Рідина
Рідина - одне з агрегатних станів
речовини. Основною властивістю рідини, що відрізняє
її від інших агрегатних станів, є здатність
необмежено змінювати форму під дією дотичних
механічних напруг, навіть як завгодно
малих, практично зберігаючи при цьому
обсяг.
Рідке стан зазвичай вважають посередником між твердим тілом і газом : газ не зберігає ні обсяг, ні форму, а тверде тіло зберігає і те, і інше.
Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їх поверхня поводиться як пружна мембрана. Так, вода може збиратися в краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає незбереження форми (внутрішніх частин рідкого тіла).
Молекули рідини не мають певного становища, але в той же час їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, достатньо сильне, щоб утримати їх на близькій відстані.
Речовина в рідкому стані
існує в певному інтервалі темп
Як правило, речовина в рідкому стані має тільки одну модифікацію. (Найбільш важливі винятки - це квантові рідини і рідкі кристали.) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічної фазою (рідка фаза).
Всі рідини прийнято ділити на чисті рідини і суміші. Деякі суміші рідин мають велике значення для життя: кров, морська вода та ін Рідини можуть виконувати функціюрозчинників.
У технічній гідромеханіці під
рідиною розуміють фізичне
Рідка частка - це частина рідини, мала в порівнянні з обсягом розглянутої рідини, і в той же час містить макроскопічно велика кількість молекул рідини.
1. Фізичні властивості рідин
- Плинність
Основною властивістю рідин є плинність. Якщо до ділянки рідини, що знаходиться в рівновазі, докласти зовнішню силу, то виникає потік частинок рідини в тому напрямку, в якому ця сила прикладена: рідина тече. Таким чином, під дією неврівноважених зовнішніх сил рідина не зберігає форму і відносне розташування частин, і тому приймає форму судини, в якому знаходиться.
На відміну від пластичних твердих тіл, рідина не має межі текучості : досить прикласти як завгодно малу зовнішню силу, щоб рідина потекла.
- Збереження обсягу
Одним з характерних властивостей рідини є те, що вона має певний обсяг (при незмінних зовнішніх умовах). Рідина надзвичайно важко стиснути механічно, оскільки, на відміну від газу, між молекулами дуже мало вільного простору. Тиск, вироблене на рідину, укладену в посудину, передається без зміни в кожну точку обсягу цієї рідини (закон Паскаля, справедливий також і для газів). Ця особливість, разом з дуже малою сжимаемостью, використовується в гідравлічних машинах.
Рідини зазвичай збільшують об'єм (розширюються) при нагріванні і зменшують обсяг (стискуються) при охолодженні. Втім, зустрічаються і виключення, наприклад, водастискується при нагріванні, при нормальному тиску і температурі від 0 C до приблизно 4 C. А, наприклад, гальмівна рідина в автомобілях, стискається дуже погано.
- В'язкість
Крім того, рідини (як і гази) характеризуються в'язкістю. Вона визначається як здатність чинити опір переміщенню однієї з частин щодо іншої - тобто як внутрішнє тертя.
Коли сусідні шари рідини рухаються відносно один одного, неминуче відбувається зіткнення молекул додатково до того, що обумовлено тепловим рухом. Виникають сили, загальмовують впорядкований рух. При цьому кінетична енергія впорядкованого руху переходить в теплову - енергію хаотичного руху молекул.
Рідина в посудині, наведена в рух і надана сама собі, поступово зупиниться, але її температура підвищиться.
- Освіта вільної поверхні і поверхневий натяг
Через збереження обсягу рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: по один бік знаходиться рідка фаза, по інший - газоподібна (пар), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря.
Якщо рідка і газоподібна фази одного і того ж речовини стикаються, виникають сили, які прагнуть зменшити площу поверхні розділу - сили поверхневого натягу. Поверхня розділу поводиться як пружна мембрана, яка прагне стягтися.
Поверхневий натяг може бути пояснено притяганням між молекулами рідини. Кожна молекула притягує інші молекули, прагне "оточити" себе ними, а значить, піти з поверхні. Відповідно, поверхня прагне зменшитися.
