Реферат Тақырыбы: Конфиктивті дуффузияның ұқсастық сандар теңдеулері.Қатты фазамен масса алмасу Орындаған: Сағын М
жүктеу/скачать 100,27 Kb.
|
1 2
|
«Инженерлік пәндер кафедрасы» Химия-фармацевтикалық өндірістің процесстері мен аппараттары- 2 Реферат Тақырыбы: Конфиктивті дуффузияның ұқсастық сандар теңдеулері.Қатты фазамен масса алмасу Орындаған:Сағын М. Тобы:ФӨТҚА-02 -21 Қабылдаған:Орымбетова Г. Шымкент-2023 жыл Диффузия(лат. dіffusіo – таралу, жайылу) – нақтылы дене бөлшектерінің жылулық қозғалыстарға ұшырай отырып, сол дене концентрациясының селдір аудандарына қарай жылжуы; молекула олардың жылулық қозғалысы салдарынан шекаралас орналасқан әртүрлі заттардың бір-біріне өту құбылысы. Диффузия дененің бүкіл көлеміндегі концентрация мөлшерінің бірте-бірте теңелуін, сөйтіп оның бірқалыпты сипат алуын қамтамасыз етеді. Кейбір денелердің өте шағын бөлшектері ғана емес (атомдар, молекулалар, иондар), біршама ірі түйіршіктері де диффузиялық қасиетті иемденуі мүмкін. Диффузия жылдамдығы температураға тікелей байланысты, алайда бұл процесс газдарда өте тез, сұйықтарда салыстырмалы түрде баяу, ал қатты заттарда өте баяу өтеді. Диффузия құбылысы барлық агрегаттық күйде, диффузияланатын заттың сол ортадағы шоғырлануы теңелгенге дейін жүре береді. Газ немесе сұйықтың молекулаларының бір орыннан екінші орынға ауысуы арқылы өз ішінде диффузиялануы өздік диффузия деп аталады. Диффузияның өту шапшаңдығы — диффузияланатын заттың тегіне және оның қандай жағдайда болуына байланысты анықталатын шама — диффузия коэффициентімен сипатталады. Диффузия коэффициентінің халықаралық бірліктер жүйесіндегі өлшеу бірлігі — м2/сек. Диффузия құбылысы табиғатта маңызды рөл атқарады: атмосфераның жер бетіне жақын орналасқан қабаттарындағы ауа құрамының біркелкі болуына ықпал етіп, өсімдіктердің дұрыс қоректенуіне жағдай туғызады. Диффузияның екі түрі бар: қарапайым диффузия жəне жеңілдеген диффузия. Қарапайым диффуз Қарапайым диффузия - ол концентрациясы жоғары ортадан концентрациясы төмен ортаға қарай заттардың өтуі, яғни заттардың ауысып өтуі концентрация градиентіне (айырмашылығына) байланысты іске асады Концентрация градиенті Концентрация градиенті дегеніміз - ол жасуша ішіндегі жəне оның сыртындағы заттар концентрациясының айырмасы. Бұл кезде заттар липидтік биқабат арқылы мембранаға бойлап еніп кеткен мембрана ақуыздары түзеді. Қарапайым диффузия жолымен су, кейбір органикалық жəне бейорганикалық иондар өтеді. Жеңілдеген диффузия Жеңілдеген диффузия - тасымалдаушы ақуыздардың көмегімен заттардың жоғары концентрациялы ортадан төменгі концентрациялы ортаға ауысуы. Тасымалдаушы ақуыздар плазмалық мембранада болады. Бұл процесс те концентрация айырмашылығы бойынша жүреді. Бұл белгілі бір молекулаларға арнаулы тəн болады, қарапайым диффузиямен салыстырғанда тезірек жүреді. Амин қышқылдары, моносахаридтер, нуклеотидтер, глицерол жəне əр түрлі иондар үшін арнаулы тасымалдаушылар бар. Адам организміндегі диффузияның мәні зор.Оттек ауадан өкпенің қан тамырларына диффузия жолымен альвеол [ауа қапшықтары] қабырғалары арқылы жеңіл өтеді,одан кейін онда ери отырып,бүкіл организмге тарайды.Көмірқышқыл газы араласу арқылы қан қылтамырларынан өкпенің ауа талшықтарына өтеді.Тағамдағы қоректік заттар жасушаның ішінде араласады. Түтікшелі қалқа осмос арқылы өтетін сұйықтардағы диффузия құбылысы жануарлар мен өсімдіктер тіршілігінде маңызды рөл атқарады.Ол өсімдік тамырларының суды сіңіріп,өсімдіктер мен жануарлардың қоректі қорытуына және олардың жасушаларынан қалдықтардың шығуына әсер етеді. Диффузияның әсерінен планеталар атмосферасының химиялық құрамы бірдей болмайды. Диффузия құбылысының практикада қолданылу аясы өте кең.Металдары дәнекерлеу мен балқытып пісіру процестері пісірілген металдардың немесе негізгі метал мен дәнекердің диффузиясына негізделген. Қант қайнату зауыттарындағы қызылшадан қантты шығарып алу да диффузия құбылысына негізделген.Қызылша сумен немесе концентрациясы аз қант ерітіндісімен жуылады.Бұл кезде қант молекулалары қызылшадан ерітіндіге өтеді. Сұйықтың еріксіз және еркін қозғалысы конвективті жылуалмасу Орта температура, анықтаушы температура, эквивалентті (балама) диаметрі. Жылу ағынын анықтайтын шамаларды анықтау үшін қолданылатын формулалардың барлығына, көптеген жағдайда арнаның (каналдың) қимасы бойынша, сонымен қатар қаналдың ұзын таралатын сұйық температурасының мәні кіреді. Сол себепті, техникалық есептеулерде сұйықтың температурасы деп ағынның орта температурасын алады. Ұқсастық теориясы – бұл ұқсас құбылыстар туралы ғылым. «Ұқсастық» термині геометриядан алынған. Мысалы, геометриялық ұқсас фигуралар үшін сәйкес бұрыштары тең, ал ұқсас жақтары пропорционал екені белгілі. Ұқсастық теориясының негізгі жағдайын үш ұқсастық теоремасы түрінде формалайды. Ұқсастықтың бірінші теоремасы бойынша ұқсас құбылыстардың бірдей ұқсастық критерийлері болады. Бұл теореманың дұрыстығы жоғарыда анықталған. Ұқсастықтың екінші теоремасы бойынша, қандай да бір құбылысты сипаттайтын айнымалылар арасындағы кез–келген тәуелділік, осы айнымалылардан құралған ұқсастық критерийлерінің арасындағы тәуелділік мына түрде көрсетілуі мүмкін, яғни f (k1,k2, …kn)=0. Мұндай тәуелділіктер критериалды теңдеулер деп аталады. Ұқсастықтың үшінші теориясының негізгі мақсаты, екі құбылыстың ұқсастығы үшін, қандай, қажетті және жеткілікті күйлердің болуы керектігін ашып беруі. Бұл теорияны совет ғалымдары М.В.Кирпичев бен А.А. Гухман 1931 жылы жасаған. Массаның (заттың) бір фазадан екінші фазаға өтуімен сипатталатын масса алмасу деп аталатын процестер химия, тамақ және т.б. өндірістерде жиі кездеседі. Фазалар сұйық, қатты, газ және бу күйлерінде болуы мүмкін. Өндірістерде негізінен төмендегі масса алмасу процестері жиі қолданылады: Абсорция. Газдар немесе булар мен газдар қоспаларынан бір немесе бірнеше құрастырушылардың сіңіргіш сұйық пен сіңірілуі абсорция процесі деп аталады. Абсорцияда зат газды фазадан сұйық фазаға өтеді. Газды сұйықтан ажыратып алу, яғни абсорцияға кері процесс десорбция деп аталады. Айдау және ректификация. Гомогенді сұйық қоспаларды құрастырушыларының әртүрлі ұшқыштығына және сұйықпен бу фазаларының қарама–қарсы әрекеттеріне байланысты