Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых icon

Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых


Скачать 496.21 Kb.
НазваниеУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
страница5/9
Размер496.21 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9
Тема: Массообменные процессы.

Цель: Дать определение массообменных процессов, их движущей силы, массопередачи, массоотдачи, кратко охарактеризовать виды массообменных процессов, познакомить с правилом фаз.

План

  1. Основные понятия и определения.

  2. Виды массообменных процессов (абсорбция, адсорбция, перегонка, экстракция, ионный обмен, сушка, растворение, кристаллизация, мембранные процессы.

  3. Способы выражения составов фаз.

  4. Правило фаз Гиббса.

  5. Фазовое равновесие, линия равновесия.


Основные понятия и определения

Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

Движущей силой процесса массообмена является градиент концентраций распределяемого между фазами вещества: ∆с = с – ср, где с – фактическая концентрация вещества в данной фазе; ср – равновесная концентрация.

Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия.

^ Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей. Массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов). При этом граница соприкосновения – т. е. поверхность контакта фаз – может быть подвижной (система газ – жидкость, жидкость – жидкость) или неподвижной (газ – твёрдое, жидкость – твёрдое).

^ Перенос вещества внутри фазы – из фазы к границе раздела фаз или наоборот – от границы раздела в фазу – называют массоотдачей.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для очистки сточных вод и отходящих газов производственных процессов.


^ Виды массообменных процессов

Наибольшее распространение получили следующие процессы:

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую. В основе процесса абсорбции лежит закон Рауля по которому парциальное давление абсорбента над раствором равно давлению пара чистого абсорбента, умноженному на его мольную долю в растворе:

раб = Раб(1-x), где Раб – давление паров чистого абсорбента; раб – давление паров абсорбента над раствором; х – мольная доля абсорбированного газа в растворе.

Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Избирательная абсорбция в сочетании с десорбцией используется для разделения газовых и паровых смесей на отдельные компоненты.

Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твёрдыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.

Перегонка (ректификация и дистилляция) – разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси.

Экстракция (жидкостная) – извлечение растворённого в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого компонента из одной жидкой фазы в другую. Процесс экстракции основан на законе распределения, согласно которому отношение равновесных концентраций вещества, распределённого между двумя жидкими фазами при постоянной температуре есть величина постоянная, называемая коэффициентом распределения R

R = c1 / c2, где R – коэффициент распределения; с1 – равновесная концентрация распределяемого вещества в первой распределяющей фазе; с2 – равновесная концентрация распределяемого вещества во второй фазе.

Экстракцию применяют для извлечения растворённого вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.

Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов.

Сушка - процесс удаления из твёрдого материала летучего компонента (чаще всего влаги) путём его испарения и отвода образующегося пара. Условием сушки является обеспечение неравенства рм > рс, где: рм – давление пара во влажном материале; рс – парциальное давление пара в окружающей среде.

Кристаллизация - выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или из расплавов. Кристаллизация осуществляется в результате пересыщения или переохлаждения раствора (расплава) и характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твёрдую

Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки – мембраны. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.


^ Способы выражения составов фаз

При изучении массообменных процессов приходится иметь дело со смесью различных компонентов, находящихся в жидкой или паровой фазе. Свойства такой смеси зависит от её состава, т.е. относительного содержания (концентрации) тех или иных компонентов.

Принято для выражения состава смесей пользоваться различной системой концентраций и наиболее распространёнными являются массовые, молярные и объёмные концентрации.

а) массовые концентрации (обозначим хi)

Рассмотрим систему, состоящую из n компонентов. Обозначим массы 1-го, 2-го и n-го компонентов через g1, g2,……gn соответственно. Общая масса системы будет ; тогда массовые концентрации компонентов, входящих в состав смеси определяются следующим образом:

х1 = ; х2 = ;……….; хn = .

Очевидно, что сумма массовых концентраций всех компонентов смеси равна единице:

x1 + x2 +……+ xn = + + ……+ = .

б) молярные концентрации (мольные доли) (обозначим х’) – это отношение числа молей i – го компонента к общему числу молей системы

х1’ = ; х2’ = ;……….; хn’ = .

Очевидно, что и сумма мольных долей системы равна 1

x1’ + x2’ +……+ xn’ =

в) объёмные концентрации (обозначим vi) – это отношение объёма отдельного компонента Vi к общему объёму системы

v1 = ; v2 = ; ……; vn = .

При условии, что в процессе смешения компонентов их объём не изменяется , т.е.

V1 + V2 + ….. + Vn = ∑Vi,

Сумма объёмных концентраций также будет равна 1

v1 + v2 + …..+ vn =

vi = 1.


^ Правило фаз Гиббса

При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией; такой массо- и теплообмен идет через поверхность раздела фаз, стремясь достигнуть состояния равновесия, при котором скорость перехода из одной фазы в другую уравновесится скоростью перехода в противоположном направлении.

Система, достигнув состояния равновесия, может далее существо­вать как угодно долго без каких-либо видимых качественных и коли­чественных изменений. Это значит, что при наличии равновесия контактирующие фазы по истечении любого отрезка времени будут суще­ствовать, а их составы останутся неизменными.

Условием, необходимым для обеспечения равновесия системы, является постоянство температуры и давления во всех частях си­стемы; неравенство температуры пли давления приведет к теплооб­мену и массообмену в системе и к нарушению состояния равновесия. Другим важным условием состояния равновесия является сосу­ществование фаз, т. е. их контакт; поэтому в равновесной системе всегда имеется поверхность раздела фаз. Только в результате кон­такта фаз, осуществленного на поверхности их раздела, система может прийти в состояние равновесия.

Если по тем или иным причинам равновесие нарушится, система будет вновь стремиться прийти к равновесному состоянию. Состояние равновесия может нарушиться при изменении температуры или давле­ния системы и состава одной из фаз.

Необходимо, однако, отметить, что состояние равновесия не зависит от относительного количества фаз. Так, если изменить соотношение между количествами этих фаз, состояние равновесия не нарушится.

Таким образом, в системе, находящейся в равновесии, не происхо­дит никакого процесса, требующего для своего осуществления тепло- и массообмена, и, следовательно, для того чтобы процесс протекал, необходимо нарушить равновесие.

В частности, процесс перегонки и ректификации будет протекать только в том случае, если между сосуществующими паровой и жидкой фазами не будет состояния равновесия, что может быть достигнуто внешним воздействием на систему путем изменения хотя бы одного параметра, характеризующего состояние равновесия: температуры, давления или состава фаз.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса. Математически правило фаз имеет вид: Ф + С = К + 2, где С — число степеней свободы или число независимых перемен­ных, значения которых можно произвольно менять без нарушения числа или вида (состава) фаз в системе. К ним относятся температура, давление и кон­центрация компонентов; К — число компонентов; Ф — число фаз.

Правило фаз указывает число параметров, которое можно менять произвольно при расчёте равновесия в процессах массообмена. Применим это правило к различным процессам массопередачи.

Для однокомпонентпой системы, находящейся в паровой и жидкой фазах, число степеней свободы С = 1+ 2 - 2 = 1, т. е. из возможных независимых переменных — температуры, давления, характеризующих состояние равновесия этой системы, произвольно может быть выбран только один параметр. Для такой системы кон­центрация не является определяющим параметром, так как обе фазы системы состоят только из одного компонента.

Для двухкомпонентной системы, состоящей из паровой и одной жидкой фаз, параметрами, характеризующими ее состояние, являются температура, давление и концентрация компонентов. Следовательно, определяющими в этой системе являются уже четыре переменные величины. В соответствии с правилом фаз в этом случае произвольно могут быть выбраны две переменные величины С = 2 + 2 - 2 = 2. Так, достаточно задаться или произвольно выбрать температуру и давление системы, чтобы тем самым определить концентрацию компонентов в равновесных паровой и жидкой фазах.

В случае процесса, в котором каждая из двух взаимодействующих фаз содержит, помимо распределяемого компонента, инертный компонент – носитель, т.е. число компонентов равно трём и С = К + 2 – Ф = 3 + 2 - 3 = 3 – можно произвольно менять давление, температуру и концентрацию одной из фаз по распределяемому компоненту. Обозначим концентрацию распределяемого компонента в 1-ой фазе через хА, во 2-ой – через уА. При Р = const и t = const некоторой концентрации одной из фаз хА соответствует строго определённая концентрация другой фазы уА.


Фазовое равновесие, линия равновесия

Рассмотрим процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой.

Обозначим: Фх – жидкая фаза; Фу – газовая фаза; х0 – начальная концентрация аммиака в жидкой фазе; у0 – начальная концентрация аммиака в газовой фазе.

Очевидно, что х0 = 0, у0 ≠ 0.

При соприкосновении газа с жидкостью начинается переход аммиака из газовой в жидкую фазу (абсорбция). Скорость этого процесса зависит от концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз: wa = Ka·y (Ka- константа скорости абсорбции).

