|
Процесс выпаривания растворовПроцесс выпаривания растворов54 Содержание
первый корпус второй корпустретий корпус 7. Общая полезная разность температур и распределение по корпусама) F1=F2=…Складывая полезные разности температур отдельных корпусов, получим или:б) Оценим распределение общей полезной разности температур при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов.При минимальной суммарной теплопередающей поверхности в каждом отдельном корпусе поверхность теплообмена будет различной. Различие поверхностей корпусов удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Этот вариант рационален только при изготовлении выпарных аппаратов из дефицитных, дорогостоящих и коррозионностойких материалов.8. Общая характеристика массообменных процессов, массоотдача и массопередача (аналогия с теплопередачей)В химической технологии широко распространены и имеют большое значение процессы массопередачи, которые характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. С помощью таких процессов можно разделить как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и т.п.). Причем наиболее часто процессы массопередачи используются для разделения гомогенных систем.Перенос компонента, совершающийся в пределах фазы, и направленный либо из фазы к межфазной поверхности, либо от межфазной поверхности вглубь фазы, называется массоотдачей (по аналогии с теплоотдачей). А перенос компонента из данной фазы в смежную фазу называют массопередачей. При этом совершается перенос компонента через межфазную поверхность. Поэтому массопередачу можно рассматривать как состоящую в общем случае из следующих основных стадий: из двух стадий массоотдачи и находящейся между ними стадии передачи компонента через межфазную поверхность. В некоторых процессах одна из стадий массоотдачи может отсутствовать, например при кристаллизации.Перенос компонентов в фазах осуществляется диффузией, поэтому промышленные массообменные процессы иногда называют диффузионными. Совокупность значений концентрации с какого-либо компонента во всех точках фазы называется полем концентрации этого компонента в данной фазе.В промышленности используются, в основном, следующие процессы массопередачи.Абсорбция - процесс разделения газовой или парогазовой смеси методом избирательного растворения ее компонентов в жидкости.Адсорбция - процесс разделения газовой или парогазовой смеси или жидкого раствора методом избирательного поглощения твердым веществом. К этим процессам, называемым сорбционными, относится и десорбция, т.е. удаление поглощенных веществ из поглотителя.Перегонка и ректификация - процессы разделения жидких смесей, основанные на различии в летучестях ее компонентов.Экстракция - процесс разделения жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов жидкости в растворителе, который практически не смешивается с раствором или смешивается частично.Сушка - процесс удаления влаги из твердых пористых материалов, основанный на переходе ее в паровую или парогазовую фазу.Ионный обмен - избирательное извлечение ионов из растворов электролитов твердыми поглотителями.Кристаллизация - процесс разделения раствора на растворитель и растворенное вещество за счет выделения растворенного вещества из его пересыщенного раствора или расплава.Растворение - процесс перехода из твердой фазы в жидкую. Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием.Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки - мембраны.9. Движущая сила МОП, способы выражения сотавов фазДвижущая сила МОП - градиент концентрации.Составы жидкой и газовой фаз могут быть выражены в мольных илимассовых соотношениях. Наиболее распространены следующие способы выражения состава:1. Объемная концентрация - количество компонента, содержащегося в единице объема фазы, кг/м3, кмоль/м3.2. Мольные или массовые доли - количество компонента, отнесенное к количеству фазы (выраженные в мольных или массовых единицах).3. Относительная концентрация - отношение количества компонента к количеству носителя, кг/кг, кмоль/кмоль.4. Парциальные давления - выражение состава газовой фазы, кПа, МПа.с - мольная объемная концентрация;массовая объемная концентрация;x, y - мольная доля;массовая доля;X, Y - мольная относительная концентрация;массовая относительная концентрация;10. Статика МОП, фазовые диаграммыПравило фаз Гиббса:Ф+C=K+2. Оно указывает число параметров, которое можно менять произвольно (в известных пределах) при расчете равновесия в процессах массообмена. Применим это правило к реальным процессам:1) каждая из двух взаимодействующих фаз содержит, помимо распределяемого компонента, инертный компонент носитель (абсорбция, экстракция) С=К+2-Ф=3+2-2=3 - можно изменять 3 параметра: концентрацию, давление и температуру2) в каждой из двух фаз компонент носитель отсутствует (ректификация) С=К+2-Ф=2+2-2=2 - можно менять 2 параметра. При постоянном давлении с изменением концентрации фазы должна меняться температура, при постоянной температуре - разным концентрациям будут соответствовать разные давления.Фазовая диаграмма - зависимость между независимыми переменными изображенные в линейных координатах.В расчётах по массопередаче используют зависимости давления от концентрации (при t=const), температуры от концентрации (P=const) и между равновесными концентрациями фаз:а) P=const, t=const б) P=const11. Линия равновесия, уравнение линии равновесия, системы газ-жидкость, пар-жидкостьПри равновесии достигается определенная зависимость между предельными (равновесными) концентрациями и концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осуществляется процесс массопередачи.В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго определенная равновесная концентрация в другой фазе. И наоборот. В общем виде это представляет собой зависимость.Эта зависимость в графическом виде называется линией равновесия, которая является либо прямой либо кривой.а) система газ-жидкость, P=const, t=constб) система пар-жидкость P=const12. Законы Дальтона, Генри, Рауля, идеальные и неидеальные системыДля случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равноС=К-Ф+2=3-2+2=3 Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной.Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе, т.е.(H-кф. Генри, - парциальное давление поглощаемого компонента в газе) Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления.Для идеальных растворов на диаграмме рА - хА зависимость равновесных давлений от концентраций изображается прямой с угловым коэффициентом, равным константе Генри.Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона:где Р - общее давление газа. Тогда уравнение равновесия примет вид:mA является коэффициентом распределения или константой фазового равновесия.Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов делятся, на идеальные и неидеальные. Неидеальные смеси можно подразделить на смеси с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона. Для бинарной смеси по закону Рауля. В отличие от идеального раствора, для которого 1 = гA = гB, парциальные давления компонентов А и В неидеальной бинарной смеси составляют. Для ряда смесей отклонения от закона Рауля настолько велики, что приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе подобные смеси имеют постоянную температуру кипения, которая может быть максимальной или минимальной. При этой температуре, согласно общему закону Коновалова, состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости (у=х). Такие смеси называются азеотропными, или нераздельно кипящими. 13. Классификация массообменных аппаратовВ основу классификации массообменных аппаратов положен принцип образования межфазной поверхности:1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта (насадочные и пленочные аппараты, а также аппараты (для сушки, с псевдоожижением), в которых осуществляется взаимодействие газа (жидкости) с твердой фазой);2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; среди аппаратов этого типа наиб. распространены тарельчатые, для которых характерно дискретное взаимодействие фаз по высоте аппарата; (насадочные колонны, работающие в режиме эмульгирования фаз, и аппараты, в которых осуществляется М. в системе жидкость - жидкость (экстракция));3) аппараты с внешним подводом энергии (аппараты с мешалками, пульсационные аппараты, вибрационные роторные аппараты и др.)14. Материальный баланс МОПБрутто: Gн+Lн=Gк+LкПо компоненту: Gнун +Lнхн =Gкук +LкукДля текущей концентрации:Gнун +Lх =Gу +LкукРешая, получим:уравнение рабочей линии процесса15. Уравнение линий рабочих концентраций, рабочие линии, направление МОПРабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным. Зависимость между рабочими концентрациями в координатах х-у - рабочая линия процессаМ.