3. Правило фаз гиббса применение к процессам массообмена
При равновесии во всех частях системы должны быть постоянными давление и температура, в противном случае будут протекать процессы массо- и теплообмена.
Для равновесных систем выполняется правило фаз Гиббса, которое устанавливает зависимость числа степеней свободы (N)
N=К+2-Ф (5)
где N-число степеней свободы системы;К -число компонентов;Ф-число фаз.
Число степеней свободы системы - это число независимых переменных (температура, давление, концентрация компонентов), которые можно произвольно в определенных пределах изменять, не изменяя равновесие системы.
В равновесной системе (N= 0) число сосуществующих фаз не может быть более Ф=К+2.
Для двухфазных систем, число степеней свободы системы равно числу компонентов (N= К). В основном в курсе далее будут рассмотрены двухфазные системы.
Бинарная смесь К=2, N=2, можно изменять температуру и концентрации, при постоянном внешнем давлении. В аппарате должен быть градиентtиxпри постоянном π.
Для много компонентных систем (нефть) К→∞ и N→∞, Поэтому для многокомпонентных систем (характерных для нефтепереработки) число степеней свободы может быть весьма велико.
Массовый, мольный и объемный состав
Массовая доля компонента определяется отношением массы данного компонента к массе всей смеси
(
1 )
Учитывая, что суммарная масса смеси равна сумме масс отдельных компонентов смеси т.е.
(
2 )
можно написать
(
3 )
т.е. сумма массовых долей всех компонентов смеси равна единице
Мольная доля какого - либо компонента смеси определяется как отношение числа молей данного компонента к общему числу молей смеси
(
4 )
где Ni число молей, определяется по следующему соотношению:
(
5 )
(
6 )
Объемная доля компонента в смеси равна отношению объема данного компонента к объему всей смеси
(
7 )
(
8 )
Объемные доли применяют в тех случаях, когда при смешении не происходит изменения объема компонентов.
Для взаимного пересчета массовых и мольных долей используют следующие соотношения:
(
9 )
(
10 )
При пересчете объемных концентраций в массовые или мольные (например, при пересчете кривых разгонки, построенных в объемных долях) пользуются соответствующими формулами расчета:
(11)
где ρсм-средняя плотность смеси.
Л 2
4 Сущность процесса ректификации
Известны различные подходы и способы по обоснованию технологии перегонки и ректификации, а также принципов выбора конструкции аппарата для разделения бинарной смеси.
В качестве примера рассмотрим разделение бинарной смеси бензол-толуол. Известны состав и свойства компонентов исходной смеси. Проведем серию экспериментов. Поместим в перегонную колбу (рисунок 4.1) жидкость с известным составом (бензола 40 % и толуола 60%), при этом необходимо из этой смеси получить конденсат с составом бензола 99,9 % и толуола 0,01%.
После постепенного испарения и конденсации (рисунок 4.1) определим состав конденсата, получилось бензола 85% и толуола 15%. Т.е. достаточно хорошая степень разделения компонентов при постепенном испарении не достигается. Данная конструкция неприемлема на практике.
Принцип однократного испарения (конденсации) реализуется в пустотелом аппарате, называемом газосепаратор или пароотделитель (рисунок 4.1), полученный состав конденсата является неприемлемым (бензола 65% и толуола 35%), однако конструкция аппарата является более удачной по сравнению с предыдущим аппаратом.
Повторим несколько раз процессы однократного испарения и конденсации, поставив серию таких аппаратов (рисунок 4.1). При этом достигается желаемые составы паровой и жидких фаз, но масса конденсата незначительна по сравнению с массой исходной смеси. Также при этой технологии более громоздкое и дорогое аппаратурное оформление.
Все предыдущие недостатки реализуются в одном аппарате, который включает процессы многократного испарения и конденсации на каждой ступени контакта, называемыми тарелками. На любой тарелке колонны происходит контакт между парами, поднимающимися на эту тарелку и жидкостью, стекающей на эту тарелку (рисунок 4.2)
Очевидно, изменение состава фаз будет происходит в том случае, если будет градиент концентраций и температур. Поскольку давление в колонне постоянно, то это условие будет выполняться, если температура потока жидкости будет меньше, чем температура паров. Наименьшая температура должна быть в верхней части колонны, а наибольшая в нижней части колонны. При контакте этих потоков происходит изменение состава фаз до равновесных. В нижней части колонны необходим подвод тепла, а верхней необходимо охлаждение.
Контактирование встречных потоков фаз осуществляется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые составы продуктов колонны. Этот процесс называется ректификацией, и колонна называется ректификационной. Верхняя часть будет концентрационной или укрепляющей, а нижняя часть отгонной или исчерпывающей, место ввода сырья в колонну называется питательной секцией.
Рис.4.1. Основные виды процессов испарения и конденсации: