Билет № 1

Вопрос № 2

Экстракция. Равновесие в системах жидкость – жидкость. Методы экстракции.

Экстракция Физическая сущность процесса экстракции

Экстракциейназывают процесс разделения смеси компонентов, входящих в состав твердой или жидкой фаз, путем обработки их жидким растворителем.

Жидкие нефтепродукты впервые были разделены при помощи растворителя А. М. Бутлеровым в 1870 г. Этот процесс разделения был использован впоследствии К. В. Харичковым [41] для так называемой холодной фракционировки нефтепродуктов. В дальней­шем процесс экстракции получил широкое промышленное распро­странение при очистке масел, дизельных топлив, керосина; для выде­ления ароматических углеводородов, при извлечении озокерита и церезина из песчаных пород, насыщенных этими веществами, и т. д.

Разделение при помощи экстракции основано на использовании растворителей, обладающих способностью избирательно растворять одни компоненты и не растворять или ограниченно растворять другие.

В результате контакта растворителя с разделяемой смесью образуются две жидкие фазы или жидкая и твердая фазы, между которыми распределяется извлекаемое вещество.

При экстракции состояние равновесия фаз в общем случае харак­теризуется законом равновесного распределения

с₁/с₂=К(10. 1)

где с₁ и с₂ — соответственно концентрации извлекаемого вещества

в образующихся при экстракции фазах; К — коэффициент распределения, зависящий от природы компонентов системы, состава и температуры.

Значение коэффициента К определяют экспериментально, и для данной системы он является величиной постоянной.

В промышленных условиях при разделении жидкого нефтяного сырья используют такие растворители, как фурфурол, фенол, жидкий сернистый ангидрид, диэтиленгликоль и др.

озокерита и церезина из горных пород в качество растворителя обычно применяют бензин.

При выборе растворителя необходимо учитывать его избирательность и растворяющую способность. Чем больше избирательность растворителя, тем выше четкость разделения компонентов, т. е. тем больше коэффициент распределения К [уравнение (10.1)]. Чем выше растворяющая способность растворителя, тем большее количество извлекаемых компонентов может быть в нем растворено и тем, следо­вательно, меньше расход растворителя. Оба эти свойства раствори­теля для данной разделяемой смеси зависят от температуры экстрак­ции. При повышении темпе­ратуры избирательность растворителя уменьшается, а его растворяющая способность воз­растает. При понижении температуры наблюдается обратная зависимость.

Разделение при помощи процесса экстракции может быть осуществлено только при условии, что смесь растворителя и разделяемого вещества образует двухфазную систему, что обеспечивается соответствующим выбором температуры экстракции и соотношения между количеством растворителя и разделяемой смеси. При небольшом расходе растворителя последний полностью растворяется в исходной смеси, образуя одну фазу. При большем расходе растворителя исходная смесь растворяется в растворителе, также образуя одну фазу.

Каждому количественному соотношению растворитель — исходная разделяемая смесь соответствует определенное значение температуры, при которой н выше которой данная смесь образует одно­фазную систему.

На рис. 10. 1 приведена кривая растворимости, устанавливающая связь между температурой растворения и составом смеси раствори­теля и исходного сырья. Избирательность и растворяющая способность растворителя, так же как и температура полного растворения, могут быть в известной степени изменены включением в систему растворитель — разделяемая смесь дополнительного компонента, влияющего на взаимно растворимость исходной системы.

Повышение температуры растворения, понижение растворяющей способности растворителя и повышение его избирательности могут быть достигнуты добавлением в систему компонента, который хорошо растворяется в растворителе и не растворяется или плохо растворяется в исходной разделяемой смеси. Такой метод понижения взаимной растворимости компонентов широко применяется при очистке масел фенолом с использованием воды в качестве дополнительного компонента.

Для повышения взаимной растворимости компонентов, понижения температуры растворения и избирательности растворителя в систему добавляют компонент, хорошо растворяющийся как в растворителе, так и в исходной смеси. Такова роль бензола при очистке масел жидким сернистым ангидридом.

При экстракции необходимо обеспечить интенсивное контактирование растворителя с исходной смесью, что способствует приближению системы к состоянию равновесия, а затем разделение образующихся фаз.

Скорость расслаивания в основном зависит от разности плотностей образовавшихся при экстракции фаз, степени дисперсности и вязкости среды, что в конечном счете зависит от природы растворителя и разделяемого сырья и от температуры экстракции.

Процессы и аппараты химической технологии, Скобло А.И., Москва, 1961,стр. 269-271

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том 1, Москва, Химия, 2002, стр. 145, 153-157

Процессы в системах жидкость-жидкость находят широкое применение в хим. н/п и н/х и других отраслях пром-ти.

Экстракция в системе жидкость-жидкость представляет собой диффузионный процесс, протекающий с участием двух взаимно нераст-ых или ограниченно раст-ых жидких фаз м/у которыми распределяется в-во (или несколько в-в).