Б. по компоненту: Gнун +Lнхн =Gкук +LкукДля текущей концентрации: Gнун +Lх =Gу +LкукРешая, получим: Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного в фазу, в которое концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса вещества определяется по линии равновесия и рабочей линии.Если рабочая линия ниже линии равновесия - из жидкой в паровую (Ректификация).Если рабочая линия выше линии равновесия - из газовой в жидкую (Абсорбция).16. Кинетика МОП, молекулярная и конвективная диффузия, градиент концентрацийПеренос вещества внутри фазы: молекулярная диффузия, либо молекулярная+конвективная.Молекулярная диффузия-перенос распределяемого вещества, обусловленный тепловым движением. Описывается первым законом Фика:Масса вещества, придифундировавшая за время dtчерез элементарную поверхность dt, пропорциональная градиенту концентрации этого вещества:dM=-D dFdt (dc/dx) =-D dFdt grad c.D-коэффициент молекулярной диффузии.Конвективная диффузия-перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии.МD (x) =-D dzdydt grad cМК (x) =wxdzdy c dtАналогично по yи zМD (x+dx) = - DdzdydtМК (x+dx) = [wx C+] dz dy dtСуммируем по трем осям dM=dTdV в результате решения:-уравнение конвективной диффузии17. Модели массопереносаДопущения:1. Общее сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из сопротивления двух фаз2. На поверхности фазы находятся в равновесии, равновесие на границе фаз устанавливается быстрее изменения средней концентрации в ядре фазы.18. Уравнение массопередачи, движущая силаМ=КyF (C0y-C0y*) t= КyFДyсрМ=КxF (C0x*-C0x) t = КxFДxсрdM=-G dy =Ky (y-y*) dFподставим в M=G (yн-yк)19. Основы расчета массообменной аппаратуры, расчет диаметра и высоты массообменного аппаратаРасчет диаметра производится по уравнению расхода: Q=Sw0 (Q-объемный расход фазы, w0-фиктивная скорость фазы). Для круглого аппарата: значит D=. Скорость определяется исходя из технико-экономических расчетов.Высота массообменного аппарат определяется в зависимости от типа контакта фаз.Высота аппаратов с непрерывным контактом. Высота определяется на основе уравнения массопередачи, выраженного через объемный коэффициент массопередачи. M=КyбVДyср. Рабочий объем аппаратеV=SH. H=M/ (КyбSДyср) =h0yn0y.Высота аппаратов со ступенчатым контактом. Для определения числа ступеней используют графические и аналитические методы. Рабочую высоту аппарата находят через число действительных ступеней, пользуясь зависимостью: H=nдh (h-расстояние между ступенями).20. Определение коэффициента массопередачиУравнение аддитивности фазовых сопротивлений1/Kx=1/вx+1/вym При кривой линии равновесия mи коэффициенты Kизменяются по длине аппарата. В этом случае при расчете его обычно разбивают на участки, в пределах каждого из которых mпринимают постоянной величиной и используют среднее для всего аппарата значение K.21. Определение движущей силы МОП, ЧЕП, ВЕПОпределение средней движущей силы процесса массопередачеЧисло единиц переноса выражается интегралами (), которые могут быть решены аналитически и графически. Методом граф. интегрирования через площадь fи масштабов M1и M2: n0y=fM1M2. Упрощенный граф. метод.Высота единиц переноса. ВЕП обратна пропорциональна объемному коэффициенту массопередачи.22. Определение числа ступеней (теоретическая и действительная тарелки КПД - локальный тарелки, колонны)Теоретическая тарелка - такая ступень или тарелка, которая соответствует некоторому участку аппарата, на котором жидкость полностью перемешиваются, а концентрации удаляющихся фаз являются равновесными.Существуют графические и аналитические методы.Метод кинетической кривой.Проводят линии A1C1 и т.п.Делят их в отношении к-та извлечения EyПроводят линию Строят ступеньки Нt учитывается влияние перемешивание.При Ey =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.Определение числа теоретических тарелок.Для перехода к числу действительных тарелок - КПД колоны nд=nт/КПД. КПД - учитывает реальную кинетику массообмена на действительных тарелках, на которых никогда не достигается равновесия.КПД зависит от скорости движения фаз, перемешивания, направления движения, физ. свойств фаз.КПД тарелки - отношение изменения концентрации данной фазы на тарелке к движущей силе на входе той же фазы в ступень. 23. Метод кинетической кривойПроводят линии A1C1 и т.п.Делят их в отношении к-та извлечения EyПроводят линию Строят ступеньки Нt учитывается влияние перемешивание.При Ey =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.24. Абсорбция, общие сведения, типы абсорберов, насадки, требования к насадкам и абсорбентам, гидродинамические режимы работы абсорберовАбсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. В случае образования химического соединения между абсорбтивом и абсорбентом процесс называется хемосорбцией.Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима, на чем основано выделение поглощенного компонента из абсорбента - десорбция.Абсорбционные процессы широко распространенны в химической технологии, например: поглощение водой серного ангидрида, хлористого водорода и двуокиси азота с образованием соответствующих серной, соляной и азотной кислот; поглощение паров бензола в коксохимическом производстве, поглощение компонентов природного и попутного газов в нефтехимии и нефтепереработке и т.д.По способу создания этой поверхности абсорберы условно делят на следующие группы:1. Поверхностные и пленочные.2. Насадочные.3. Барботажные (тарельчатые).4. Распыливающие.Требования к насадкам:обладать большой поверхностью в единице объема (удельной поверхностью);хорошо смачиваться орошающей жидкостью;оказывать малое гидравлическое сопротивление потоку газа;равномерно распределять орошающую жидкость;быть стойкой к химическому воздействию среды в колонне;иметь малый насыпной вес;обладать высокой механической прочностью;быть достаточно дешевой.Режимы работы:пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Заканчивается он в переходной точке А, которая называется точкой подвисания.подвисание. В режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения и брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Это способствует увеличению интенсивности массообмена. Этот режим заканчивается в переходной точке В.эмульгирование - возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает, что характеризуется отрезком ВСрежим уноса - отвечает обратному движению жидкости, выносимой из аппарата потоком газа. Режим аварийный и на практике не используется.25. Статика процесса абсорбции, влияние температуры и давления на процесс абсорбцииПри абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, от общего давления, температуры и парциального давления распределяемого компонента.Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равноС=К-Ф+2=3-2+2=3 Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе., Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления. Зависимость константы Генри от температуры выражается уравнением, где q - дифференциальная теплота растворения газа;С - постоянная, зависящая от природы газа и абсорбента.Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона, Тогда уравнение равновесия примет видma-коэффициент распределения или константа фазового равновесия.26. Материальный баланс абсорбции, влияние удельного расхода абсорбента на размеры аппаратовПримем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого компонента в относительных единицах. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:G (Yн-Yк) =L (Xк-Xн)Удельный расход: l=L/G= (Yн-Yк) / (Xк-Xн)Lmin= (L/G) min= (Yн-Yк) / (Xк*-Xн)Увеличение удельного расхода ведет к снижению высоты аппарата и увеличению его диаметра. Оптимальный удельный расход определяется технико-экономическим расчетом.27. Скорость процесса абсорбцииСкорость процесса абсорбции характеризуется уравнением:М=КyFДyср и М=КХFДхсрКоэффициенты определяются:Мольные концентрации газовой фазы можно заменить парциальными давлениями газа в долях общего давления: М=КХFДpср 28. Схемы абсорбционных установокПоверхностный абсорбер:Пластинчатый абсорбер:Трубчатый абсорбер:Насадочный абсорбер:29. Перегонка жидкостей, общие сведенияОдним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка. В широком смысле перегонка представляет процесс частичного испарения и последующей конденсации образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате получается жидкость, состав которой существенно отличается от исходной смеси.Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.В простейшем случае исходная смесь является бинарной, т.е. состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НКК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НКК. Неиспарившаяся жидкость имеет состав относительно более богатый труднолетучим или высококипящим компонентом (ВКК). Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом или ректификатом.Степень обогащения паровой фазы НКК при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличных вида перегонки:а) простая перегонка, или дистилляция;б) ректификация.Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для смесей, летучести компонентов которых существенно различаются. Обычно ее используют для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.д.Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НКК, которым обогащаются пары, а из пара конденсируется преимущественно ВКК, переходящий в жидкость. Такой обмен компонентами, повторяющийся многократно, позволяет получить почти чистые НКК и ВКК. Пары после конденсации в отдельном конденсаторе разделяются на дистиллят и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения остатка, являющегося почти чистым ВКК.30. Классификация бинарных систем, фазовые диаграмма P=f (x); t-x,y; y-x, азеотропные смесиНерастворимые другеОграниченно растворимые друг в друге С максимумом Идеальные С минимумом 3 и 5 - азеотропные, 3-5 - гомогенныеt-x,y диаграмма - совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз. Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости. Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У*. Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации) 31. Простая перегонка, перегонка с дефлегмацией, материальный балансПерегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляется периодическим или непрерывным способом. Если процесс проводится периодически, то в ходе отгонки НКК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем изменяется и состав дистиллята, который обедняется НКК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной перегонкой.Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени содержится L кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию по НКК х. Количество НКК в жидкости в этот момент равно Lx. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dф испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе изменится на dx. При этом образуется dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию у* количество НКК в паре будет dLy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L-dL) кг, а его концентрация будет (x-dx). Тогда материальный баланс по НКК выразится уравнением Lx= (L-dL) (x-dx) +dLy* Раскрывая скобки и отбрасывая бесконечно малые высших порядков, после разделения переменных получим . Это дифференциальное уравнение можно проинтегрировать в пределах от начального количества L=F до конечного L=W и при изменении концентрации НКК в кубе от xF до xW. После интегрирования получим . Средний состав получаемого дистиллята рассчитывают по уравнению материального баланса по НКК:, откуда .Для повышения степени разделения смеси простую перегонку осуществляют, обогащая дополнительно дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно ВКК и получаемая жидкость, так называемая флегма, сливается в куб. Пары, обогащенные НКК, поступают в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборники 4. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка.32. Ректификация, принцип ректификацииВ основе разделения жидких смесей летучих компонентов ректификацией используется принцип последовательно повторяющихся процессов однократного испарения. В свою очередь разделение жидких смесей однократным испарением основано на различии в летучестях компонентов (давлениях насыщенных паров чистых компонентов, взятых при одной и той же температуре). Процесс однократного испарения и принцип ректификационного разделения достаточно наглядно иллюстрируется схемами:Процесс разделения жидких смесей ректификацией представляет собой ряд последовательно соединенных между собой процессов однократного испарения. Жидкость, содержащая НК в количестве Х1, нагревается до температуры tкип.1. Образуется насыщенный пар с равновесным содержанием НК У1*. Сконденсировав этот пар, получаем жидкость с содержанием НК Х2=У1*. Вновь нагреваем эту жидкость до соответствующей температуры кипения tкип.2. Образуется новый насыщенный пар с повышенным содержанием низкокипящего компонента, который вновь конденсируется и полученная жидкость вновь испаряется. В результате последовательно повторяющихся процессов однократного испарения пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим компонентом.Как следует из вышеизложенного, для практической реализации идеи многократных последовательно протекающих процессов испарения и конденсации необходимо проведение процессов теплообмена: в первом случае необходим подвод теплоты для испарения жидкости, а во втором - отвод теплоты для конденсации пара. 33. Непрерывная ректификация, схема, материальный баланс1 - ректификационная колонна;2 - кипятильник;3 - дефлегматор;4 - делительфлегмы;5 - подогреватель исходной смеси;6 - холодильник дистиллята;7 - холодильник остатка;8 - емкость исходной смеси;9 - сборники;10 - насосыМБ: F+Ф=G+W (т.к G=P+Ф) F=P+WМБ. По н. к. к. FxF=PxP+WxW34. Допущения при расчете ректификации1. Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации r к абсолютной температуре кипения Т для всех жидкостей является приближенно постоянной величиной. Для смеси, состоящей из n компонентов: .Отсюда следует, что при конденсации в колонне 1 кмоль ВКК испаряется 1 моль НКК, т.е. мольное количество паров, поднимающихся по колонне постоянно.2. Состав пара yD, удаляющегося из колонны в дефлегматор, равен составу дистиллята хР. При этом допускается, что укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации в нем паров можно пренебречь и принять , гдеуР - состав дистиллята в паровой фазе.3. Состав пара yW, поднимающегося из кипятильника в колонну, равен составу жидкости xW, стекающей в кипятильник из нижней части колонны. В этом случае пренебрегают исчерпывающим действием кипятильника, т.е. изменением состава фаз при испарении в нем жидкости.4. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.5. Исходная смесь поступает в колонну нагретой до температуры кипения.35. Уравнение рабочих линийДля получения уравнений рабочих линий используем общее для всех массообменных процессов уравнение, выразив применительно к ректификации входящие в него концентрации в мольных долях, т.к баланс по распределяемому компоненту: , то: , в итоге получим: .Укрепляющая часть колоны. L=Ф=PR, количество поднимающихся паров: G=P+Ф=P (R+1), yG=yp и согласно допущению yp=xp, значит yк=xp. Подставляя данные получим: .Исчерпывающая часть колонны. L'=Ф+F=P (R+f) G'=G=P (R+1) xк=xWyн=yW=xW. Подставляем: .36. Построение рабочих линий по y-xдиаграммеДля построения рабочих линий откладывают на оси абсцисс диаграммы составы xW, xF, xp. Учитывая принятые допущения о равенстве составов пара и жидкостей на концах колонны, строят yp. Величина Rизвестна, на оси ординат откладывают B=xp/ (R+1), соединяют с точкой a. Из xfподнимают перпендикуляр, получают точку b. ab - раб. Линия укрепляющей части колонны. В точке xW- перпендикуляр до точки C. bc - рабочая линия исчерпывающей части колонны. НКК переходит в паровую фазу, стремящуюся к равновсию с жидкой фазой. 37. Минимальное и действительное флегмовое число, связь с размерами аппарата и расходом тепла в кубе колонныПри заданном составе дистиллята величина отрезка В зависит только от флегмового числа. С уменьшением R отрезок В увеличивается и рабочая линия как бы поворачивается вокруг точки а. Однако величину R можно уменьшать только до некоторого предела, определенного движущей силой процесса массопередачи между жидкой и паровой фазами. С уменьшением R точка b перемещается по вертикали и движущая сила снижается, пока не превратится в нуль. При этом рабочая линия отсекает от оси ординат максимальный отрезок, которому при заданном составе исходной смеси соответствует минимальное флегмовое число Rmin.Отметим, что в некоторой точке, лежащей на вертикали с абсциссой xF выше линии равновесия, рабочие линии пересечься не могут, так как в этом случае движущая сила будет отрицательной, что лишено физического смысла. Очевидно, что нижнее предельное положение рабочих линий должно соответствовать точке их пересечения с диагональю диаграммы. При этом B=B'=0, что истинно только при бесконечном флегмовом числе (R=?). Поэтому действительное флегмовое число Rд, при котором должна работать колонна, находится в пределах от Rmin до R=?.