Скорость обратного процесса – десорбции аммиака – зависит от концентрации аммиака в воде: wд = Kд·х (Kд- константа скорости десорбции).

С течением времени скорость абсорбции будет снижаться, а скорость десорбции – возрастать. В определённый момент скорость абсорбции становится равной скорости десорбции. При этом не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу, т.е. установится динамическое равновесие.

В условиях равновесия некоторому значению действующей концентрации аммиака в жидкой фазе х соответствует строго определённая равновесная концентрация в газовой фазе у*. Соответственно, концентрации у соответствует равновесная концентрация х*. В общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается:

у* = f(х) или х* = f(y’).

Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рис. , либо в частном случае— прямой линией. На рис. , а пока­зана равновесная кривая для системы с компонентами - носителями, вы­ражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = соnst и t = const. На рис. -1, б приведен пример равновесной кривой для процесса ректифика­ции, построенной при Р = const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке, соответствует разным температурам.




Рис. Диаграммы равновесия: а – при р = const и t = const; б – при p = const.


Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффи­циентом распределения: m = y*/x

Для разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и m является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.

Конкретный вид законов равновесного распределения, выражающих зависимости ( ) и ( ), различен для разных, процессов массопередачи. Так, например, в процессе абсорбции при низких концентрациях распре­деляемого вещества в исходном растворе равновесие описывается законом Генри, для идеальных растворов в процессах ректификации — законом Рауля и т. д.

Как будет показано ниже, зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные, концентрации фаз в соответствую­щих точках, можно определить направление и движущую силу массопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рас­считана средняя движущая сила, а по ней — скорость процесса массопередачи.

Лекция №8

Тема: Массообменные процессы (продолжение). Перегонка жидкостей.

Цель: Представить в общем виде составление материального баланса любого массообменного процесса, вывести уравнения рабочей линии для верхней и нижней части любого массообменного процесса, дать определение движущей силы массообменных процессов и познакомить с графическим способом определения направления переноса вещества из фазы в фазу.Дать общие сведения о перегонке жидкостей.


План

  1. Материальный баланс. Рабочая линия.

2. Движущая сила массопередачи и направление переноса вещества из фазы в фазу

3. Перегонка жидкостей. Общие сведения.


Материальный баланс. Рабочая линия

Рабочие концентрации распре­деляемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений. Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого ве­щества в фазах у = f (х) изображается линией, которая носит название рабочей линии. Вид функции у = f (х) или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов. Материальный баланс представляет собой вещественное выражение закона сохранения массы применительно к процессам химической технологии: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе веществ, полученных в этой операции (расход), что записывается в виде уравнения баланса.

Рассмотрим схему массообменного аппарата, работающего в режиме идеального вытеснения при противотоке фаз (рис. Х-2). Пусть в процессе массопередачи из фазы в фазу, например из газовой фазы в жидкую, переходит только один распределяемый компонент. Сверху в аппарат поступает Lн кг/сек жидкой фазы, содержащей хн мас. долей распределяемого компонента, а снизу из аппарата удаляется Lк кг/сек той же фазы, содержащей хк мас. долей распределяемого компонента. Снизу в аппарат поступает Gн кг/сек другой фазы (газовой) концентрацией ун и сверху удаляется Gк этой фазы, имеющей концентрацию ук мас. долей распределяемого компонента.

Тогда материальный баланс по всему веществу Gн + Lн = Gк + Lк

и материальный баланс по распределяемому компоненту

Gн ун + Lн хн = Gкук + Lкхк.




Рис. Х-2. К выводу уравнения материаль­ного баланса противоточного массообменного аппарата


Теперь напишем уравнения материального баланса для части аппарата от его нижнего конца до некоторого произвольного сечения, для которого расходы фаз составляют G и L кг/сек, а их текущие концентрации равны у и х соответственно.

По всему веществу Gн + L = G + Lк,

по распределяемому компоненту Gн ун + Lх = Gу + Lкхк.

Решая это уравнение относительно у, получим

у = .

Обычно расходы фаз постоянны по высоте аппарата или мало изменяются. Поэтому, с достаточной для практических целей точностью можно считать, что Gн = Gк = G = const, Lн = = Lк = L = const и уравнение принимает вид

y = .

Обозначим L/G = A и = В, получаем у = Ах + В.

Выражения и являются уравнениями рабочей линии, которыми обычно пользуются при расчётах массообменных процессов.