Для повышения скорости процесса исходный р-р и экстрагент приводят в тесный контакт осуществляемый обычно многократно.в результате взаимодействия фаз получают экстракт- р-р извлеченных в-в в экстрагенте ирафинат- остаточный исходный р-р, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, иногда центрифугированием или другими механическими способами. После этого производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Фазовое равновесие в системе ж-ж определяет предельные концентрации экстракта и рафината. Данные о равновесии необходимы при выборе экстрагента, технологической схемы процесса, конструкции и размера (высоты и длины) апп., для расчета оптимального соотношения потоков экстрагента и исходного раствора, а также для выяснения других условий проведения процесса.

Состояние равновесия в системе ж-ж определяется равенством хим. потенциалов распределяемого в-ва в обеих фазах.

Количественно равновесие выражают двумя способами. Обычно его характеризуют отношением равновесных концентраций распределяемого в-ва в фазах, или коэффициентом распределения:

m=у^*/х,

где у^*их– равновесные концентрации распределяемого в-ва в экстракте и рафинате.

Методы экстракции.

При экстрации неорганических в-в обычно извлекают одно или несколько в-в из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией смесей орг. в-в в зависимости от числа применяемых экстрагентов различают:

1. экстракцию одним экстрагентомв системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов разделяемого р-ра и экстрагента);

2. экстракцию двумя экстрагентами (фракционная экстракция)в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного р-ра, распределяющихся м/у двумя несмешивающимися экстрагентами).

Экстракция одним экстрагентом наиболее распространена.

А.Г.Касаткин, «Основные ПиАХТ», Москва, химия,1971,стр.547-550,556

Билет № 1

Вопрос № 3

Отраслевая структура нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Среди других отраслей хим. Промышленность занимает одно из важнейших мест.

Химическая промышленность подразделяется на отрасли широкой специализации (горная химия, основная химия, производства органического синтеза и т.д.) и отрасли узкой специализации (производство минеральных удобрений, пластмасс, синтетических каучуков, красителей и т.д.).

Структура химической промышленности исторически меняется вследствие изменения баланса сырья, повышения удельного веса прогрессивных технологических процессов, что вызвано потребностями народного хозяйства в эпоху НТП в новых видах химической продукции.

В системе материального производства химическая промышленность занимает особое место в силу присущих ей специфических особенностей. К ним относятся:

• особые методы воздействия на предметы труда, приводящие к химическим превращениям, что позволяет изменять состав, структуру и саму природу сырья, т.е. производить новые вещества;

• разнообразие и узкая специализация применяемых машин, аппаратов и другого оборудования;

• широкий спектр источников сырья для производства одного и того же вида продукции;

• высокая (до 85%)материалоемкость производства;

• высокое энергопотребление, превосходящее в два раза энергопотребление промышленности в целом;

• низкая доля живого труда и высокая степень автоматизации производства;

широкое комбинирование производств на основе единого вида сырья и его комплексного использования.

(Р.С.Соколов Химическая технология т.1 стр. 18-19)

Билет № 2

Вопрос № 2

Основные понятия гидравлики. Физические свойства реальных жидкостей. Закон Ньютона. Основное уравнение гидростатики.

Основные понятия

Гидравлика– это наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей. При решении задач гидравлики стремятся к оценке только главных характеристик изучаемого явления и часто пользуются осредненными величинами, которые дают достаточно надежную характеристику рассматриваемого явления; например, часто пользуются средними скоростями движения частиц в жидкости в том или ином сечении потока.

Гидравлику подразделяют на гидростатику(законы равновесия жидкостей в состоянии покоя) игидродинамику(законы движения жидкостей). В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием –жидкости. Под жидкостью в гидравлике понимают все вещества обладающие текучестью.

При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие о гипотетической идеальной жидкости, которая в отличие отреальной (вязкой) жидкости , абсолютно не сжимаема под действием давления, не имеет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.

Реальные жидкости делят на капельные и упругие (газы или пары). Капельные жидкостипрактически несжимаемы и обладают очень малым коэффициентом объемного расширения. Объемупругих жидкостейсильно изменяется при изменении температуры или давления.

Физические свойства жидкостей

Масса единицы объема жидкости называется плотностьюи обозначается ρ:

ρ = m/V(кг/м³)

Вес единицы жидкости называется удельным весоми обозначается γ:

γ = G/V(Н/м³)

G– вес жидкости

Масса и вес связаны между собой соотношением m=G/g(g– ускорение свободного падения).

Соотношение между удельным весом и плотностью: γ = ρg.

Плотность газовможет быть рассчитана на основе уравнения состояния идеальных газов

pV = (m/M)RT

ρ = m / V = (pM)/(RT)

Удельным объемом газаназывается величина обратная плотности газа и обозначается υ:

υ = V/m= 1/ρ = (RT)/ (pM)

Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, в котором она находится, и на поверхность любого погруженного в нее тела. Рассмотрим некоторую элементарную площадку Fвнутри объема покоящейся жидкости. Независимо от положения площадки в данной точке объема жидкость будет давить не нее с некоторой силой, равнойPи направленной по нормали к площадке, на которую она действует. Ее называют силойгидростатического давления. СоотношениеP/Fпредставляет собойсреднее гидростатическое давление. Предел этого отношения приF→0 носит названиегидростатического давления в точке, или простодавления:

Р = lim_F→0(P/F)

Давление в любой точке жидкости одинаково по всем направлениям.

Единица измерения Н/м², кгс/м²

Приборы для измерения давления показывают не абсолютное давлениевнутри замкнутого объема, а разность между абсолютным и атмосферным давлением.Избыточное давление– если давление превышает атмосферное,разрежение– если оно ниже атмосферного (в системе вакуум).

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга. Свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение ее частиц, называется вязкостью.

Представим себе слой жидкости, находящийся между двумя параллельными горизонтальными пластинами. Для того чтобы перемещать верхнюю пластину относительно нижней в горизонтальной плоскости с постоянной скоростью, нужно прилагать некоторую касательную силу, так как вязкая жидкость оказывает сопротивление такому перемещению. Соответственно в жидкости при наличии указанного перемещения возникнут, и будут существовать касательные напряжения между отдельными ее слоями. Весь слой жидкости, расположенный между пластинами, при этом можно представить состоящим из бесконечно большого числа элементарных слоев толщиной dnкаждый. Очевидно, напряжение сдвига будет возникать между любыми соседними элементарными слоями вследствие трения между ними вдоль поверхности сопротивления слоев. На рисунке представлены два таких параллельных слоя площадьюFкаждый, причем расположенный выше слой движется со скоростью (ω + dω), большей, чем скорость расположенного ниже слоя, на бесконечно малую величину dω.

Касательная сила Т, которую надо прилагать к верхнему слою для его равномерного сдвига относительно нижнего (или противоположно направленная сила трения Т, с которой нижний слой сопротивляется перемещению верхнего), тем больше, чем большеградиент скорости dω/dn, характеризующий изменение скорости, приходящееся на единицу расстояния по нормали между слоями. Кроме того, каждая из сил Т пропорциональна площади соприкосновенияFслоев.

Следовательно

│Т│= μF│dω/dn│

(μ – коэффициент пропорциональности, характерный для данной жидкости)

Отношение величины │Т│ к поверхности соприкосновения слоев обозначают через τ и называютнапряжением внутреннего трения(напряжением сдвига, касательным напряжением). Уравнение принимает вид

τ = μ│dω/dn│

Так как τ всегда положительна, то знак перед правой частью уравнения, не │dω/dn│, а dω/dn, зависит от знака градиента скорости. Условимся во всех случаях проводить нормальnк поверхностиFсоприкосновения перемещающихся относительно друг друга слоев жидкости в направлении уменьшения скорости. Тогда градиент всегда будет отрицательным, и уравнение примет вид

τ = - μ (dω/dn)

Эти два уравнения выражают закон внутреннего трения Ньютона, согласно которомунапряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при ее течении, прямо пропорционально градиенту скорости.

Знак минус в правой части уравнения указывает на то, что касательное напряжение тормозит слой, движущийся с относительно большей скоростью (или разгоняет относительно медленно движущийся слой).

Коэффициент пропорциональности μ называется динамическим коэффициентом вязкости, динамической вязкостью или просто вязкостью. Единица измерения Н∙сек/м².

Иногда вязкость характеризуют кинематическим коэффициентом вязкости, или кинематической вязкостью

ν = μ/ρ = μg/γ

Единицы измерения стокс равный 1 см²/сек, или 100 сантистоксам.

Основное уравнение гидростатики.

Из уравнений

-dp/dx=0

-dp/dy=0 }

-ρg-dp/dz=0

cледует, что давление в покоящейся жидкости изменяется только по вертикали, оставаясь одинаковым во всех точках любоцй горизонтальной плоскости, т.к. изменения давлений вдоль осей х и у равны нулю. В связи с тем, что в этой системе уравнений частные производные dp/dx и dp/dy равны нулю, частная производная dp/dz м/б заменена на dp/dz и, следовательно

-ρg-dp/dz=0

Отсюда

-dp-ρg dz=0

Разделив левую и правую части последнего выражения на ρg и переменив знаки, представим это уравнение в виде

dz+1/ ρg* dp=0

для однородной жидкости плотность постоянна и, следовательно

dz+d(p/ ρg)=0 (1)

или

d(z+p/ ρg)=0 (2)

откуда после интегрирования получим

z+p/ ρg=const/

для двух произвольных горизонтальных плоскостей 1 и 2 уравнение (1) выражают в форме

z₁+p₁/ ρg= z₂+p₂/ ρg

уравнение (1) или (2) является основным уравнением гидростатики.

Смотри:

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том 1, Москва, Химия, 2002, стр. 32-38, 93-95

Основные процессы и аппараты химической технологии, Касаткин А.Г., Москва, Альянс,2005, стр.23-27

Билет № 2