Рациональный выбор действительного флегмового числа представляет собой сложную задачу. Это объясняется тем, что флегмовое число определяет в конечном счете размеры аппарата и расходы теплоносителей (греющего пара в кипятильнике и воды в дефлегматоре). Следовательно, от значения флегмового числа зависят капитальные и эксплуатационные расходы на ректификацию.C увеличением флегмового числа высота аппарата уменьшается, а расход теплоносителей возрастает. Вместе с тем с ростом R возрастает количество орошающей жидкости и поднимающихся паров, поэтому увеличивается диаметр аппарата, при прочих равных условиях.38. Тепловой баланс ректификацииТепловой баланс ректификационной колонны. Приход тепла: С теплоносителемв кипятильнике (Qкип=IкGп), с исходной смесью (QF=FiF), с флегмой (QФ=ФiФ). Расход тепла: с парами, поступающими из колонны в дефлегматор (QG=GI), с остатком (QW=WiW), потери тепла (Qп).Iк, I, iF, iW и iФ - энтальпии соответственно греющего пара, паров, выходящих из колонны, исходной смеси, кубового остатка и флегмы. Приравнивая приход и расход тепла, получим уравнение теплового балансаРешая уравнение относительно расхода греющего пара в кипятильнике, получимПотери тепла в окружающую среду обычно выражают в долях тепла, подводимого в кипятильник, т.е. принимают Qпот=бQкип, где при наличии хорошей тепловой изоляции б=0,03-0,05. Тогда окончательно уравнение примет вид 39. Расчет числа ступеней ректификацииа) R - бесконечное, б) R-минимальное.40. Рекификация многокомпонентных смесейВ промышленностти часто разделяют не бинарные, а много компонентные смеси. В отличии от бинарных смесей, обладающих двумя степенями свободы, у многокомпонентной смеси число степеней свободы равно числу комнонентов.Число колонн для ректификации многокомпонентной смеси должно быть на 1 меньше, чем число компонентов, которые требуется разделить.а. компоненты А и В более летучи, чем С б. компоненты В и С менее летучи, чем А41. Сушка, способы и особенности процесса сушкиСушка - сложный диффузионный тепло - и массообменный процесс. Скорость сушки определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду.По способам подвода тепла выделяют следящие виды сушки:конвективная сушка (непосредственное соприкосновение материала с сушильным агентом (обычно нагретый воздух, топочные газы))контактная сушка (тепло передается от теплоносителя к материалу через стенку)специальные виды сушки (радиационная (инфракрасными лучами), диэлектрическая (токами высокой частоты), сублимационная (сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме))Выбор типа сушилки зависит от химических свойств материала. Так, при сушке материалов с органическими растворителями используют герметичные аппараты и сушку обычно проводят под вакуумом; при сушке окисляющихся материалов применяют продувку инертными газами; при сушке жидких суспензий используют распыливание материала.42. Основные параметры влажного газа, I-x диаграммаАбсолютная влажность, [кг/м3] - количество водяного пара в объеме влажного воздуха.Относительная влажность (степень насыщения) - отношения массы водяного пара в 1м3 влажного воздуха при данных условиях к максимально возможной массе водяного пара в 1м3 воздуха при тех же условиях.Влагосодержание - масса водяного пара во важном воздухе, приходящаяся на 1 кг абсолютно сухого воздуха.Энтальпия - относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха как сумма энтальпий сухого воздуха и водяного параI=сс. в. t+xiпI-xдиаграмма влажного воздуха:43. Изображение процессов при сушке на I-x диаграммеТеоретическая сушилка Действительная сушилкаС предварительным прогревом по зонам 44. Примерный механизм процесса сушкиПри конвективной сушке физическая сущность процесса сводится к удалению влаги из материала за счет разности парциальных давлений над материалом и в окружающей среде . Процесс сушки происходит при условии, что . При равенстве парциальных давлений наступает состояние равновесия и процесс сушки прекращается. При этом в материале установится влажность, называемая равновесной . Если сушить материал до влажности ниже равновесной, то неизбежно наступит состояние, при котором , и материал начнет увлажняться. Этот процесс называют сорбцией. Обычно сушку ведут до равновесной влажности.При сушке удаление влаги с поверхности связано с диффузией влаги изнутри материала к поверхности. Эти два процесса должны находится в строгом соответствии, в противном случае возможно пересыхание, коробление поверхности материала и ухудшение его качества.