жартылай (жай айдау) немесе толық (ректифиация) ажырату. Мұнда масса сұйық фазадан булы фазаға және керісінше (булы фазадан сұйық фазаға) өтеді. Экстракция. Сұйық және қатты заттардың қоспасынан бір немесе бірнеше құрастырушыларды таңдап ерітуші сұйықтар (экстрагенттер) жәрдемімен айырып алу процесі экстракция деп аталады. Сұйық – сұйық және қатты дене – сұйық жүйелерінде экстракциялар болады: біріншісінде масса (зат) бір сұйық фазадан екінші сұйық фазаға, ал екіншісінде – қатты фазадан сұйық фазаға өтеді. Адсорбция. Кеуекті қатты заттардың өздерінің бетіне газды, буды немесе ерітіндіден еріген заттарды сіңіріп алу процесі адсорбция деп аталады. Мұнда масса газды, булы немесе сұйық фазалардан қатты фазаға өтеді. Қатты заттардан сіңірілген затты айырып алу, яғни адсорбцияға кері процесс десорбция деп аталады. Кептіру. Қатты заттардан ылғалды негізінен булану арқылы шығару процесі кептіру деп аталады. Мұнда масса (ылғал) қатты фазадан газды немесе булы фазаға өтеді. Кристалдану. Ерітіндіден немесе балқымадан қатты заттардың кристалл түрінде бөлінуі кристалдану процесі деп аталады. Мұнда масса сұйық фазадан қатты фазаға өтеді. Мембраналы ажырату. Кейбір заттарды өткізіп, ал кейбіреуін ұстап қалатын қабілеттілігі бар жартылай өткізгіш мембраналардың жәрдемімен ерітіндідегі ерітілген заттарды ажырату.Мұнда масса (зат) жартылай өткізгіш мембрана арқылы бір сұйық (газды) фазадан екінші сұйық (газды) фазаға өтеді. Жылу өту процесі сияқты массаөту процесі де өте күрделі. Жылу өту процесінде жылу алмасатын орталар (жылутасымалдағыштар) көбінесе қатты қабырғамен ажыратылған болса, ал массаөту процесі фазалардың бір–бірімен тікелей жанасқан шекарасында болады. Массаөту процесінде масса (зат) бірінші фаза ішінде және фазалардың жанасу беті арқылы өтіп, екінші фаза ішінде де таралады. Заттың бір фазадан жанасу шекарасына немесе кері бағытта, яғни бір фаза ішіндегі тасымалдануын масса беру деп атайды. Массаөту процестерін 2 топқа бөлуге болады. Бірінші топ (абсорция, экстракция және т.б.) ең кемінде үш зат: біреуі–бірінші фаза, екіншісі–екінші фаза, ал үшіншісі –фазалар арасындағы тасымалданатын зат қатысады. Әр фазаны құрайтын заттар тасымалданатын затты тасушы болып, өздері бір фазадан екінші фазаға өтпейді. Мысалы, аммиак пен ауа қоспасынан аммиак сумен сіңірілгенде, ауа мен су тасымалданатын зат – аммиактың тасушысы болады, және оларды инертті газ немесе инертті сұйық деп те атайды. Екінші топ (мысалы, ректификация) масса өту процесіне екі фазада тікелей қатысады, және олар тасымалданатын заттың инертті тасушысы болмайды. Тасымалданатын зат әр фаза ішінде диффузия арқылы өтетін болғандықтан масса өту процесін диффузиялық процестер деп те атайды. Жылу алмасу процестері сияқты (диффузиялық) масса алмасу процесіндегі тасымалданатын зат мөлшері фазалардың жанасу бетіне және процестің қозғаушы күшіне пропорционал болады. Масса алмасу процесінің қозғаушы күші – тасымалданатын заттың берілген концентрациясымен тепе–теңдік концентрациясы (процесс тоқтаған кезге сәйкес келеді) арасындағы айырмаға тең. Сондықтан масса алмасу процесін шегі – жүйенің тепе–теңдік жағдайы болады. Фазалар құрамын өрнектеу тәсілдері. Фазалар құрамы төмендегіше өрнектеледі: А) көлемдік концентрация-фазаның көлем бірлігіндегі берілген заттың (компоненттің) кг. немесе кмоль саны (кг/м, кмоль/м); Б) мольдік немесе салмақтық үлес-берілген заттың кг немесе кмольнің фазаның барлық массасына (кг, кмоль) қатынасы; В) салыстырмалы концентрация-тасымалданатын заттың кг. немесе кмоль-нің масса алмасу процесінде өзгермейтін тасушы инертті заттың массасына қатынасы. Масса алмасу процестерінің тепе-теңдігі олардың өту шегін анықтауға мүмкіндік береді. Тепе-теңдіктің негізі фазалар ережесімен анықталады: Ф+С=К+2 мұнда Ф-фазалар саны; С - еркіндік дәрежесінің саны; К - жүйені құрастырушылардың саны. Фазалар ережесі арқылы масса алмасу процестерінің тепе-теңдік жағдайын есептеуде өзгертуге болатын шамалар (параметрлер) санын анықтауға болады. Фазалар ережесін жоғарыда көрсетілген масса алмасу процестерінің екі тобына да қолданады. Бірінші топ үшін (абсорбция, экстракция және т.б.) фазалар саны Ф= 2, құрастырушылар саны К= 3(тасымалдаушы зат және екі тасушы фаза), еркіндік дәрежесінің саны: С= К+2-Ф =3+2-2= 3 тең болады. Бұл жағдайда кез-келген үш шаманы, яғни жалпы қысымын (Р) температурасын (t) және тасымалданатын заттың бір фазадағы концентрациясын (Ха немесе Уа) өзгертуге болады. Демек, берілген температура және қысым мәндерінде бір фазаның кейбір концентрациясына екінші фазаның тиісті нақты концентрациясы сәйкес келеді. Екінші топ үшін (ректификация): Ф=2, К=2, онда еркіндік дәрежесінің саны: С=К+2-Ф=2+2-2=2 тең болады. Егер масса алмасу процестері тұрақты қысымда өткізілетіні есепке алынса, онда фазаның концентрациясының (Ха) өзгеруіне байланысты температура өткізілсе, онда фазаның әртүрлі концентрациясына әртүрлі қысым мәндері сәйкес келеді. Өзгеретін шамалар (параметрлер) арасындағы байланыстар фазалық диаграммалармен өрнектеледі. Масса алмасу процестерін есептеуде төмендегі диаграммалар пайдаланылады: А) қысымның концентрацияға байланысы; Б) температураның концентрацияға байланысы; В) Фазалардың тепе-теңдік концентрациялары арасындағы байланыс. Фазалардың əсерлесу беті қарапайым геометриялық есептеулермен анықталмайды. Сондықтан есептеу жұмыстарында масса өтудің негізгі теңдеуі модифицирленген (түрлендірілген) түрде қолданылады. Мұндай жағдайда аппараттың негізгі техникалық сипаттамалары ретінде көлемі, биіктігі немесе фазалардың əсерлесу деңгейлерінің саны қарастырылады. Масса өту процесінің модифицирленген теңдеуін шығару үшін аппаратты негізгі техникалық сипаттамасы ретінде биіктігін қарастырайық. Ол үшін аппараттың биіктігін Н м, көлденең қимасы ауданын f м2, бірлік көлемдегі фазалар əсерлесуінің меншікті бетін σ м2/м3 арқылы белгілейік. Конвективті диффузияда заттың тасымалдануы тасымалдағыш пен таралатын заттың қозғалыстағы бөлшектерімен жүзеге асырылады. Молекулалық диффузияға қарағанда конвективті диффузия арқылы масса алмасу процесінің қарқындылығы жоғары болады. Жүру барысы бір фазадан екінші фазаға заттың берілу жылдамдығыменен анықталатын