Учебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Скачать 373.64 Kb.
|
|
Цель: Дать общие сведения о перегонке жидкостей. Охарактеризовать равновесие бинарных систем в процессах перегонки. Познакомить с видами фазовых диаграмм и с навыками их применения при расчёте процессов перегонки. Описать разновидности простой перегонки. Показать недостатки дистилляции по сравнению с ректификацией. ^ В химической технологии, нефтехимической и других отраслях промышленности используют широкое разнообразие жидких и газовых смесей, подлежащих разделению на достаточно чистые компоненты или фракции различного состава. Часто разделение таких смесей при контакте жидкой и паровой фаз, сопровождающееся перераспределением компонентов между фазами, достигается перегонкой. Перегонка – это процесс, включающий испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров. Этот процесс можно осуществить однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси. В основе перегонки лежит различная летучесть составляющих смесь компонентов, т.е. разная склонность их к переходу из жидкой фазы в паровую или в обратном направлении. Пусть, например, в колбе находиться жидкая смесь метанола и воды с концентрацией метанола 40 %. Если эту смесь нагреть до кипения и подвести некоторое дополнительное количество теплоты, то образовавшаяся (в небольшом количестве) паровая фаза, находящаяся в контакте с оставшейся жидкой смесью, будет содержать ≈73 % метанола, т.е. обогатится метанолом. Пусть теперь от парообразной смеси бензола и толуола, содержащей 40 % бензола и находящейся при температуре конденсации, отводится некоторое количество теплоты. Тогда образовавшийся (в небольшом количестве) конденсат, находящийся в контакте с оставшейся паровой фазой, будет содержать ≈19 % бензола, т.е. обогатится толуолом. Разная склонность компонентов смесей к переходу в парообразное (либо жидкое) состояние обусловлена разницей их температур кипения. Так, температура кипения метанола 64,5 0С, а температура кипения воды 100 0С. Очевидно, что метанол будет проявлять большее стремление перейти из жидкой фазы в паровую. Температура кипения бензола 80,2 0С, а температура кипения толуола 110,6 0С, значит толуол проявляет большее стремление перейти из паровой фазы в жидкую. Различают два вида процессов перегонки: дистилляцию и ректификацию. Основное между ними различие состоит в следующем: дистилляция – процесс непротивоточный (процессы парообразования и конденсации разделены в пространстве и во времени), а ректификация – процесс принципиально противоточный. В простейшем случае исходная смесь, подвергающаяся перегонке, является бинарной, т.е. состоит из двух компонентов (А и В). Пусть хА - мольная концентрация компонента А в жидкой фазе, а хВ - мольная концентрация компонента В в жидкой фазе; уА - мольная концентрация компонента А в паровой фазе, а уВ - мольная концентрация компонента В в паровой фазе. Тогда хА + хВ = 1, хА = 1 - хВ; уА + уВ = 1, уА = 1 - уВ. Получаемый при испарении бинарной смеси пар обогащён, т.е. содержит большее количество легколетучего или низкокипящего (НК) компонента, чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, естественно, имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим (ВК) компонентом. Неиспарившаяся жидкость называется кубовым остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров – дистиллятом или ректификатом. Простая перегонка (дистилляция) – это процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Она применяется для разделения смесей, состоящих из сильно различающихся по температурам кипения компонентов. Обычно простую перегонку применяют для предварительного грубого разделения жидких смесей и для очистки смесей от нежелательных примесей. ^ Фазовые диаграммы Если система состоит из двух компонентов (К=2) и между ними не происходит химического взаимодействия, то при наличии жидкой и паровой фаз число фаз Ф=2. Согласно правилу фаз, число степеней свободы такой системы составляет: С = К + 2 – Ф = 2 + 2 – 2 = 2 Следовательно, из трёх независимых параметров, полностью определяющих состояние системы, - температуры, давления и концентрации одной из фаз – можно произвольно выбрать любые два; при этом определится значение третьего параметра, которое уже не может быть произвольным. Однако при анализе и расчёте процессов перегонки жидкостей одну из переменных обычно закрепляют и строят так называемые фазовые диаграммы в плоской системе координат. При этом возможны следующие варианты фазовых диаграмм: Р – t (x=const); P – x (t=const); t – x (P=const). Вид этих зависимостей определяется взаимной растворимостью компонентов жидкой смеси и другими их свойствами. Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов делятся на идеальные и реальные. Идеальными называются растворы, подчиняющиеся закону Рауля. При смешивании компонентов идеального раствора тепловой эффект отсутствует и объём смеси практически не изменяется. Для технических расчётов наиболее важной является диаграмма t – x,y, т.к. обычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при P=const, т.е. в изобарных условиях. На этой диаграмме по оси абсцисс отложены концентрации жидкой х и паровой у фаз, отвечающие разным температурам.