Таким образом, при конвективной сушке влага перемещается к поверхности за счет градиента влажности, градиент температуры несколько тормозит процесс. За счет разности температур на поверхности и внутри материала происходит движение влаги внутрь, в направлении снижения температуры.Равновесная влажность, а следовательно протекание процесса сушки зависят от свойств высушиваемого материала, характера связи с ним влаги и параметров окружающей среды. Связь влаги с материалом может быть механической, физико-химической и химической.Капиллярно связанная влага заполняет макро - и микрокапилляры. Она механически связанна с материалом и наиболее легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопических веществ. Давление пара над ними наиболее отличается от давления насыщенных паров.Адсорбционно связанная влага. Влажность обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности материала и на поверхности его пор. Осмотически связанная влага находится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами. В этих двух случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.Химически связанная влага. Под химически связанной влагой понимают воду гидроокиси, которая в результате реакции гидратации вошла в состав гидроокиси и соединений типа кристаллогидратов. Связь нарушается только в результате химического воздействия (иногда в результате прокаливания), и влага не удаляется при сушке. Влажному материалу присущи все формы связи с водой, и очень трудно разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества. Поэтому экспериментальным путем строят изотермы сорбции при постоянной температуре. Изотермы сорбции позволяют установить связь между влажностью материала и относительной влажностью воздуха, а также определить равновесную влажность при сушке. 45. Равновесие при сушкеВозможны 2 процесса:1. сушка (десорбция влаги) pм>pп2. увлажнение (сорбция влаги) pм<pпПри pм=pп наступает динамическое равновесие, которому соответствует предельная влажность материала (wp).Равномерная влажность зависит от парциального давления пара над материалом или пропорциональной ему величины относительной влажности и определяется опытным путем.Зависимости wp от относительной влажности при постоянной температуре - изотермы (2) сорбции (увлажнение материала) и (1) десорбции (удаление влаги из материала)Наблюдается петля гестерезиса.Форма связи влаги с материалом (по Рибендеру):химическаяфизическая (капилляры)физико-химическая (адсорбционно и осмотически связанная)46. Материальный и тепловой балансы процесса сушки, внутренний баланс сушкиМ.Б. по всему материалу:, по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале:, где G1-масса поступающего влажного материала, G2-масса высушенного материала, w1и w2 - начальная и конечная влажность материала, W-масса влаги, удаляемой из материала.Тепловой баланс:Приход тепла: С наружным воздухом (LI0), с влажным материалом (с сухим материалом (G2cMи1), с влагой, испаряемой из материала (WcВи1), с транспортными устройствами (GТTТtтн), в основном калорифере (QК), в дополнительном калорифере (QД)).Расход тепла: С отработанным воздухом (LI2), с высушенным материалом (G2cMи2), с транспортными устройствами (GТTТtтк), приход тепла в окружающую среду (QП))LI0+G2cMи1+WcВи1+GТTТTtтн+QК+QД=LI2+G2cMи2+GТTТtтк+QПИз этого, расход тепла на сушку:QК+QД= L (I2 - I0) + G2cM (и2-и1) + GТTТ (tтк-tтн) - WcВи1+QП делим на W:qК+qД=l (I2-I0) +qМ+qТ+ cВи1+qП (q-удельные расходы)Внутренний баланс сушилки - величина, выражающая разность между приходом и расходом тепла непосредственно в сушилке без учета тепла, приносимого и уносимого воздухом, нагретом в основном в калорифере.qК=l (I1-I0)l (I1-I0) +qД=l (I2-I0) +qМ+qТ+ cВи1+qПилиl (I2-I1) =qД+ cВи1-qМ-qТ-qП(qД+ cВи1) - (qМ+qТ+qП) =ДД=l (I2-I1) I2=I1+Д/l47. Варианты процесса сушкиС частичной рециркуляцией 48. Кинетика сушкиКинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала, отнесенной к количеству абсолютно сухого материала. Зависимость между влажностью материала от времени - кривая сушки.AB - период прогреваBC - период постоянной скорости сушкиC - первая критическая влажностьCDE - период падающей скорости сушкиD -точка перегиба, вторая критическая влажностьK - равновесная влажностьСкорость сушки: v=dwc/dt, кривая vот t- кривая скорости сушки. |
 |
||||||||||||||||||
| ©2011 |
