Студопедия — Сведения из теории
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Сведения из теории






 

Робота виконується на аркуші паперу для форматом А4 210х294 мм простим олівцем.

Сведения из теории

В химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности для разделения жидких гомогенных смесей на технически чистые продукты широко применяют ректификацию. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в противоточных аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Наибольшее распространение в промышленности получили тарельчатые колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими типами тарелок. Несколько реже используются насадочные колонны с насадками различного типа.

Через ректификационную колонну противотоком – навстречу друг другу – проходят неравновесные по составу потоки пара и жидкости. Поток пара движется в колонне снизу вверх, а жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт. Вследствие отсутствия равновесия между жидкостью и паром на тарелке возникает процесс массообмена (обмен компонентами), в результате которого составы пара и жидкости изменяются, приближаясь к равновесным. Пар становится богаче наиболее летучим или низкокипящим компонентом (НКК), а жидкость – менее летучим или высококипящим компонентом (ВКК). Таким образом, при ректификации одновременно протекают два противоположных процесса: переход НКК из жидкой фазы в паровую и переход ВКК из паровой фазы в жидкую. В этом состоит принципиальное отличие процесса массообмена при ректификации по сравнению с другими массообменными процессами.

В конечном итоге пар, выходящий из верхней части колонны, представляет собой практически чистый НКК, который конденсируют в специальных конденсаторах – дефлегматорах. Часть конденсата возвращается обратно на орошение колонны и называется флегмой, а другая часть – дистиллят- отводится как готовый продукт или полупродукт для других производств.

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята носит название флегмового числа и является одним из важнейших технологических параметров работы ректификационных установок.

Из нижней части колонны отводится сравнительно чистый ВКК, который также может служить конечным продуктом ректификации. Восходящий поток пара в колонне образуется за счет кипячения жидкости в обогреваемом кубе-испарителе.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Концентрации получаемых продуктов разделения зависят от многих факторов, в том числе от числа тарелок, эффективности их работы, от величины флегмового числа и др.

В промышленности используют ректификационные установки непрерывного и периодического действия. В первом случае разделяемую жидкость непрерывно подают в среднюю часть колонны на так называемую «питающую» тарелку. В установках периодического действия весь объем разделяемой жидкости сразу загружается в куб перед пуском колонны в работу.

Наиболее наглядно процесс ректификации можно проследить на схеме тарельчатой колонны (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема массообмена на тарелке

На нижнюю тарелку поступает из куба пар состава (кмоль НКК / кмоль смеси), а сверху стекает смесь разделяемой смеси и флегмы.

На тарелке 1 жидкость содержит х1 (кмоль НКК / кмоль смеси) низкокипящего компонента. При соприкосновении этой жидкости с восходящим потоком пара состава уо происходит массообмен.

В результате из паровой фазы в жидкую поглощается преимущественно высококипящий компонент, а из жидкой фазы в паровую переходит преимущественно НКК. Содержание НКК в паре составит у1, а в предельно возможном случае будет соответствовать равновесному составу у1*, причем у1* > у1 > х5.

Этот пар проходит через отверстия вышележащей тарелки 2 и контактирует с находящейся там жидкостью состава х2. На тарелке 2 аналогичным образом происходит массообмен с преимущественным поглощением из паровой фазы в жидкую ВКК и выделением из жидкой фазы в паровую НКК. В результате паровая фаза дополнительно обогатится НКК и будет иметь состав у2, а в предельно возможном случае будет соответствовать равновесному составу у2*, причем у2* > у2 > х2.

Жидкая фаза, последовательно перетекая с вышележащей тарелки на нижележащую, постепенно обедняется НКК.

При многократном повторении процессов испарения и конденсации, т.е. при соответствующем числе тарелок можно получить вверху колонны практически чистый НКК, а внизу колонны – остаток жидкости в виде высококипящего компонента.

Теоретически каждая тарелка колонны представляет собой ступень изменения концентрации. Состав пара при выходе с такой тарелки соответствует равновесному составу жидкости при входе ее на ту же тарелку. Следовательно, теоретически число тарелок равно числу ступеней изменения концентрации для каждого случая ректификации.

Тарелка, на которой жидкость полностью перемешена и достигается состояние равновесия массообменных процессов, носит название теоретической тарелки. Коэффициент полезного действия теоретической тарелки принимается равным 100 %.

Практически пар на тарелке не успевает достичь равновесного состояния, поэтому число требуемых реальных тарелок всегда будет больше теоретического числа ступеней изменения концентраций.

В основе теории процесса ректификации лежат результаты исследований соотношения между составами жидкости и пара при равновесных состояниях. Эти соотношения наиболее просты и понятны в случае так называемых идеальных растворов, компоненты которых растворяются друг в друге без каких-либо химических взаимодействий.

Идеальные растворы подчиняются закону межфазного равновесия Рауля:

ра* = Ра× х, (1)

рв* = Рв(1 – х), (2)

где ра* - парциальное давление низкокипящего компонента А в парогазовой смеси над жидкостью в условиях равновесия;

Ра - давление насыщенного пара чистого компонента А, являющееся однозначной функцией температуры;

рв* - парциальное давление высококипящего компонента В в парогазовой смеси над жидкой смесью в условиях равновесия;

Рв – давление насыщенного пара чистого компонента В, являющееся однозначной функцией температуры;

х – мольная доля низкокипящего компонента А в жидкости, кмоль А / кмоль смеси.

Общее давление паров (П) над жидкостью равно сумме парциальных давлений компонентов:

П = ра* + рв* = Рв + (Ра – Рв) х. (3)

Согласно уравнениям Клайперона и Дальтона парциальное давление компонента ра*= П×уа, тогда

Уа = ра* / П, (4)

где уа – мольная доля компонента А в парогазовой смеси.

Подставляя значение ра* из уравнения (1), получаем:

(5)

Для анализа процессов ректификации удобно пользоваться диаграммой у – х (рисунок 14), выражающей зависимость между равновесными составами у* и х. Эта зависимость у* = f(х) отвечает уравнению (5). Кроме линии равновесия на у – х диаграмме строится вспомогательная диагональ.

Значение х может быть определено из уравнения (3):

(6)

Зная мольную массу НКК в жидкости (Х), по диаграмме представленной на рисунке 2 можно легко определить соответствующее ему равновесное значение у* (мольную долю НКК в паре) и наоборот.

Рисунок 2 - Равновесная диаграмма

У – Х для бинарной смеси

 

На тарелке, согласно правилу Трутона, из жидкости испаряется столько же молей НКК, сколько сконденсируется молей ВКК (вследствие примерного равенства мольных теплот испарения НКК и ВКК). Следовательно, общие молярные потоки пара и жидкости по высоте колонны остаются постоянными.

Это постоянство молярных потоков позволяет установить простую зависимость между составами пара и жидкости в любом произвольно взятом горизонтальном сечении ректификационной колонны.

Материальный баланс по НКК для всей части колонны, расположенной выше точки ввода жидкой исходной смеси, запишется:

Gv × у = GR × х + GД × хД, (7)

где GV - количество паров, поднимающихся в колонне снизу вверх, кмоль / c;

GR - количество флегмы, стекающей в колонне сверху вниз, кмоль / c;

GД - количество дистиллята, отводимого из верхней части колонны, кмоль /с;

у - мольная доля НКК в паре;

х - мольная доля НКК в стекающей в колонне флегме;

хД - мольная доля НКК в дистилляте.

Из выражения (8) следует, что для любого поперечного сечения колонны периодического действия мольная доля НКК в паре может быть определена из следующей зависимости:

(8)

Это выражение представляет собой зависимость между действительными (неравновесными) составами контактирующих пара и жидкости в любых межтарельчатых сечениях колонны периодического действия.

Поскольку GV и GR для всех сечений постоянны, уравнение (8) является уравнением прямой линии, которую обычно называют рабочей линией.

Зная GR / GV, GД / GV и хД, рабочую линию довольно легко построить. Особенно легко строится она в случае, когда колонна работает «сама на себя».

В этом случае GД = 0, GV = GR и уравнение рабочей линии принимает вид У = Х.

Следовательно, рабочая линия в этом случае изображается биссектрисой координатного угла УОХ. Пользуясь кривой равновесия и уравнением рабочей линии, можно шаг за шагом определить равновесные составы жидкости и пара по всей высоте колонны и в результате этого определить минимальное число тарелок, необходимое для той или иной заданной степени разделения исходной жидкости.