Тому мильні бульбашки і міхури при кипінні прагнуть прийняти сферичну форму: при даному обсязі мінімальної поверхнею має кулю. Якщо на рідину діють лише сили поверхневого натягу, вона обов'язково візьме сферичну форму - наприклад, краплі води в невагомості.
Маленькі об'єкти з щільністю, більшої щільності рідини, здатні "плавати" на поверхні рідини, тому що сила тяжіння менше сили, що перешкоджає збільшенню площі поверхні. (Див. Поверхневий натяг.)
- Випаровування і конденсація
Випаровування - поступовий перехід речовини з рідини в газоподібну фазу (пар).
При тепловому русі деякі молекули залишають рідину через її поверхню і переходять в пару. Разом з тим, частина молекул переходить назад з пари в рідину. Якщо з рідини йде більше молекул, ніж приходить, то має місце випаровування.
Конденсація - зворотний процес, перехід речовини з газоподібного стану в рідкий. При цьому в рідину переходить з пара більше молекул, ніж у пар з рідини.
Випаровування і конденсація - нерівноважні процеси, вони відбуваються до тих пір, поки не встановиться рівновага локальне (якщо встановиться), причому рідина може повністю випаруватися, або ж прийти в рівновагу зі своїм парою, коли з рідини виходить стільки ж молекул, скільки повертається.
- Кипіння
Кипіння - процес пароутворення всередині рідини. При досить високій температурі тиск пари стає вище тиску всередині рідини, і там починають утворюватися бульбашки пари, які (в умовах земного тяжіння) спливають наверх.
- Змочування
Змочування - поверхневе явище, яке виникає при контакті рідини з твердою поверхнею у присутності пари, тобто на кордонах розділу трьох фаз.
Змочування характеризує "прилипання" рідини до поверхні і розтікання по ній (або, навпаки, відштовхування і нерастеканіе). Розрізняють три випадки: несмачіваніе, обмежене змочування і повне змочування.
- Змішуваність
Змішуваність - здатність рідин розчинятися один в одному. Приклад змішуються рідин: вода і етиловий спирт, приклад незмішуваних: вода та рідке масло.
- Дифузія
При знаходженні в
посудині двох змішуються рідин молекули
в результаті теплового руху починають поступово проходити через
поверхню розділу, і таким чином рідини
поступово змішуються. Це явище називається дифузією (
- Перегрів і переохолодження
Рідина можна нагріти
вище точки кипіння таким чином,
що кипіння не відбувається. Для
цього необхідний рівномірний нагрів,
без значних перепадів
Переохолодження - охолодження рідини нижче точки замерзання без перетворення в тверде агрегатний стан. Як і для перегріву, для переохолодження необхідно відсутність вібрації і значних перепадів температури.
- Хвилі щільності
Хоча рідина надзвичайно важко стиснути, тим не менш, при зміні тиску її обсяг і щільність все ж змінюються. Це відбувається не миттєво; так, якщо стискається одну ділянку, то на інші ділянки таке стиснення передається з запізненням. Це означає, що всередині рідини здатні поширюватися пружні хвилі, більш конкретно, хвилі щільності. Разом з щільністю змінюються й інші фізичні величини, наприклад, температура.
Якщо при поширенні хвилі щільність змінюється досить слабо, така хвиля називається звуковою хвилею, або звуком.
Якщо щільність змінюється досить сильно, то така хвиля називається ударною хвилею. Ударна хвиля описується іншими рівняннями.
Хвилі щільності в рідині є поздовжніми, тобто щільність змінюється вздовж напрямку поширення хвилі. Поперечні пружні хвилі в рідині відсутні через незбереження форми.
Пружні хвилі в рідині з часом затухають, їх енергія поступово переходить в теплову енергію. Причини загасання - в'язкість, "класичне поглинання", молекулярна релаксація та інші. При цьому працює так звана друга, або об'ємна в'язкість - внутрішнє тертя при зміні щільності. Ударна хвиля в результаті загасання через якийсь час переходить в звукову.
