Зовнішньо дифузійна кінетика масообміну. Особливості кінетики адсорбції

Abstract

Проаналізовано зовнішньодифузійну стадію масообміну у системах з твердою фазою. Наведено рівняння зовнішньодифузійної кінетики для транспорту маси з об’єму рідини до поверхні твердої фази (кристалізація, адсорбція, іонний об’єм) та з поверхні твердої речовини до рідини (розчинення, екстрагування, сушіння, десорбція). У кожному випадку масовий потік визначається різницею концентрацій на поверхні твердої фази та у рідині, що становить рушійні сили для проаналізованих процесів. Показано, що рушійні сили є змінними у процесі масообміну. Досліджено зовнішньодифузійну кінетику адсорбції іонів купруму природним цеолітом в апараті з механічним перемішуванням. Одержано криві кінетики адсорбції за різних чисел обертів мішалки. Представлено рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра та визначено адсорбційну здатність для області низьких концентрацій лінійним рівнянням Генрі. Рушійна сила адсорбції визначається різницею концентрацій у рідкій фазі та у приповерхневому шарі адсорбента, які є змінними у часі величинами. Трудність визначення приповерхневої концентрації полягає у тому, що ця концентрація визначається адсорбційною здатністю адсорбенту, а також залежить від проникнення іонів купруму у внутрішню структуру адсорбенту. Подано експериментально одержані зміни концентрації іонів купруму у рідині та на їх основі визначено коефіцієнти масовіддачі. Експериментальні результати узагальнено за допомогою безрозмірних комплексів критеріїв подібності Рейнольдса та Шервуда та представлено графічну інтерпретацію експериментальних результатів. Одержана прямолінійна залежність Sh = 0,015 Reм з високим ступенем достовірності (R2 = 0,9992) описує процес зовнішньодифузійної стадії адсорбції і показує, що коефіцієнт масовіддачі прямо пропорційний для діапазону чисел Рейнольдса 6000–20000 числу обертів перемішуючого пристрою. Одержана критеріальна залежність корелюється з аналогічними залежностями для зовнішньодифузійних процесів розчинення, яка проводяться в апаратах з механічними перемішуючими пристрями.

The external diffusion stage of mass transfer in systems with a solid phase was analyzed. The equations of external diffusion kinetics are presented for mass transport from the volume of a liquid to the surface of a solid phase (crystallization, adsorption, ion exchange) and from the surface of a solid to a liquid (dissolution, extraction, drying, desorption). In each case, the mass flow is determined by the difference in concentrations on the surface of the solid phase and the liquid, which is the driving force for the analyzed processes. It is shown that the driving forces are variable in the process of mass transfer. The external diffusion kinetics of the adsorption of cuprum ions by natural zeolite in an apparatus with mechanical stirring was studied. The curves of the kinetics of adsorption at different numbers of revolutions of the mixer were obtained. The Langmuir adsorption isotherm equation was presented and the adsorption capacity for the low concentration region of cuprum is determined by the linear Henry equation. The driving force of adsorption was determined by the difference in the concentration of cuprum in the liquid phase and in the surface layer of the adsorbent, which were time-varying quantities. The difficulty in determining the surface concentration lies in the fact that the concentration was determined by the adsorption capacity of the adsorbent, and also depends on the penetration of cuprum ions into the internal structure of the adsorbent. Experimentally obtained changes in the concentration of cuprum ions in a liquid were presented, and mass transfer coefficients are determined on this basis. The experimental results were summarized using dimensionless complexes – criteria for the similarity of Reynolds and Sherwood. A graphical interpretation of the experimental results was presented. A linear dependence Sh = 0.015 Rem was obtained with high reliability (R2 = 0.9992), which describes the process of the external diffusion adsorption stage was proportional to the number of revolutions of the mechanical mixing device in the range of Reynolds numbers 6000–20000. The obtained criterial dependence correlates with similar dependences for external diffusion dissolution processes, which were carried out in devices with mechanical mixing devices.