Очень просто и наглядно решается эта задача графическим методом с помощью У – Х диаграммы. Примерный вид такой диаграммы, построенной для колонны непрерывного действия в случае ее работы «сама на себя», то есть без выдачи дистиллята, представлен на рисунке 3.

Кривая 1 является кривой равновесия и строится по уравнению (5) или по опытным данным. Прямая 2 (диагональ диаграммы) представляет собой рабочую линию. Допустим, что на этой диаграмме хw является заданным составом жидкости в кубе, а хд – требуемый состав дистиллята. Проведем сечение С1 - С1 (рисунок 1) под тарелкой 1 и определим в этом сечении состав х1 жидкости, стекающей в куб. Этот состав можно найти, решая уравнение рабочей линии, или по у - х диаграмме (рисунок 3).

 

Рисунок 3 - Равновесная диаграмма У – Х и рабочие

линии колонны непрерывного действия

 

Для этого достаточно провести из конца ординаты Уw горизонталь до пересечения в точке а1 с рабочей линией. Абсцисса х1 этой точки и будет представлять собой состав жидкости на тарелке 1, если допустить, что жидкость на ней полностью перемешена, т.е. состав ее во всех точках данной тарелки один и тот же.

Зная состав жидкости на тарелке 1, легко найти равновесный состав пара, выходящего после контакта с этой жидкостью, т.е. в сечении С2 - С2. Очевидно, он изобразится на диаграмме ординатой У1, соответствующей абсциссе Х1.

Состав жидкости в сечении С2 - С2, а следовательно, и состав жидкости на тарелке 2 колонны опять находим по уравнению рабочей линии, т.е. проводим из концов ординаты У1 новую горизонталь до пересечения с рабочей линией, Абсцисса Х2 точки пересечения а2 и будет представлять состав жидкости на тарелке 2. Для определения необходимого числа тарелок такое построение, очевидно, следует продолжить до тех пор, пока не дойдем до тарелки, состав жидкости с которой окажется равным или несколько большим заданному составу Хд.

В результате этого построения на диаграмме получается ступенчатая линия (лестница), число ступенек этой линии и будет представлять необходимое число тарелок. Таким образом определяется число теоретических тарелок nт, поскольку при его определении предполагалось существование на каждой тарелке равновесия между паром и жидкостью.

В действительности же в любой работающей колонне этого равновесия не бывает, так как продолжительность контакта между паром и жидкостью на тарелке очень мала, в то время как процесс обмена компонентами (как всякий диффузионный процесс) протекает с некоторой конечной скоростью. По этой причине действительные составы пара на тарелке оказываются меньше теоретических (равновесных) и, следовательно, действительное число тарелок

nд, которое может обеспечить заданную степень разделения жидкой исходной смеси, должно быть больше теоретического. Соотношение между ними

nт / nд = h

обычно определяется как средний коэффициент полезного действия тарелок.

Ряд теоретических соображений и многочисленные данные практических наблюдений показывают, что КПД тарелок колонны зависит от целого ряда факторов, количественно учесть которые не представляет возможным; поэтому величину его приходится определять в каждом отдельном случае опытным путем, что и является задачей настоящей работы.







Дата добавления: 2015-08-17; просмотров: 832. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Устройство рабочих органов мясорубки Независимо от марки мясорубки и её технических характеристик, все они имеют принципиально одинаковые устройства...

Ведение учета результатов боевой подготовки в роте и во взводе Содержание журнала учета боевой подготовки во взводе. Учет результатов боевой подготовки - есть отражение количественных и качественных показателей выполнения планов подготовки соединений...

Сравнительно-исторический метод в языкознании сравнительно-исторический метод в языкознании является одним из основных и представляет собой совокупность приёмов...

Типология суицида. Феномен суицида (самоубийство или попытка самоубийства) чаще всего связывается с представлением о психологическом кризисе личности...

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МОЗГА ПОЗВОНОЧНЫХ Ихтиопсидный тип мозга характерен для низших позвоночных - рыб и амфибий...

Принципы, критерии и методы оценки и аттестации персонала   Аттестация персонала является одной их важнейших функций управления персоналом...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия