ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Содержант Предисловие редактора из "Массопередача" Книга профессоров химической технологии Калифорнийского университета (США, Беркли) Т. Шервуда, Р. Пигфорда и Ч. Уилки Массопередача написана на основе известной монографии Т. Шервуда и Р. Пигфорда Абсорбция и экстракция , переработанной сообразно современным достижениям науки и инженерной практики. [c.9] Массообменные процессы составляют исключительно широкий класс процессов, протекающих в системах жидкость —газ (пар), жидкость —жидкость и газ (жидкость) —твердое тело. Авторы книги первостепенное внимание уделили инженерным аспектам проблемы и освещению начал теории массообмена, требующихся для научно обоснованной характеристики разных процессов массообмена и расчета соответствующего оборудования. Однако авторы использовали также полуэмпирические и эмпирические соотношения, обобщающие опытные данные в тех, к сожалению, еще весьма многочисленных случаях, когда теоретические решения не позволяют количественно описать процесс. [c.9] Во введении к книге отмечено Ученые бьются над теми проблемами, которые можно решить инженеры сталкиваются с задачами, которые должны быть решены . В этом подходе заключено главное методическое отличие настоящей книги от выпущенной в 1974 г. издательством Химия монографии Р. Берда, В. Стьюарта и Е. Лайтфута Явления переноса . В то же время книга Массопередача не представляет собой свод практических рекомендаций типа Справочника инженера-химика под редакцией Дж. Перри. В ней раскрыта сущность наиболее важных явлений массообмена, четко, ясно и кратко изложены теория и принципы расчета массообменных процессов, необходимые инженеру-химику. Практически по каждому из затронутых вопросов дана достаточно полная информация о результатах экспериментальных исследований и приведены основные теоретические положения. [c.9] Краткий обзор содержания книги показывает, что только три последние главы посвящены расчету конкретных массообменных процессов. В остальных главах в достаточно полном объеме описаны общие методы и наиболее важные экспериментальные результаты, затрагивающие сущность физико-химических процессов и явлений и используемые в равной мере при расчете процессов абсорбции, адсорбции, испарения, ионного обмена, жидкостной экстракции, дистилляции, кристаллизации, экстрагирования, а также при расчете конденсаторов и градирен. Изложение основ расчета такого многообразия процессов и оборудования с единых позиций при сохранении сравнительно небольшого объема — неоспоримое достоинство книги и большая заслуга ее авторов. [c.10] Можно надеяться, что книга Массопередача в русском переводе будет с интересом встречена советскими читателями и окажется полезной для широкого круга специалистов в области химической науки и инженерной химии. [c.10] Перенос массы происходит, где бы ни протекала химическая реакция, будь то промышленный реактор, биологическая система или исследовательская установка. Как отмечал Вейсц [1], реагенты должны встретиться, если нужно, чтобы реакция происходила заметим, что во многих случаях реакция замедляется или прекращается, если не удаляются ее продукты. Взаимодействующим веществам нетрудно прийти в контакт при гомогенных реакциях в одной хорошо перемешиваемой жидкой или газовой фазе. Однако скорость массопередачи может полностью определять химическое превращение, когда реагенты должны перемещаться из одной фазы в другую, чтобы протекала реакция. Сюда, например, можно отнести случай, когда реакция происходит на поверхности очень активного катализатора, который находится в контакте с жидкой средой, доставляющей взаимодействующие вещества и уносящей продукты реакции. При обратимом процессе реакция протекает лучше, если целевой продукт непрерывно удаляется за счет переноса массы во вторую фазу, в которой превращения не происходит. Кроме того, относительные скорости массопередачи нескольких реагирующих компонентов и продуктов реакции могут в значительной мере оказывать влияние на избирательность, если при этом протекают конкурирующие реакции. [c.11] Общий предмет массопередачи можно подразделить на четыре широкие области, представляющие особый интерес и важность молекулярная диффузия в неподвижной среде, диффузия в жидкостях при ламинарном течении, турбулентная диффузия, или перемешивание в свободном турбулентном потоке, и массопередача между двумя фазами. [c.11] Первая область была объектом многочисленных исследований на протяжении свыше ста лет, и для диффузии в газах теория разработана хорошо, хотя этого нельзя сказать о диффузии в жидкостях. Вторая область является приложением первой и трактует с помощью математических манипуляций, зачастую трудных, что известно о молекулярной диффузии в тех случаях, когда поле скоростей течения можно описать или вычислить. [c.12] Турбулентная диффузия в свободном потоке, вдали от фазовой границы, — это процесс, посредством которого выходящие из трубы газы рассеиваются в атмосфере и во многих случаях происходит перемешивание, как в турбулентных струях. Перенос между двумя фазами через межфазную границу особенно важен для технологии вследствие того, что он реализуется в большинстве процессов разделения, скажем, при извлечении чистого продукта из смеси. Испарение жидкости из резервуара, насыщение крови кислородом, очищение атмосферы от загрязняющих ее веществ дождем, химическая реакция на поверхности катализатора или в его порах, осаждение слоя вещества при электролизе или электрофорезе, сушка дерева и удаление углерода из стали при продувке воздуха или кислорода —все это примеры массопередачи между фазами. [c.12] Интерес инженера-химика к массопередаче вытекает главным образом из его традиционной роли как специалиста при проектировании процессов разделения. Материалы, вступающие в химическое взаимодействие, предварительно очищают путем разделения или концентрирования реагирующих веществ, а ценные продукты необходимо выделить из потока, покидающего реактор. Хотя массообменное оборудование по отношению к реактору является вспомогательным, его стоимость нередко составляет значительную