Таким образом, рабочая линия представляет собой прямую, которая наклонена к оси абсцисс под углом, тангенс которого равен ^ А, и отсекает на оси ординат отрезок, равный В.


Движущая сила массопередачи

и направление переноса вещества из фазы в фазу

В общем случае: движущей силой массообменных процессов является отклонение данной системы от состояния равновесия.

Со стороны газовой фазы: движущей силой процесса является разность между действующей концентрацией данного компонента в газовой фазе и концентрацией этого же компонента в газе, находящемся в равновесии с жидкостью.

^ Распределяемое вещество всегда пере­ходит из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса распределяемого вещества, т, е. направление массопередачи, можно опре­делить с помощью линии равновесия и рабочей линии (рис. Х-З).




Рис. Х-З. Определение направления массопередачи по у –х диаграмме: а - рабочая линия ниже линии равновесия: 6 - рабочая линия выше линии равновесия


Пусть массопередача происходит между фазами Фх и Фу, рабочие концентрации которых равны х и у соответственно.

Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия (рис. Х-З, а) то для любой точки, например точки А рабочей линии, у<у* и х>х*, где у* и х* — равновесные концентрации. Следовательно, распределяемое вещество (компонент) будет переходить в этом случае из фазы Фх в фазу Фу. Перенос в таком направлении происходит, например, в процессе ректификации, где более летучий компонент переходит из жидкой фазы х) в паровую у).

Если же рабочая линия расположена выше линии равновесия (рис. Х-З, б), то для произвольно выбранной на рабочей линии точки ^ А концентрация у>у*, х<х*. При этом распределяемый компонент будет переходить из фазы Фу в фазу Фх. Примером такого перехода является процесс абсорбции.

Таким образом, направление процесса масссопередачи может быть определено по взаимному расположению равновесной и рабочей линии на фазовой диаграмме «у – х».

^ Перегонка жидкостей. Общие сведения

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 110,60С, 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.


Лекция №9

Тема: Массообменные процессы. Перегонка жидкостей (продолжение).

Цель: 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. Дать основные положения ректификации.

План

  1. Фазовое равновесие бинарных систем в процессах перегонки. Фазовые диаграммы.

  2. Разновидности простой перегонки:

а) фракционная перегонка;

б) простая перегонка с дефлегмацией;

в) перегонка с водяным паром;

г) перегонка с инертным газом;

д) перегонка под вакуумом.

3. Общая оценка процессов дистилляции.

4. Сущность ректификации.

5. Типовая схема, потоки, терминология ректификации.


Фазовое равновесие бинарных систем в процессах перегонки.

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.




Рис. . Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз (диаграмма t – x,y)



Для построения зависимости температур кипения и конденсации соответственно от состава жидкости или пара, т, е. диаграммы t – x,y, (рис. ), 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. ) 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.





Рис. . Диаграмма равновесия пар – жидкость (диаграмм у – х).


^ Разновидности простой перегонки

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. 17-8, 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.



7-8. Схема установок для простой перегонки (а) и перегонки с дефлегмацией (б): 1- кубы-кипятильники; 2-конденсаторы-холодильники; 5-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. )




Рис. . Схема установки для перегонки с водяным паром: 1 – куб; 2 – конденсатор; 3 – отстойник


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.

^ Общая оценка процессов дистилляции

Чаще всего дистилляцию применяют в промышленности в тех случаях, когда не требуется высокой чистоты продукта (или полупродукта для последующих стадий производства). 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. В самом деле, здесь приходится многократно испарять уже однажды испарен­ную жидкость, затрачивая большое количество теплоты и теп­лоносителя. Одновременно приходится затрачивать хладоагент на неоднократную (повторную) конденсацию паров. Т.к. процессы парообразования разделены во времени и пространстве, дистилляция – очень длительный процесс.


^ Сущность 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. , а, ей соответствует диаграмма t—х,у для разделяемой смеси (рис. 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 2 с обогревающим устройством, анало­гичным рассмотренному выше для дистилляционных процессов. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3.

Схематизируем явления, происходящие при ректификации. 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. , а) жидкость обогащена НК в сравнении с кубовой жидкостью (х > х0); поэтому при ее испарении (принимаем, что равновесном) 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. 12.22, 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 НКК: у'" > у".

Так постепенно за счет противоточного контакта фаз на та­релках (в случае насад ом ной колонны — на поверхности насад­ки) снизу вверх нарастают концентрации НКК в паре и жид­кости — устанавливается некий профиль концентраций; этот эффект и лежит в основе процесса ректификации. Чистота НКК на верху колонны (значит, и на выходе из нее) опреде­ляется в рамках рассматриваемой схемы числом тарелок (или высотой слоя насадки).

После установления необходимого концентрационного про­филя, т.е. требуемой концентрации НКК (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.


^ Типовая схема, потоки, терминология

Приведенная на рис. 12.22, а схема иллюстрирует лишь эф­фект ректификации; она ограничена получением только высо­коконцентрированного НК. Реальный ректификационный процесс позволяет получать оба компонента высокой концент­рации.

Принципиальная схема процесса непрерывной ректифика­ции бинарных смесей показана на рис. 12.23. 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. Перекачивающие насосы на рисунке не показаны.

Принята следующая терминология основных потоков и уз­лов ректификационной установки:

— поток I носит естественное название — исходная смесь, расход её обозначается F, концентрация xF;

— поток II именуют дистиллятом (или дистиллатом), обозначается P, xP;

— поток III называют кубовым остатком (или кубовой жид­костью), обозначается W, xW;

— восходящий паровой поток IV так и называют: поток пара (иногда просто "пар"), обозначается G, yG;

— нисходящий жидкостной поток Ф (в том числе — возвра­щаемый сверху в колонну на орошение) именуют флегмой, 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 укрепляющей части колонны. Часть колонны, находя­щаяся ниже тарелки питания (в ней НК отгоняется из жид­кости, исчерпывается), носит название отгонной (реже — ис­черпывающей) части колонны. Генератор пара называют кипятильником, источник флегмы (чаще всего — и дистиллята) — конденсато­ром.





Рис. 12.23. Принципиальная схема непрерывнодействующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей: 1 — колонна, 2 — подогреватель исходной смеси. 3 — гребенка, 4 — кипятильник, 5 — конденсатор, 6, 7 — холодильники, 8— 10 — сборники;

I — исходная смесь, II — дистиллят, III — кубовая жидкость, IV — пар, V — флегма, VI — теплоноситель, VII — охлаждающий агент

Конденсация пара в конденсаторе, отбор дистиллята и возврат флегмы в колонну осуществляют двумя способами, схематично изображенными на рис. .

По первому способу (рис. , 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. , 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.



Рис. 12.24. Схемы конденсации уходящего из колонны пара и возврата в нее части образовавшейся жидкости:

а — полная конденсация пара в конденсаторе, б - частичная конденсация пара в де­флегматоре; 1 — колонна, 2 — конденсатор, 3 — дефлегматор, 4 — гидрозатвор; I— исходная смесь, II— дистиллят, III — кубовая жидкость

Аппаратурное оформление процессов ректификации

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 этих колоннах жидкость стекает в виде плёнки – либо по поверхности насадки (насадочные колонны), либо по внутренней или наружной поверхности вертикальных труб (плёночные и роторно-плёночные аппараты), а пар в виде сплошного потока поднимается вверх через свободный объём насадки лил внутри вертикальных труб.

1. Пленочные колонны. В пленочных колоннах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей в виде пленки по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые колонны; 2) колонны с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) колонны с восходящим движением пленки жидкости.

Трубчатая колонна (рис. 4) по устройству аналогична кожухотрубчатому теплообменнику.




Рис. 4. Трубчатый абсорбер


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.5): 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.



Рис. 5. Колонна с плоскопараллельной насадкой


Пленочная колонна с восходящим движением пленки (рис. 6) состоит из пучка труб 1, закрепленных в трубчатых решетках ^ 2. 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 изколонны.



Рис. 6. Пленочный абсорбер с восходящим движением пленки


2. Насадочные колонны. Насадочная колонна (рис.7) представляет собой колонну 1, заполненную насадкой ^ 3 – 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.7б).



Рис. 7. Насадочная колонна.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для подготовки к экзамену предисловие учебное пособие предназначено для студентов медицинских вузов
Прежде всего, оно будет полезным при подготовке к экзамену по нормальной анатомии
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие по курсу «Общая химическая технология» для студентов специальностей 240701, 240702, 240706, 240901
Данное учебное пособие предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих...
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для самостоятельной работы Ставрополь 2010 ббк 63. 3 (2) Я73 удк 99 (С) р -82
Учебное пособие предназначено для студентов медицинских и фармацевтических вузов
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconТестовые задания по дисциплине «Химическая технология» для студентов 4 курса химического факультета (7 семестр)

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы