konspect_lectsiy-ln_lm

Вплив температури вихідної суміші

У випадку, коли вихідна суміш не нагріта до температури кипіння, то на тарілці живлення збільшується кількість сконденсованої пари, необхідне для нагрівання суміші до температури кипіння. Концентрація НКК на тарілці внаслідок цього збільшується. Це доцільно враховувати при побудові робочої лінії для нижньої частини колони.

Типові конструкції ректифікаційних апаратів

Ректифікаційні апарати поділяються на 4 групи:

1)апарати тарілчастого типу;

2)насадкові колони;

3)плівкові колони;

4)роторні плівкові апарати;

Розрахунок ректифікаційних колон

Розрахунок числа тарілок ректифікаційних колон

Алгоритм розрахунку ректифікаційних колон аналогічний алгоритму розрахунку масообмінних апаратів, який розглядався раніше.

Основним завданням розрахунку є визначення діаметра та висоти колони. Розрахунок висоти пов'язаний з визначенням числа дійсних тарілок. В реальній колоні не досягається рівновага між фазами і для переходу до дійсного числа тарілок необхідно вводити поправочний коефіцієнт.

Існують три методи визначення величини цих поправочних коефіцієнтів: а) визначення загального ККД тарілок в колоні; б) визначення локальних ККД (метод Мерфі);

в) визначення коефіцієнтів через коефіцієнти масо передачі.

а) загальний ККД тарілок це відношення числа теоретичних до числа дійсних тарілок:

Nò .

Nä

де η – залежить від властивостей суміші, умов проведення процесу та конструкції колони.

Значення ККД змінюються в широких межах від η = 0,2÷0,9 в спиртовій промисловості до η = 0,5÷0,7 в нафтохімічній.

Ефективність тарілок в колоні можливо розраховувати за емпіричними залежностями:

де ynp – рівноважна концентрація НКК в парі.

Теоретична тарілка відповідає трикутнику Aab. Дійсний процес закінчується не на лінії рівноваги (точка b), а точці яка не доходить до кривої рівноваги – точка с. Дійсна тарілка – трикутник acd. Число дійсних тарілок можна знайти графічно визначивши положення точки с через ККД за Мерфі.

ac ab· Ì

де ηМ – залежить від локального ККД тарілки:

ηл – визначається екпериментально, що пов’язано із значними труднощами.

Найбільш зручним є метод запропонований А.Г. Кататкіним та А.Н.Плановським, який ґрунтується на визначенні числа дійсних тарілок через коефіцієнти масопередачі.

Цей метод розглядався раніше і зводиться до побудови кінетичної кривої, яка визначає закінчення реального процесу масопередачі. Розглянемо схему тарілки.

Р

озгл

яне

мо

про

цес

на n-

ній

тарі лці,

у

якій

поч

атк

ова а б кон

цен

тра ція yп = yn+1 і кінцева yк = yn. При барботуванні пари, рівновага не досягається і ур > yк. Концентрація пари змінюється від yп = yn+1 до yк = yn. Це відповідає це відповідає відрізку ac. Початкова рушійна сила процесу yп - ур, тобто yn+1 - ур або відрізку – ab. Кінцева рушійна сила yк - ур або відрізок bc, (рис.

19.33)

Рис. 19.33. – До визначення числа дійсних тарілок за кінетичними кривими

Виконавши перетворення рівняння (19.17) одержимо вираз для числа одиниць переносу для n- ої тарілки:

Положення т. с знаходиться як

ab bc. emy

Ступінь acd відповідає реальній тарілці. Для розрахунку числа тарілок знаходимо число одиниць переносу з виразу:

my m ky f , G

де G – кількість пари, що піднімається в колоні в молекулярних частинках.

G Wпар F c,

с – коефіцієнт перерахунку в колоні.

При розрахунках можливо прийняти f/F ≈ 0,8, де f – робоча поверхня тарілки, F – поверхня контакту фаз.

Коефіцієнт масопередачі ky визначається через коефіцієнти масовіддачі βy і βх із критеріальних залежностей.

де m – тангенс кута нахилу кривої рівноваги.

Загальна висота колони:

H Nä h,

де h – відстань між тарілками.

Зазвичай в колонах при D = 1,5÷2,0м h ≥ 450 мм, при D <2,0м h ≥ 600 мм. Діаметр колони вибирається в залежності від швидкості парової фази.

Після розрахунку розмірів колони розраховують основні розміри тарілок, гідравлічний опір, переливні та дренажні пристрої та інше. орієнтовно визначається винос рідини з тарілки на тарілку е:

eäî ï 0, 2...0,32êã/êã.

Розрахунок насадкових колон

Особливості розрахунку насадкових колон були наведені в главі 17 розділ 17.22.

Тепловий баланс ректифікаційної колони

Тепловий баланс ректифікаційної колони безперервної дії має вигляд:

де Qкип – прихід теплоти з теплоносієм у кип’ятильнику; QF – надходження теплоти з вихідною сумішшю; QФ – прихід теплоти з флегмою; QG – витрати теплоти з парою, що виходить з колони; QW – витрати теплоти з кубовим залишком; Qвт – втрати теплоти в навколишнє середовище.

Зважаючи на те, що GF GD GW , G GD R 1 i GÔ RGD , маємо:

Qêèï GD GW HF GDRHÔ GD R 1 HG GW HW Qâò ,

де HF, HФ, HG і HW – ентальпії відповідних потоків.

Враховуючи, що різниця ентальпій HG –HФ=rФ, де rФ – питома теплота пароутворення флегми, остаточно отримуємо:

Якщо HÔ HF , то рівняння (19.19) спрощується:

Qкип GD R 1 rФ GW HW HF Qвт .

звідки видно, що витрати теплоти на ректифікацію суттєво залежать від флегмового числа R.

Екстрактивна та азеотропна ректифікація

Коли коефіцієнт відносної леткості PA PB компонентів А і В суміші незначний,

крім ректифікації під вакуумом, можна застосовувати методи, які ґрунтуються на введенні в

розділювану суміш додаткового (розділювального) компонента. У цьому додатковому

4.Поясність фізичну сутність першого закону Коновалова і першого закону Вревського.

5.Поясність сутність дистиляції на фазових діаграмах бінарних суміших.

6.Реальні суміші. Поясніть сутність других законів Коновалова та Вревського.

7.Поясніть сутність основних видів перегонки: фракційної, з водяною парою та молекулярної.

8.Поясніть фізичну сутність процесу ректифікації.

9.Що означає флегмове число і як воно впливає на положення робочої лінії?

10.Як визначається мінімальне флегмове число?

11.Чим відрізняються схеми періодичної і безперервної ректифікації?

12.В чому полягає екстрактивна і азеотропна ректифікації?

13.Наведіть приклад низькотемпературної ректифікації для одержання кисню та азоту з повітря.

14.Наведіть способи інтенсифікації процесів ректифікації.

Тема 2.4 Масообмін при екстракції

Рідинна екстракція (від лат. extraho – витягаю, вилучаю) – це процес переходу однієї чи кількох розчинених речовин з однієї рідкої фази в іншу, таку, яка практично не розчиняється або обмежено розчиняється в першій фазі, але легко розчиняє зазначені речовини. Процес відбувається при безпосередньому контакті двох рідких фаз, одну з яких, щоб збільшити контакт фаз, а отже і інтенсифікувати масообмін, диспергують у іншій.

Рідинну екстракцію широко застосовують у хімічній, нафтохімічній, фармацевтичній та інших галузях промисловості, щоб видобути цінні або шкідливі речовини, одержати концентровані розчини цих речовин, а також очистити промислові й побутові стічні води. Разом з дистиляцією вона є одним з основних методів розділення однорідних рідких сумішей. Оскільки при екстракції немає потреби випаровувати всю суміш, то рідинна екстракція є набагато доцільнішим процесом порівняно з дистиляцією, особливо при малих концентраціях розподілюваної речовини. Крім того, екстракцію застосовують і разом з ректифікацією, яку використовують для регенерації екстрагувальної рідини (екстрагенту). При цьому густини екстрагенту й розділюваної рідини мають бути різними для їх подальшого розділення відстоюванням*. Зазвичай рідинній екстракції піддають органічні речовини, при цьому витрати енергії досить малі; екстракція же неорганічних сполук можлива тільки внаслідок хімічної взаємодії компонентів, що потребує значних витрат енергії.

Розчин здобутих речовин в екстрагенті називають екстрактом, а розчин, з якого вилучено екстраговані компоненти, – рафінатом.

На рис. 20.1 наведено основні схеми проведення екстракційних процесів. За схемою без регенерації екстрагенту (рис. 20.1,а) вихідну суміш Фх, яка складається з розчинника L і розподілюваної речовини М, та екстрагент G подають в екстракційний апарат – екстрактор, у якому речовина М переходить з вихідної суміші Фх в екстракт Фy, який складається з екстрагенту G і вилученої з фази Фх речовини М. У результаті процесу в екстракторі утворюється й рафінат, який являє собою розчинник вихідної суміші L. Зрозуміло, що наведений опис процесу умовний, оскільки загалом екстракт і рафінат є зазвичай трикомпонентними системами, які складаються з розчинника L, екстрагенту G і розподілюваної речовини М.

Схему з регенерацією екстрагенту застосовують значно частіше (рис. 20.1,б). Згідно з цією схемою з екстракту й рафінату регенерують екстрагент, який після очищення знову надходить на екстракцію.

Іноді в процесах екстракції органічних речовин після екстракції відбувається протилежний процес, який називають реекстракцією (рис. 20.1,в). При цьому органічний екстракт обробляють розчинами реактивів (реекстрагентом G1), які забезпечують досить

* Як екстрагенти часто використовують воду, етанол, бензин, бензол, чотирихлористий вуглець, ацетон, розчини кислот, лугів і солей.

повний перехід розподілюваної речовини М у водний розчин або осад і його концентрування. Одержаний при цьому продукт, який містить розподілювану речовину,

називають реекстрактом.

Як бачимо, процес екстракції завжди пов’язаний з додаванням до вихідної суміші екстрагенту, що забруднює продукти розділення, й, отже, потребує наступного очищення. Цей недолік екстракційних процесів суттєво обмежує сферу їх застосування.

в

Рис. 20.1. Схема проведення процесів рідинної екстракції: а – без регенерації екстрагенту; б – з регенерацією екстрагенту; в – з поєднанням екстракції та реекстракції

Рівновага в системах рідина – рідина

Під час проведення рідинної екстракції температура зазвичай не змінюється, а тиск у системі рідина – рідина на процес майже не впливає, тому згідно з правилом фаз (С=К–Ф+N) для екстракції величина N дорівнює нулю. Тоді для трикомпонентної системи рідина –

розподілювана речовина – рідина С=К–Ф+N =3–2+0=1 і концентрацію однієї з фаз системи можна змінювати, не порушуючи рівноваги. При цьому певній концентрації х розподілюваної речовини в одній фазі у стані рівноваги відповідає певна концентрація у* цієї речовини у другій фазі: у*= f(x). Цей зв’язок підлягає так званому закону розподілу: відношення рівноважних концентрацій розподілюваної між двома рідкими фазами речовини при постійній температурі є величиною сталою:

де у* і х – рівноважні концентрації розподілюваної речовини в екстракті й рафінаті відповідно; m* – коефіцієнт розподілу.

Отже, в координатах у–х при постійних температурі й тиску лінія рівноваги є прямою, що виходить з початку координат. Слід зауважити, що значення m* є сталим тільки для практично взаємно нерозчинних рідких фаз і завичай це значення залежить від концентрації розподілюваної речовини навіть при постійній температурі.

Лінії рівноваги на діаграмі у–х при постійній температурі називають ізотермами екстракції. Якщо відомо ізотерми для різних температур, то стає можливим вибір оптимальної температури екстракції (рис. 20.2).

У силу того, що найчастіше фази під час рідинної екстракції частково розчинні одна в одній, екстракт крім розподілюваної речовини містить ще деяку кількість розчинника вихідної суміші, а рафінат, крім зазначеного розчинника й деякої кількості розподілюваної речовини, – певну кількість екстрагенту. Обидві фази складаються з трьох компонентів. При цьому склад цих фаз зручно подавати на трикутній діаграмі (рис. 20.3).

Вершини G, L і M позначають чисті компоненти (екстрагент, розчинник вихідної суміші й розподілювана речовина відповідно). Сторони LM, MG i GL відповідають складу двокомпонентних розчинів, а точки всередині трикутника – складу трикомпонентних розчинів, причому концентрації компонентів визначають довжиною відрізків, проведених паралельно кожній із сторін трикутника до перетину з іншими сторонами (наприклад, точка N характеризує суміш, яка містить 20 % (молярних або масових) компонента L, 50 % компонента G і 30 % компонента М).