Для построения зависимости температур кипения и конденсации соответственно от состава жидкости или пара, т, е. диаграммы t – x,y, (рис. 29), откладывают на оси ординат при постоянном внешнем давлении, температуры кипения t1, t2, t3, соответствующие составам жидких смесей х1, х2, х3, отложенным на оси абсцисс. Через полученные точки и точки, отвечающие температурам кипения чистых компонентов tA и tB, откладываемых на крайних ординатах диаграммы, проводят линию кипения АА1А2А3В. Затем на оси абсцисс откладывают определенные по закону Рауля равновесные составы паров у1*, у2*, у3* и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами, отвечающими температурам t1, t2, t3. Соединив точки пересечения В1, В2, В3 . . ., с точками А и В плавной кривой, получают линию конденсации А В1В2В3В. При пользовании диаграммой на оси абсцисс откладывают состав жидкой смеси и проводят из соответствующей точки вертикаль до пересечения с линией кипения. Далее из точки пересечения проводят горизонталь вправо до пересечения с линией конденсации. Абсцисса точки пересечения указывает состав равновесного пара. На фазовой диаграмме у—х (рис. 30) наносится линия равновесия выражающая в данном случае зависимость между равновесными составами (по низкокипящему компоненту) жидкой (хА) и паровой (уА*) фаз. Процессы перегонки осуществляют обычно при постоянном внешнем давлении. Поэтому диаграмма строится при Р = соnst, т. е. для переменных температур кипения, изменяющихся в зависимости от изменения состава жидкой смеси.
^ Обычно процесс простой перегонки проводят периодически, хотя в принципе этот процесс можно организовать и непрерывным. При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, и образующиеся при этом пары непрерывно удаляются из системы и конденсируются с получением дистиллята (иногда этот способ называют простой дистилляцией). При этом содержание НК в кубовой (исходной) жидкости уменьшается, что приводит к снижению содержания НК в дистилляте в начале процесса содержание НК максимально, а в конце - минимально. Простую перегонку можно проводить при атмосферном давлении или под вакуумом (для снижения температуры перегонки). Для получения нужных фракций (или разного состава дистиллята) применяют фракционную, или дробную, перегонку (рис. 31, а). Исходную смесь загружают в куб 1, имеющий змеевик для нагревания и кипячения этой смеси. Образующиеся пары конденсируются в теплообменнике-конденсаторе 2, дистиллят в нем же охлаждается до заданной температуры и поступает в один из сборников 3. После окончания процесса перегонки остаток сливают из куба 1 и вновь загружают в него исходную смесь. При простой перегонке образующийся пар отводится из аппарата и в каждый данный момент времени находится в равновесии с оставшейся жидкостью.  Рис. 31. Схема установок для простой перегонки (а) и перегонки с дефлегмацией (б): 1 - кубы-кипятильники; 2 - конденсаторы-холодильники; 3 - сборники; 4 -дефлегматор Перегонка с водяным паром. Когда смешаны две взаимонерастворимые жидкости, то каждая из них полностью сохраняет свои свойства. Такая смесь легко может быть разделена на составные части отстаиванием. Система состоит из двух компонентов и трех фаз (двух жидких и одной паровой) и, следовательно, обладает одной степенью свободы: С = К - Ф + 2 = 2 - 3 + 2 = 1. Это указывает на то, что каждой определенной температуре кипения смеси соответствует вполне определенное давление. При этом каждый из компонентов будет вести себя так, как будто он находится один в чистом виде, т.е. в этом случае парциальное давление каждого компонента не зависит от его содержания в смеси и равно давлению паров чистого компонента при той же температуре, т.