Пружні хвилі в рідині схильні також розсіювання на неоднорідностях, що виникають в результаті хаотичного теплового руху молекул.
- Хвилі на поверхні
Якщо змістити ділянку поверхню рідини від положення рівноваги, то під дією повертають сил поверхня починає рухатися назад до рівноважного стану. Цей рух, однак, не зупиняється, а перетворюється в коливальний рух близько рівноважного положення і поширюється на інші ділянки. Так виникають хвилі на поверхні рідини.
Якщо повертає сила - це переважно сили тяжіння, то такі хвилі називаються гравітаційними хвилями (не плутати з хвилями гравітації). Гравітаційні хвилі на воді можна бачити повсюдно.
Якщо повертає сила - це переважно сила поверхневого натягу, то такі хвилі називаються капілярними.
Якщо ці сили порівнянні, такі хвилі
називаються капілярно-
Хвилі на поверхні рідини загасають під дією в'язкості та інших факторів.
- Співіснування з іншими фазами
Формально кажучи, для рівноважного співіснування рідкої фази з іншими фазами тієї ж речовини - газоподібної або кристалічної - потрібні певні умови. Так, при даному тиску потрібна строго певна температура. Тим не менш, у природі і в техніці повсюдно рідина співіснує з парою, чи також і з твердим агрегатним станом - наприклад, вода з водяною парою і часто з льодом (якщо вважати пар окремої фазою, присутньої поряд з повітрям). Це пояснюється наступними причинами.
- Неравновесное стан. Для випаровування рідини потрібен час, поки рідина не випарувалася повністю, вона співіснує з парою. У природі постійно відбувається випаровування води, також як і зворотний процес - конденсація.
- Замкнутий обсяг. Рідина в закритій посудині починає випаровуватися, але оскільки обсяг обмежений, тиск пари підвищується, він стає насиченим ще до повного випаровування рідини, якщо її кількість була досить велика. При досягненні стану насичення кількість випаровуваної рідини дорівнює кількості конденсованої рідини, система приходить в рівновагу. Таким чином, в обмеженому обсязі можуть встановитися умови, необхідні для рівноважного співіснування рідини і пари.
- Присутність атмосфери
в умовах земної гравітації. На
рідина діє атмосферний тиск (повітря
і пар), тоді як для пара має
враховуватися практично
Розділ 11. Сушіння
11.1. Загальні відомості
Вологу можна
видаляти з матеріалів механічними
засобами (віджимом, відстоюванням, фільтруванням,
центрифугуванням). Проте більш повне
зневоднювання досягається
Тепловим сушінням, або просто сушінням, називають процес видалення вологи з речовин (звичайно твердих тіл) шляхом її випару і відводу пари, що утвориться. Цей процес застосовується звичайно або на кінцевій стадії технологічного процесу з метою забезпечення високих фізико-хімічних характеристик одержаних продуктів, або на проміжних стадіях, якщо виділення розчинника необхідно за технологічними міркуваннями.
За своєю фізичною сутністю сушіння є складним дифузійним процесом, швидкість якого визначається швидкістю дифузії вологи з глибини сушильного матеріалу і навколишнього середовища, тобто даний процес зводиться до перерозподілу і переміщення вологи під дією тепла з глибини матеріалу висушується, до його поверхні й наступного її випару. Таким чином, процес сушіння є сполученням пов'язаних один з одним процесів тепло — і масопереносу.
У процесі сушіння вологе тіло прагне до стану рівноваги з навколишнім парогазовим середовищем, тому його температура іе і вологонасиченність w° у загальному випадку є функцією часу (!) і координат (х, у, z):
За способом підводу теплості до висушуваного матеріалу розрізняють такі види сушіння:
— конвективне сушіння — шляхом безпосереднього контакту матеріалу і сушильного агента. Підведення теплості здійснюється газовою фазою, що у процесі сушіння прохолоджується зі збільшенням свого вологовмісту;
контактне сушіння — шляхом передачі тепла від теплоносія до матеріалу через стінку, що їх розділяє;
—радіаційне сушіння — шляхом передачі тепла інфрачервоним випромінюванням;
сублімаційне сушіння, при якому волога видаляється з матеріалу в замороженому стані при глибокому вакуумі;
діелектричне сушіння — шляхом нагрівання в полі токів високої частоти.
Матеріал, що висушується при будь-якому методі сушіння, перебуває в контакті з вологим газом. У більшості випадків видаленню з матеріалу підлягає вода, тому звичайно розглядають систему сухого повітря — пара води.
11.2. Основні фізичні властивості вологого газу
Суміш сухого повітря з парою рідини називається вологим газом. Вологий газ характеризується такими параметрами: температура, тиск, щільність, відносна й абсолютна вологість, волого- вміст, теплоємкість, ентальпія (тепловміст).
Вологе повітря, що найбільш часто використовують як сушильного агента, можна вважати при невеликих тисках і позитивних температурах бінарної сумішшю ідеальних газів: сухого повітря і водяної пари. Відповідно до закону Дальтона тиск ідеальної газової суміші є сумою парціальних тисків її компонентів:
(11.3)
де P — тиск,
при якому знаходиться
рс.г., рп — парціальні тиску сухого газу і водяної пари відповідно.
Максимально можливий вміст пари в газі, вище за який спостерігається конденсація, відповідає умовам насичення при визначеній температурі t і парціальному тиску рн. п.
Як було зазначено вище, розрізняють абсолютну, відносну вологості й вологовміст вологого повітря.
Абсолютна вологість визначається кількістю водяної пари в кг, що міститься в 1 м3 вологого повітря. Вологе повітря підпорядковується законам ідеальних газів. Тоді водяна пара, як компонент бінарної газової суміші, перебуваючи під парціальним тиском рп, повинна займати весь об'єм суміші (1 м3). Тому абсолютна вологість дорівнює масі 1 м3 пари, або щільності водяної пари рп (кг/м3) при температурі повітря і парціальному тиску рп.
Відносна вологість (ф), або ступінь насичення повітря — це відношення маси водяної пари в 1 м3 вологого повітря рп за даних умов до максимально можливої маси водяної пари в 1 м3 повітря (щільності насичення) рн.п. за тих самих умов (температури і загальному барометричного тиску):
(11.4)
Відповідно до рівняння стану ідеальних газів (рівняння Менделєєва — Клапейрона), маємо:
(11.5)
де T — абсолютна температура, °К,
Мп — мольна маса водяної пари, що дорівнює 18 кг/кмоль; R — універсальна газова постійна, що дорівнює
8314———=1,99—ккал—;
кмоль град кмоль град
р н.п. — тиск насиченої водяної пари при даній температурі й загальному барометричному тиску, Н/м2.
Підставивши залежності (11.5) у рівняння (11.4), одержимо:
(11.6)
Маса водяної пари (кг), що міститься у вологому повітрі й припадає на 1 кг абсолютно сухого повітря, називається вологов- містом повітря (пари):
(11.7)
де G — маса (масова витрата) водяної пари, кг (кг/с);
L — маса (масова
витрата) абсолютно сухого
де рс. в. — парціальний тиск абсолютно сухого повітря;
Мс.г. — мольна маса абсолютно сухого повітря (газу), дорівнює 29 кг/кмоль.
За законом Дальтона рс.г. дорівнює різниці загального тиску вологого повітря Р і парціального тиску водяної пари в ньому:
З рівняння (11.6):
Підставляючи в рівняння (11.8) значення рс.г. і рп одержимо:
(11.9)
Для системи водяна пара-повітря рівняння (11.9) перетвориться (при Mn = 18 кг/міль і Мс.г. = 29 кг/міль) до виду
(11.10)
Питома теплоємкість вологого повітря (газу) приймається аддитивною величиною теплоємностей сухого повітря (газу) і водяної пари.