технологиялық процесті атқаруға арналған аппараттарды массаалмастыру аппараттары деп атайды. Бұл аппараттардың реакциялық аппараттардан ерекшелігі, мұнда реакция өнімі реакцияланған түс реакцияға түспеген бөліктерге бөлінеді. Массаалмасу аппараттарда келесі массаалмасу процестері атқарылады: абсорбция, адсорбция, экстракция, ректификация және кристаллдану. Бұл процесстерді басым жағдайда бағаналы типтегі аппараттарда атқарады. Бұл аппараттар өздігінде биіктігінің диаметріне қатынасы елеулі сипаттағы (L/D>10) цилиндрлік ыдыс болып табылады. Бағананың ішінде әрекеттесуші фазалардың кқжетті бетінің қалыптасуын бейімдеуші түрліше конструкциядағы әрекеттестіру құрылғылары орнатылады, және де бұл құрылғылар негізгі жұмысшы орта болып табылады. Бұл әрекеттестіруші құрылғылар конструкциясы бойынша алуан түрлі, және де олардың нақтылы қолданылуы массаалмасушы процесстің түріне және әрекеттесуші орталардың физико-химиялық қасиеттеріне байланысты қабылданады. Массаберілу теориясынан мәлім болғандай, бір ортадан екінші ортаға өтетін заттардың мөлшері фазалық әрекеттесу бетіне және процестің қозғалушы күшіне,яғни қарастырушы компоненттердің концентрациясының айырмасы бара-бар. Массаалмасу процесінің қозғаушы күші шектеулі шама болғандықтан процестің қарқындылығын арттырудың жалғыз жолы әрекеттесуші фазалардың әрекеттесу бетін арттыру болып табылады. Осыған орай фазааралық беттің түзелу принципі, массаалмасу аппараттардың топтастырылуының негізіне қаланған. 1-суретте өнеркәсіпте кеңінен таралған біршама типтік массаалмасу аппараттарының топтастырылу схемасы келтірілген. Бұл схемада кристализаторлар келтірілмеген, себебі кристаллдау процесі сипаты бойынша жылуалмасу процесіне сай келеді, және де жеке массаалмасу аппараттарының тобын құрайды. Пленкалы аппараттар өздігінде ішінде құбырдан және табақшадан жасалған тоғыстырғыш құрылғылы болып келеді. Сұйық тоғыстырғыш элемент бетінде жоғарыдан төмен өз салмағының ықпалымен, және газ ағынының кинетикалық энергиясы ықпалыменен төменнен жоғары қарайғы бағыттарда жүреді. Әрекеттесуші фазалардың қозғалу бағытына қарай бағыттас және қарсы ағысты деп түрленуі мүмкін. Сұйықты біркелкі беру үшін аппараттың жоғарғы бөлігінде арнаулы тарату құрылғысы қарастырылған. Сұйықты тарату құрылғысының басты тағайындалуы тұтқама бетінде қалыпты пленкалық ағысты қамтамасыз ету. Мұндай типтегі аппараттардың басты артықшылығы газ ағынының үлкен жылдамдығы (пленканы төменнен жоғары қарайғы ағысында 30-40м/с жетеді) және төмен гидравликалық кедергісінің болуы. Мұндай аппараттарда массаалмасу процесінің қарқындылығы жұмыс аймағындағы секциялануының арқасында анағұрлым артық. Сөрелі аппараттар жиі сұйық-сұйықтық экстракция процестері үшін қолданылады. Ауыр сұйық тамшылары колиценциялана отырып қатты тұтас фазаменен шайылатын бөгеттерді жұқа пленка түрінде ағып өтеді. Шашыратқышты аппараттар абсорбция және сұйыктық экстракция процестерінде қолданылады. Мұндай аппараттарда фазааралық бет, тұтас фазаға шашыратылып берілген сұйық тамшысының беті болып есептеледі. Бірінші тәсілде газ төменнен жоғары қарай