмотреть способы выражения состава этих фаз. Обычно состав фаз выражают в массовых или молярных долях, относительных или объемных концентрациях.

Массовые или молярные доли. Состав фазы выражается отно­шением массы данного компонента к массе всей фазы. Например, для двухкомпонентной системы, состоящей из компонентов А и В, молярный состав смеси по компоненту А(х_А) при известной мас­совой концентрации (в долях) будет выражаться как

, (15.1)

а массовый состав смеси по этому компоненту

, (15.2)

где M_А и М_В - молярные массы компонентов А и В соответственно.

Для многокомпонентной смеси для любого i-го компонента

, (15.2a)

где n-число компонентов в смеси.

Относительно концентрации, массовые и молярные доли. Если через выразить относительные массовые концентрации распределяемого компонента в фазах Ф_x и Ф_y (в кг компонента на 1 кг носителя), то при известных массовых концентрациях этого компонента в фазах значения определяют следующим образом:

, , (15.3)

а значения при заданных -

, . (15.3a)

Для многокомпонентных смесей массовые концентрации определяют по уравнениям

Выражение состава фаз в относительных массовых и молярных концентрациях удобно тем, что содержание распределяемого ком­понента относится и к количеству носителя, которое не изменяется в ходе процесса. При малых концентрациях распределяемого ве­щества относительные молярные концентрации и молярные доли практически совпадают друг с другом.

Если концентрации распределяемого вещества заданы в моляр­ных долях, то его относительные массовые концентрации опреде­ляют с помощью следующих выражений:

(15.5)

где М_Н – молярная масса распределяемого компонента.

Объемные концентрации и массовые доли. Выражение объемного состава фаз (С_А, С_В,…) в кг/м³ связано с массовыми долями этих компонентов в смеси следующим образом:

, (15.6)

где ρ –плотность смеси (т.е. сумма всех компонентов смеси в 1 м³ ее объема), кг/м³.