(11.11)
де сс.г. — питома теплоємкість сухого повітря (газу), Дж/(кг- К); сп — питома теплоємкість водяної пари, Дж/(кг- К). Питома ентальпія вологого повітря належить до 1 кг абсолютно сухого повітря і визначається при даній температурі повітря t
0C як сума ентальпій абсолютно сухого повітря сс.г/ і водяної пари Xin f Дж 1
ч кг сух. повітря J
(11.12)
де сс.г. — середня питома теплоємкість сухого повітря, що може
Дж
бути прийнята такою, що приблизно дорівнює 1000
кгК
(0,24)
кгК
in — ентальпія водяної пари.
При розрахунках процесу сушіння, крім х, ф і I, необхідно знати щільність або обернену їй величину — питомий обсяг вологого повітря. Щільність вологого повітря рвлв. дорівнює сумі щільностей абсолютно сухого повітря рсг. і водяної пари рп. З огляду на вираження (11.7), щільність водяної пари рп = хрсг., щільність вологого повітря
(11.13)
Щільність абсолютно сухого повітря (газу) із рівняння стану
. (11.14)
Підставляючи значення рсг. і х (11.10) у вираз (11.13), знаходимо
(11.15)
З рівняння (11.15) очевидно, що при даному зовнішньому тиску Р щільність вологого повітря є функцією парціального тиску пари рп і температури Т. У процесі сушіння повітря зволожується (зростає рп) і прохолоджується (зменшується Т). Щільність повітря при сушінні збільшується.
6.1. Загальні
зведення про масообмінні
Технологічні процеси, швидкість протікання, яких визначається швидкістю переносу маси речовини з однієї фази в іншу, називають масообмінними процесами, а апарати для проведення цих процесів — масообмінними апаратами, тобто масообмін — це дифузійний перенос одного або декількох компонентів сумішей з однієї фази в іншу: із газової (парової у рідку або тверду, із рідкої у тверду або в іншу рідку, а також в зворотньому напрямі. Розрізняють два варіанти масообміну: односторонній і двосторонній. У першому варіанті процес завершується переходом речовини з однієї фази в іншу, а в другому — зустрічним переходом речовин із кожної фази в другу.
Відповідно до технологічної схеми, сировина надходить у реактор, де лише частково перетворюється в продукти реакції. Вихідна з реактора суміш (рис. 6.1) продуктів реакції і сировини, що не зреагували, направляється в масообмінну розділювальну апаратуру, у якій проводиться поділ суміші на продукти реакції і сировини, що не зреагувала.
Сировина, що не зреагувала, повертається в реактор, а продукти реакції надходять на подальшу переробку.
У розділювальному апараті можуть проводитися різноманітні процеси. Основними і найважливішими з них є: абсорбція, ректифікація, екстракція, кристалізація, адсорбція, сушіння, іонообмінні процеси і мембранний поділ, а також термодифузія, зонна плавка й інші.
Абсорбція — поглинання газу рідиною, тобто процес поділу, що характеризується переходом речовини з газової фази в
Рис. 6.1. Зв'язок реактора з розділовою апаратурою в технологічній схемі
Екстракція (у системі рідина — рідина) — витяг речовини, розчиненої в рідині, іншою рідиною, що практично не змішується або змішується частково з першою. При цьому компонент, що витягається, з вихідного розчину переходить з однієї рідкої фази в другу.
Перегонка (ректифікація, дистиляція) — поділ гомогенних рідких сумішей шляхом взаємного обміну компонентами між рідиною і парою, отриманою випаром, що розділяється рідкою сумішшю.
Адсорбція — поглинання компонента газу, пару або розчину твердим пористим поглиначем, тобто процес поділу, що характеризується переходом речовини з газової (парової) або рідкої фази у тверду. Обернений процес — десорбція — проводиться після адсорбції і часто використовується для регенерації, що поглинає речовину з поглинача.
Сушка — виділення вологи з матеріалів головним чином шляхом її випари. У цьому процесі волога переходить із твердої фази в газову, або парову.