часть капиталовложений в установку. Эту ситуацию иллюстрирует рис. 1.1, который представляет собой технологическую схему промышленного производства формальдегида окислением метанола. Небольшой реактор содержит несколько слоев катализатора в виде серебряной сетки. Остальная часть установки включает типично массообменное оборудование для очистки исходных веществ, извлечения и очистки продукта, отделения и рециркуляции непрореагнровавшего метанола. Массопередача существенна и в самом реакторе, поскольку образование формальдегида не может происходить быстрее, чем скорость переноса меганола и кислорода из потока газа к поверхности серебра. [c.12] Ввиду того, что вопросы молекулярной диффузии и термодинамики изучены сравнительно подробно, многих инженеров-химиков особенно интересуют именно те факторы, которые определяют скорость межфазного переноса. Размеры и стоимость массообменного оборудования данного типа практически обратно пропорциональны потоку массы через единицу поверхности раздела фаз, который играет главную роль при проектировании процесса. Информация о скоростях переноса для различных практически важных случаев, несмотря на ее решающее значение, зачастую отсутствует и должна быть оценена по разрозненным данным с учетом принципов, обсуждаемых в последующих главах. [c.15] Во многих промышленных процессах, зависящих от массообмена, имеют дело с одним или с несколькими потоками жидкости, движущимися турбулентно. В то же время существующая теория турбулентности совершенно недостаточна для того, чтобы служить фундаментом для разработки практически полезной теории переноса массы на межфазной границе. Трудности описания турбулентности представляют собой главный камень преткновения в создании теоретической основы массопередачи между фазами. Дж. Бэтчелор, известный авторитет в области механики жидкостей и газов, еще в 1957 г. писал, что современная технология нуждается в помощи при описании и анализе турбулентных течений и она не может ждать, пока ученые поймут тайны турбулентности [2]. Вероятно, подобная ситуация сохраняется и сейчас. Вследствие этого существующие корреляции данных, относящихся к скоростям переноса, по необходимости являются в значительной мере эмпирическими. Они оказываются исключительно полезными при проектировании технологического оборудования, хотя требуемые для этого сведения и корреляции очень часто отсутствуют или позволяют лишь приблизительно оценить размеры массообменных аппаратов и режимы их работы. Тем не менее инженер-конструктор должен применять имеющиеся средства в тесных рамках как ограничений по равновесиям, так и экономики. [c.15] В живой ткани диффузия может происходить в направлении отрицательного концентрационного градиента. Такое явление активного переноса объясняется, по-видимому, подводом свободной энергии или работы, необходимой для концентрирования за счет диффузии, которая заставляет растворенное вещество диффундировать в гору . Если этот процесс окажется понятым, он сможет получить распространение в промышленности. [c.16] Изложение материала в книге имеет своей целью помочь ин-женеру-химику познать явления массопередачи и существующие теории тогда, когда они могут быть приложимы и полезны. Хотя книга предназначена главным образом исследователю, она, тем не менее, может оказаться интересной и нужной инженеру-прак-тику. Удовлетворить потребности обоих вряд ли возможно, поскольку первого больше привлекает теория, а второго —сведения по проектированию. Литература по рассматриваемому предмету исключительно обширна, поэтому больше не представляется возможным отбирать и сопоставлять опытные данные с той полнотой, к которой стремились в предыдущих вариантах книги ( Абсорбция и экстракция , Мак-Гроу-Хилл, Нью-Йорк, 1937 г. и 1952 г.). [c.16] Собственно проектированию посвяш,ены только три последних раздела книги, причем с целью получения большинства необходимых данных читатель отсылается к Справочнику инженера-химика под редакцией Дж. Перри и другим источникам. В главах 2—8 авторы попытались заложить основы понимания явлений, теорий, основных принципов и характера существующих сведений по массопередаче. Без такого осмысления пользование справочными данными может привести к серьезным ошибкам при проектировании и дорогостоящим простоям технологического оборудования. [c.17] Может показаться, что в книге сделан упор на массопередачу при абсорбции газов, однако рассматриваемые явления, теория и принципы проектирования в равной мере относятся также и к дистилляции, жидкостной экстракции, кристаллизации, выщелачиванию и другим массообменным процессам, имеющим промышленное значение. Перечисленные процессы описаны в различных трудах, прежде всего в книге Процессы разделения [3], излагающей главным образом дистилляцию, и в монографиях по жидкостной экстракции Трейбала [4] и Хансона [5]. [c.17] Книга включает ряд примеров, проверенных практикой. Читатель, будь он исследователем или инженером-практиком, должен рассматривать их наравне с текстовым материалом. Понимание единиц, которые необходимо применять и умение выполнять простые расчеты с помощью логарифмической линейки или арифмометра очень важны для инженера. Использование цифр помогает уяснить смысл уравнений. Вообще же авторы стремились свести к минимуму применение высшей математики и машинных вычислений. Задачи, которые приводятся в конце глав и решения которых не даются, взяты в основном из лекционных курсов, прочитанных в Калифорнийском университете в Беркли, Делавэрском университете и в Массачусетском технологическом институте. Недостатки этих задач должны стимулировать преподавателей к составлению новых и лучших задач для своей работы в студенческой аудитории. [c.18] Авторы признательны своим коллегам и друзьям за советы и помощь. Мы благодарим доктора Урс фон Штоккара за содействие в подготовке наглядных задач к главе 9. Мы очень обязаны также профессорам К. Смиту из Массачусетского технологического института и Т. Вермюлену из Беркли, нашему секретарю мисс Мире Бейкер, многим преподавателям и аспирантам, с которыми совместно трудились. [c.18] Вернуться к основной статье