3.1.3 Основні визначення

Масопередача – процес переносу речовини з однієї фази до іншої через межу розділу середовищ до досягнення стану рівноваги.

Масовіддача – процес переносу речовини в межах однієї фази.

В процесах масообміну розрізняють речовину, яка переходить із однієї фази до іншої – цільовий компонент, та речовину, яка не приймає участь у масопередачі – носій.

Приклад: Із газової суміші аміак – повітря при контакті з водою відбувається поглинання аміаку. Тобто аміак є цільовим компонентом, а повітря – носієм.

При переносі речовини концентрація цільового компонента в кожній із фаз змінюється. Швидкість зміни концентрації цільового компонента визначає швидкість перебігу процесу і називається кінетикою процесу масопередачі.

Кінетика процесу характеризує залежність між рушійною силою процесу і кількість перенесеної речовини:

М = f (x),

де х – поточна концентрація цільового компонента.

Якщо записати кількість переданої речовини через дифузійний потік, як кількість речовини М, яка буде передана за час  через поверхню F:

(3.1)

Таким чином, для визначення кількісних характеристик дифузійного потоку необхідно визначити функцію f(x), що пов’язано з визначенням концентрацій компонентів в потоках окремих фаз.

3.1.4 Основне рівняння масопередачі

Основне рівняння масопередачі ґрунтується на кінетиці процесу, яка визначає швидкість переносу речовини. Запишемо рівняння кінетики хіміко-технологічних процесів стосовно масообмінних процесів:

, (3.2)

де dM – кількість цільового компонента, яка переходить із однієї фази до іншої;

dF –поверхня контакту фаз;

d – час контакту фаз;

 – рушійна сила процесу;

R – опір процесу масопередачі (дифузійний опір).

Тобто: швидкість процесу масопередачі прямо пропорційна рушійній силі процесу і обернено пропорційна дифузійному опору.

Виконавши заміну - коефіцієнт масопередачі, основне рівняння масопередачі в загальному виді можна записати

(3.3)

Якщо кількість переданої речовини dM* віднести до d, тоді рівняння (3.3) набуває вигляду

(3.4)

Для розрахунку розмірів апаратів необхідно визначити загальну поверхню контакту фаз F, для цього необхідно визначити кількість перенесеної речовини М, розрахувати коефіцієнти масопередачі К та визначити рушійну силу процесу .

3.1.5 Способи вираження концентрацій бінарних сумішей

Бінарна суміш складається з компонентів А і В, можна визначити такими способами:

1. Масова частка. Позначимо масу компонента А - m_A, а масу компонента В – m_В. Тоді маса суміші двох компонентів виразиться

m = m_A + m_B (3.5)

Звідси масові частки компонентів А і В відповідно розраховується:

(3.6)

При цьому виконується умова a_A + a_B = 1.

Відповідно масові відсотки компонентів А і В розраховується за виразами:

; (3.7)

2. Мольна частка.

Якщо n_A і n_B – відповідно число кіломолей компонента А і компонента В, то сумарне число кіломолей:

n = n_A + n_B

Мольні частки компонентів А і В розраховується за виразом:

; (3.8)

При цьому х_A + х_B = 1.

Примітка: Зазвичай позначають через х концентрацію цільового компонента в рідкій фазі, а через y – концентрацію цільового компонента в газовій (паровій) фазі.

Формули перерахунку масової концентрації в молярну.

Позначимо молекулярну масу компонентів А і В відповідно _А і _В.

Візьмемо 1 кг суміші цих двох компонентів, що містять масові частки а_А і а_В.

Тоді число кіломолей компонента А визначиться як:

, (3.9)

а число кіломолей компонента В

(3.10)

Загальне число кіломолей в суміші буде:

(3.11)

Звідси мольна частка компонента А:

(3.12)

Умови нормування: х_А+х_В=1.

Зворотній перерахунок мольної частки у масову проводиться за формулою:

; (3.13)

тобто (3.14)

3. Об’ємна концентрація

Об’ємна масова [кг/м³] та об’ємна мольна [кмоль/м³] концентрації.

Нехай маса 1м³ суміші дорівнює М. Тобто це густина, яка виражається за формулою:

,

звідси масова частка компонента А дорівнює

(3.15)

4. Відносна масова і мольна концентрації

В процесі абсорбції при складанні рівняння матеріального балансу зручніше виражати концентрації у вигляді відношення маси речовини цільового компонента до маси речовини носія. Наприклад: суміш NH₃ – повітря: або .

Якщо масова частка компонента А цільовий компонент позначити через – а_А, а масову частку компонента В (носій) то а_В = 1 – а_а,

тоді відносна масова частка компонента А визначається за виразом :

(3.16)

Якщо через х_а позначати мольну частку компонента, а через х_а = 1 - х_а, тоді відносна мольна частка компонента А виразиться:

(3.17)

Зворотній перерахунок відносної концентрації в мольну проводиться за виразом:

(3.18)

5. Вираження концентрації через парціальний тиск компонентів.

Парціальний тиск в суміші газів пропорційний концентрації компонентів.

Згідно закону Дальтона тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів:

Р = р_А + р_В (3.19)

де Р і V – величини пропорційні, тобто Р_АV = РV_А і тоді об’ємна частка компонента А:

(3.20)

Враховуючи те, що об’єм кілограм молекул газу займає 22.4 м³, то об’ємна частка дорівнює мольній, тобто

,

звідки

(3.21)

і парціальний тиск компонента А:

р_А = Рy_A

Формули перерахунку парціального тиску у відносні концентрації

Р – тиск суміші газів:

Р = р_А + р_В

р_А – парціальний тиск компонента А;

р_В = Р – Р_А – парціальний тиск компонента В.

Газові константи компонентів А і В визначаються за виразами:

(3.22)

де R – універсальна газова константа, _А і _В – молекулярна маса компонентів А і В.

Запишемо рівняння газового стану для цільового компонента А:

(3.23)

і компонента В (носія): ,

якщо Р_В = Р – Р_А,

тоді:

(3.24)

Розділимо почленно рівняння (1.23) і (1.24)

(3.25)

Враховуючи те, що

(3.26)

відносна масова концентрація, вираз (1.25) приводимо до виду:

(3.27)

З урахуванням виразу (1.26) остаточно одержимо:

(3.28)

Ці формули широко застосовуються при розрахунку процеса абсорбції.