Кристалізація — виділення твердої фази у вигляді кристалів із розчинів або розплавів. Кристалізація здійснюється в результаті пересичення або переохолодження розчину (розплаву) і характеризується переходом речовини з рідкої фази у тверду.
Розчинення й екстракція (у системі тверде тіло — рідина).
Розчинення характеризується переходом твердої фази в рідку (розчинник) і являє собою, таким чином, процес, зворотний кристалізації.
рідку. Зворотний процес виділення газу з рідини називається десорбцією.
Витяг на основі виборчої розчинності одного або декількох компонентів із твердого пористого матеріалу називається екстракцією або вилужненістю.
Для всіх перерахованих процесів загальним є перехід речовини з однієї фази в іншу, або масопередача. Перехід речовини з однієї фази в іншу пов'язаний із явищем конвективного переносу і молекулярної дифузії, тому перераховані вище процеси одержали назву масообмінних, або дифузійних, процесів.
Масопередачею називають перехід речовин з однієї фази в іншу в напрямку досягнення рівноваги.
Подібно до теплопередачі масопередача являє собою складний процес, що включає перенос речовини (маси) у межах однієї фази, перенос через поверхню поділу фаз і його перенос у межах іншої фази. Як відомо, при теплопередачі середовища, що обмінюються теплом, у більшості випадків розділені твердою стінкою, у той час, як масопередача відбувається звичайно через межу поділу стичних фаз. Ця межа може бути або рухливою (масопередача в системах газ- рідина або пар- рідина, рідина-рідина), або нерухомою (масопередача з твердою фазою).
Процеси масопередачі можна розділити на дві групи. До однієї групи належать процеси (абсорбція, екстракція й ін.), у яких беруть участь мінімально три речовини: одна утворить першу фазу, інша — другу фазу, а третя являє собою речовину, що розподіляється між фазами. Речовини, що складають кожну з фаз, є лише носіями, речовини, що розподіляється, і самі не переходять із фази у фазу. Так, наприклад, при поглинанні аміаку водою з його суміші з повітрям, вода і повітря служать носіями, речовини, що розподіляється, — аміаку.
До іншої групи належать процеси (ректифікація), у яких речовини, що складають дві фази, обмінюючись компонентами, самі безпосередньо беруть участь у масопередачі й вже не можуть розглядатися як інертні носії речовини, що розподіляється.
Перенос речовини з фази до межі поділу фаз або в зворотньому напрямку, тобто в межах однієї з фаз, називається масовіддачею.
Подібно до теплообміну, масообмін характеризується кількістю речовини М, що переходить з однієї фази в іншу (дифузійний потік) за час Т, пропорційно рушійній силі процесу AC І площі міжфазної поверхні F. Розміри M, F і Т пов'язані між собою коефіцієнтом пропорційності ДО, що носить назву коефіцієнта масопередачі,
(6.1)
Коефіцієнт масопередачі характеризує кількість речовини, перенесеної з однієї фази в іншу через одиницю міжфазної поверхні (F = 1м2) в одиницю часу (Т = 1 с) при AC = 1.
Рушійною силою процесу масообміну є різниця концентрацій речовини, що переходить у даній фазі й у стані рівноваги з іншою (що контактує) фазою.
Розрахункові вираження рушійної сили неоднакові для процесів масовіддачі й масопередачі.
Процеси масопередачі виборчі
й здебільшого зворотні, тобто
можуть протікати в протилежних
напрямках залежно від
Засоби вираження складу фаз. Звичайно кількісний склад фаз виражають:
в об'ємних концентраціях, приймаючи за одиницю маси 1 кг або за одиницю кількості речовини 1 міль; об'ємна концентрація являє собою число кілограмів (або киломолей) даного компонента, що припадає на одиницю об'єму фази (у кг/м3 або кмоль/м3);
у вагових або мольних частках, що являють собою відношення маси (або кількості) даного компонента до маси (або кількості) всієї фази;
у відносних концентраціях, тобто у вигляді відношення маси (або кількості) даного компонента речовини, що розподіляється, до маси (або кількості) компонента — носія кількість якого залишається постійною у процесі масопередачі.