е. температура кипения не зависит от соотношения компонентов: рА = РА, рВ = РВ и Р = рА + рВ = РА + Рв. Температура кипения такой смеси всегда ниже температуры кипения чистых компонентов, что используется для перегонки с паром нерастворимых в воде жидкостей. Эта температура постоянна независимо от состава жидкой смеси, пока в жидкости присутствуют хотя бы следы второго компонента. По исчезновении его температура возрастает скачкообразно до температуры кипения компонента, оставшегося в жидкой фазе. До этого момента в 1 м3 пара над смесью содержится такое количество каждого компонента, какое заключалось бы в нем, если бы каждый из компонентов находился порознь при той же температуре. Если в жидкость, не смешивающуюся с водой, добавить воду, температура кипения такой смеси при атмосферном давлении будет ниже 100 °С. Действительно, так как при одной и той же температуре Р = РА + Рв, то при нормальном давлении Рнорм РВ = Р – РА < Р, т.е. РВ < Рнорм, а насыщенному водяному пару давлением меньше Рнорм соответствует температура ниже 100°С. Эти же соотношения сохраняются и при любом другом давления. Обычно температуру кипения определяют по кривым давления паров. Перегонку с водяным паром ведут обычно в кубах 1, снабженных паровой рубашкой и барботером для ввода острого пара (рис. 32)
Иногда по аналогичному принципу проводят перегонку с инертным газом (азот, диоксид углерода и др.), которая позволяет снизить температуру процесса. Но перегонка с инертным газом более сложна, ведёт к резкому снижению коэффициента теплоотдачи, сопровождается большим уносом очищаемого компонента с инертным газом. ^ Чаще дистилляцию применяют в промышленности в тех случаях, когда не требуется высокой чистоты продукта. Высокие концентрации низкокипящего компонента можно получить лишь при большой разнице в температурах кипения компонентов разделяемой смеси. Правда, многократная дистилляция или парциальная конденсация позволяют получать достаточно чистые компоненты. Однако помимо очень низких выходов чистых продуктов эти процессы крайне невыгодны энергетически. Здесь приходится многократно испарять уже однажды испаренную жидкость, затрачивая большое количество теплоты и теплоносителя. Одновременно приходится затрачивать хладоагент на повторную конденсацию паров. Т.к. процессы парообразования разделены во времени и пространстве, дистилляция – очень длительный процесс. Тема 9: Ректификация. Цель: Охарактеризовать сущность ректификации, познакомить с терминологией, основными понятиями и определениями. Представить аппаратурное оформление процессов ректификации. ^ Ректификацией называют процесс переноса компонентов между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз. Или другими словами, ректификацию можно трактовать как совмещение процессов многократной дистилляции и многократной конденсации при противоточном контактировании потоков пара и жидкости. При таком проведении процессов перегонки появляется возможность использования при каждой упомянутой операции теплоты конденсации пара для испарения жидкости – путём непосредственного контактирования паровой и кипящей жидкой фаз. При чередовании по схеме противотока операций частичной конденсации паровой и испарения (дистилляции) жидкой смесей можно получить выходы НК и ВК, примерно соответствующие их содержанию в исходной смеси. В процессе ректификации подводимая извне теплота затрачивается только в кипятильнике — в низу колонны однократно для частичного испарения жидкой смеси с получением начального потока пара в обогревающем устройстве в нижней части ректификационного аппарата (чаще всего — колонны). Теплота конденсации паров также отводится только в конденсирующем устройстве — в верхней части ректификационного аппарата. Сущность ректификации как явления удобно рассмотреть на примере пуска колонны применительно к разделению бинарной смеси. Схема ректификационного агрегата показана на рис. 33, а, ей соответствует диаграмма t—х,у для разделяемой смеси (рис. 33, б). Колонну 1 будем считать адиабатической: она хорошо изолирована в тепловом отношении, так что потери теплоты в окружающую среду отсутствуют. В нижней части колонны находится куб ^ с обогревающим устройством. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3. Пусть в куб залита бинарная жидкая смесь с содержанием НК х0, нагреем ее до температуры кипения tж° и начнем испарять. Пары, обогащенные НК, состава у (примем для простоты, что они равновесны кубовой жидкости, их температуры одинаковы, т.е. t' = tж°) поднимаются вверх, выходят из колонны и полностью конденсируются в конденсаторе до состояния кипящей жидкости. Эта жидкость, естественно, имеет состав х' = у', но ее температура кипения tж’ < tп' (см. рис. , б). Она возвращается в колонну, стекает вниз и на тарелке № 1 контактирует с восходящим потоком пара того же состава. Пар имеет более высокую температуру, чем жидкость; поэтому на тарелке № 1 происходит интенсивный теплообмен (прямой контакт, высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации и кипении),
сопровождающийся массообменом между жидкой и паровой фазами. В результате пар конденсируется (реально — частично), выделяется теплота конденсации, и за ее счет частично испаряется жидкость. Подчеркнем: на тарелке № 1 (см. рис. 33, а) жидкость обогащена НК в сравнении с кубовой жидкостью (х’ > х0); поэтому при ее испарении получается пар, еще более обогащенный НК (у" > у', его температура t" < 4,'). Образовавшийся пар поднимается вверх, конденсируется в конденсаторе, откуда жидкость состава х" = у" при температуре кипения t" возвращается в колонну. На тарелке № 2 (рис. 33, а) жидкость встречается с паром того же состава. И поскольку температура пара выше, нежели жидкости, то и здесь происходит акт конденсации — испарения с получением пара с более высоким содержанием НК: у'" > у". Так постепенно за счет противоточного контакта фаз на тарелках (в случае насадочной колонны — на поверхности насадки) снизу вверх нарастают концентрации НК в паре и жидкости; этот эффект и лежит в основе процесса ректификации. После установления требуемой концентрации НК (чистоты) на верху колонны, верхний продукт может отбираться в качестве целевого. Но если отбирать весь верхний продукт, то жидкая фаза перестанет стекать по колонне противотоком к пару, и процесс ректификации будет нарушен. Поэтому после конденсации верхний продукт отбирается лишь частично, предусматривается возврат определенной части конденсата на орошение колонны для поддержания противоточного контакта фаз. В отличие от дистилляции при ректификации имеет место двунаправленный процесс переноса компонентов: НК из жидкой фазы в паровую и ВК — в обратном направлении. ^ Принципиальная схема процесса непрерывной ректификации бинарных смесей показана на рис. 34. Исходная смесь / подогревается в подогревателе 2 (предпочтительно до температуры кипения или близкой к ней) и через гребенку 3 (обеспечивающую возможность варьирования места подачи) подается в ректификационную колонну 1, внутри которой размещены контактные устройства (тарелки, насадка). Источником парового потока является кипятильник 4, источником жидкого потока — конденсатор 5. В схеме предусмотрены холодильники 6 и 7 продуктов, отбираемых сверху (поток II) и снизу (поток III), а также емкости исходной смеси и продуктов 8—10.
Принята следующая терминология основных потоков и узлов ректификационной установки: — поток ^ — исходная смесь, расход её обозначается F, концентрация xF; — поток II - дистиллят (или дистиллат), обозначается P, xP; — поток III - кубовый остаток (или кубовая жидкость), обозначается W, xW; —поток IV - восходящий паровой поток, обозначается G, yG; —поток Ф - нисходящий жидкостной поток, именуемый флегма, обозначается Ф, хФ. Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны, которое соответствует этому условию. Тарелку, находящуюся в сечении подачи исходной смеси в колонну 1, называют тарелкой питания. Положение тарелки питания специально рассчитывается. Часть колонны, находящаяся выше тарелки питания (на выходе из нее получается "крепкий" НК), носит название концентрационной (укрепляющей) части колонны. Часть колонны, находящаяся ниже тарелки питания (в ней НК отгоняется из жидкости, исчерпывается), носит название отгонной (исчерпывающей) части колонны. Конденсация пара в конденсаторе, отбор дистиллята и возврат флегмы в колонну осуществляют двумя способами, схематично изображенными на рис. 35. По первому способу (рис. 35, а) уходящий из колонны 1 пар полностью конденсируется в конденсаторе 2, откуда часть жидкости возвращается в колонну, а остаток выводится из системы в виде жидкого продукта. В данном случае составы всех трех потоков (пара, поступающего в конденсатор, флегмы и отводимого жидкого дистиллята) одинаковы.
По второму способу (рис. 35, б) уходящий из колонны 1 пар лишь частично конденсируется в конденсаторе 3, и вся образующаяся жидкость возвращается в колонну 1. Дистиллят же отводится в виде пара и при необходимости полностью конденсируется в дополнительном конденсаторе 2. В этом случае парциальный конденсатор 3 часто называют дефлегматором, а сам процесс выделения флегмы из пара — дефлегмацией. Здесь отводимый из системы продукт богаче НК, чем выходящий из колонны пар и тем более — возвращаемая в колонну жидкость. ^ Ректификация, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты для ректификации должны обеспечивать развитую поверхность контакта между паровой и жидкой фазой. Для проведения процессов ректификации применяются почти исключительно аппараты колонного типа. По характеру взаимодействия паровой и жидкой фаз ректификационные колонны можно разделить на две основные группы: — со ступенчатым (дискретным) контактом фаз; — с непрерывным контактом фаз. Ректификационные колонны с непрерывным контактом фаз - в них жидкость стекает в виде плёнки – либо по поверхности насадки (насадочные колонны), либо по внутренней или наружной поверхности вертикальных труб (плёночные аппараты), а пар в виде сплошного потока поднимается вверх через свободный объём насадки или внутри вертикальных труб. 1. Пленочные колонны. В пленочных колоннах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей в виде пленки по твердой вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: трубчатые колонны; колонны с плоскопараллельной или листовой насадкой; колонны с восходящим движением пленки жидкости. Трубчатая колонна (рис. 36) по устройству аналогична кожухотрубчатому теплообменнику.
Жидкость поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам и стекает по их внутренней поверхности в виде пленки. Пар движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Колонна с плоскопараллельной насадкой (рис. 37): пакет листовой насадки 1 в виде вертикальных листов из различных материалов (металл, пластмасса, натянутые на каркас ткань, пленка и т.п.) помещают в колонну. В верхней части колонны находится распределительные устройства 2 для обеспечения равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.
Пленочная колонна с восходящим движением пленки (рис. 38) состоит из пучка труб 1, закрепленных в трубчатых решетках ^ . Пар проходит через распределительные патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Жидкость поступает в трубы через щели 5 (см. узел Б). Движущийся с достаточно большой скоростью пар увлекает с собой жидкую пленку снизу вверх, т.е. колонна работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1, жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из колонны.
2. Насадочные колонны. Насадочная колонна (рис. 39) представляет собой колонну 1, заполненную насадкой ^ – твердыми телами различной формы. Насадка укладывается на опорные решетки 4 с отверстиями. В этих колоннах жидкость течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, а пар в виде сплошного потока поднимается вверх через свободный объём насадки. Поэтому поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями, а между секциями устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 39, б). ^ : 1) Пленочный режим – наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние парового потока на скорость стекания жидкой пленки по насадке, и, следовательно, на количество удерживаемой в насадке жидкости. 2) Режим подвисания (или торможения) – повышение скорости пара приводит к затормаживанию жидкости газовым потоком, т.е. скорость течения пленки жидкости уменьшается. Следовательно, увеличивается толщина пленки и количество удерживаемой жидкости в насадке. В режиме подвисания с увеличением скорости пара нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и, соответственно, интенсивность процесса массопередачи. 3) Режим эмульгирования – возникает при еще больших скоростях пара. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне паром не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а пар – дисперсной). Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн вследствие увеличения площади контакта фаз. Однако, увеличение эффективности сопровождается резким увеличением гидравлического сопротивления.
|