қозғалса, ал сұйық бағананың жоғарғы бөлігінде орналасқан шашыратқыш құрылғы арқылы сұйық шашырау алауын төмен қарай немесе көлбеу белгілі бұрышпен береді, сонымен қатар бірнеше қатарда орналасып төменнен жоғары қарайғы бағытта береді. Қарсы ағыстағы кеуек шашыратқыш скрубберлерде газ жылдамдығын 1 м/с дейін көтеруге болады, жоғары жылдамдықтарда газбенен үлкен мөлшердегі сұйықтың жетілуі орын алады. Газ бен сұйықтың бағыттас ағысында процесті үлкен жылдамдықтарда жүргізуге болады (20-30 м/с және оданда жоғары). Мұндай аппараттар үлкен өнімділікті қамтамасыз еткеніменен, процесс өте төмен тиімділікте жүреді. Мұндай массаалмасу аппараттарының түріне табақшапы және тұтқамалы бағаналар жатады. Фазалардың әрекеттесу беті бұл аппараттарда сұйық пен газдың қарсы ағысында түзіледі, мұнда газ түрлі типтегі тұтқама бетіндегі сұйық қабаты арқылы барботаждалады. Табақшалы аппараттарда сұйық табақша беттерінде белгілі қабат түзе отырып жоғарыдан төмен қарай табақшадан табақшаға ағады, ал газ төменнен жоғары қарай аға отырып табақшалардың тоғыстыру құрылғыларында бірнеше шағын толастарға шағылып сұйықпенен әрекеттеседі де бағананың жоғарғы бөлігінен тыс шығарылады.Сонымен тоғысу бетінің ауданын мұндай аппараттарда тұтқама және табақшалардың конструктивті сипаттамалары, олардың орналасу жағдайы (ретпен, аралық адымы және т.б). Тиімді гидродинамикалық тәртіпті қамтамасыз ете отырып анықтайды. Мұндай тоғыстырғыш элементтердің конструктивті түрлері 2-ші кестеде келтірілген және де әрқайсысының ерекшеліктері, тағайындалуы және қолдану бойыша нұсқаулықтар, олардың басым тұстары мен кемшіліктері окулықтарда келтірілген. Екпінді әсер дисперсияланған фазаның тамшыға ұсақталуын бейімдей отырып, әрекеттесу бетін арттырады, олардың қарқынды араласуын, сонымен қатар дисперсияланушы фазаның аппаратта болу уақытын ұзартады.Екпінді аппараттарда түрлі конструкциядағы пульсаторларды қолданады: поршенді(плунжерлік), мембраналы , пневматикалық . Поршендік пульсаторлар: жеңіл фазаны беру желісіне, не бағананың түбіне тікелей жалғанған клапансыз поршенді сорап.Пневматикалық пульсатордың көмегіменен сораппенен жалғанған камерадағы сұйыктың бос деңгейінің үстіндегі ауаның немесе инертті газдың қысымы поршеннің қозғалысыменен мезгілді қысымы өзгеріп отырады. Бұл тербелістер тұтқамалы экстракторлық бағанадағы сұйықтың тербелмелі қозғалысын туындайды. Мембраналық пульсаторларда сұйыққа тербелмелі қозғалыс мембрана арқылы хабарланады, және де бұл аппаратта өңделінетін және жұмысшы сұйықтарды бөледі.Сифонды пульсаторларда сифонның механикалық тербелісін ондағы толтырылған сұйықтың сәйкесінше тербелісіне түрлендіріледі.Екпінді аппараттардың басты кемшілігі, оның диаметірінің шектелгендігі (әдетте 60-800 мм аспайды). Диаметрдің артуыменен гидродинамикалық сипаттамаларды қамтамасыз ету қиындығы байқалады (жылдамдықтың аппарат қимасында біркелкі таралмауы, кавитацияның орын алуы), сондай-ақ аппараттағы үлкен сұйық көлеміне екпінді әсерді хабарлау үшін энергия шығыны артады. жүктеу/скачать 100,27 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
1 2