konspect_lectsiy-ln_lm

б

а

Охолодна вода

Конденсат

Рис. 21.6. Схема рекупераційної адсорбційної установки: 1, 2 – адсорбери з нерухомим шаром адсорбенту; 3

– конденсатор водяної пари й десорбованої речовини; 4 – калорифер; 5 – відвідник конденсату

Вихідну газову суміш подають в адсорбер 1. Після насичення в ньому шару адсорбенту адсорбер 1 переключають на стадію десорбції, а вихідну газову суміш починають обробляти в адсорбері 2. Регенерацію адсорбенту проводять гострою водяною парою, яка надходить у нижню частину адсорбера. Гостра пара виносить пари виділеного десорбату в конденсатор 3, після якого суміш утвореного конденсату десорбату з

водою подають на розділення. Адсорбент після регенерації сушать гарячим повітрям, яке подають до адсорбера через калорифер 4. Після цього адсорбент охолоджують атмосферним повітрям.

Слід зазначити, що в наведеній схемі можливі два варіанти: 1) цільовий продукт адсорбується з розділюваної суміші майже повністю, і тоді він міститься в десорбаті, звідки його потім вилучають тим чи іншим способом; 2) цільовий продукт адсорбується гірше, ніж інші компоненти розділюваної суміші, і тоді він міститься у відхідному з адсорбера потоці.

Приблизно час адсорбції можна визначити, виходячи з вихідної й кінцевої концентрацій адсорбату X п і X к (кг/кг). Якщо маса адсорбенту в нерухомому шарі L (кг), то кількість увібраної речовини за один цикл становить (кг):

M L Xк Xп .

З другого боку:

M wS г Yп Yк ,

де w – приведена швидкість газової суміші в апараті; г – густина газу; S – площа поперечного перерізу

адсорбера; Yп i Yк – початкова й кінцева концентрації адсорбтиву, кг / кг.

Тоді час адсорбції можна знайти за рівнянням:

У разі адсорбції газів допустима приведена швидкість газу w (швидкість газу у вільному перерізі адсорбера) можна обчислити за формулою:

w 0,0167 gdТ Т нас г ,

де dТ – еквівалентний діаметр частинки адсорбенту; Т нас – насипна густина адсорбенту.

Точніше час адсорбції визначають таким чином.

Розглянемо рух газової суміші крізь нерухомий шар адсорбенту (рис. 21.7). Через деякий час 1 після початку адсорбції на висоті Н1 у газі вбираної речовини немає (Y 0 ), тобто можна вважати, що на висоті Н1 вбирана речовина повністю адсорбована.

Через час 2 від початку адсорбції концентрація вбираної речовини на початку шару адсорбенту збільшується до X2 , причому на висоті шару Н2 концентрація вбираної речовини

в газі Y 0 i в адсорбенті X 0 . Після певного часу o профіль концентрацій вбираної речовини в адсорбенті (фронт адсорбції або адсорбційна хвиля) стабілізується й надалі починає переміщатися аж до моменту проскакування пр вбираної речовини крізь шар адсорбенту. Отже, наприклад, для часу i шар адсорбенту заввишки Hi є повністю

відпрацьованим (насиченим вбираною речовиною), шар заввишки H i – таким, що працює, а заввишки H i – свіжим (тобто таким, який ще не бере участі у вбиранні адсорбтиву).

Отже, за швидкістю руху фронту адсорбції процес адсорбції можна поділити на два періоди: період швидкості, що зменшується (0 < o), і період сталої швидкості

( o < пр).

які входять у рівняння Шилова (21.1), визначають дослідним шляхом.

Якщо задано час адсорбції, то необхідну висоту шару адсорбенту визначають за залежністю:

HHо о k ,

аплоща перерізу контактної частини адсорбера в цьому разі становитиме S G w г .

Розрахування адсорберів із щільним рухомим шаром адсорбенту. Приведену швидкість газу беруть трохи меншою від швидкості початку псевдозрідження. Витрату адсорбенту й висоту контактної частини адсорбера знаходять з рівняння матеріального балансу та основного рівняння масопередачі. Висоту зон допоміжних операцій визначають залежно від їхньої тривалості й швидкості руху шару адсорбенту.

Приведену швидкість газу обчислюють за умови значення порозності шару=0,50…0,65. Мінімальну масову витрату адсорбенту отримують з рівняння матеріального балансу:

Xп G Yп Yк ; Lmin G Yп Yк XY*п Xп ,

де X * – відносна масова частка вбираної речовини в адсорбенті, рівноважна з газом складу Yп .

Y•

Дійсна витрата адсорбенту становить: L = (1,1–1,3) Lmin .

Висоту шару адсорбенту в односекційному апараті визначають з основного рівняння масопередачі, вважаючи, що рух адсорбенту відповідає моделі ідеального змішування, а рух об’ємної фази – моделі ідеального витиснення.

Десорбція

Методи регенерації адсорбенту поділяють на низькотемпературну термічну, високотемпературну термічну, хімічну, витискувальну десорбцію й десорбцію зниженим тиском.

Низькотемпературну термічну регенерацію адсорбентів виконують, обробляючи їх перегрітою або насиченою гострою водяною парою або газами при температурі 100…400 ºС. Якщо низькотемпературна регенерація не повністю відновлює вбирну здатність адсорбенту,

виконують високотемпературну термічну регенерацію, яку проводять різними газами,

наприклад СО2 , при температурі вище 400 ºС. У цьому разі адсорбат розкладається, а продукти його деструкції видаляють. Потік, що утворюється в результаті десорбції,

називають десорбатом.

Хімічну регенерацію проводять, обробляючи адсорбент рідкими або газоподібними реагентами при температурі до 100 ºС.

При витискувальній десорбції адсорбент обробляють розчинником, який витискає увібрану речовину.

Якщо ізотерма адсорбції не крута, то регенерувати адсорбент можна, не підводячи теплоту, а знижуючи тиск в апараті.

У промисловості найчастіше шар адсорбенту нагрівають до заданої температури, а потім продувають газом або парою п при майже сталій температурі.

Тема 2.3 Масообмін при дистиляції та ректифікації.

Дистиляція і ректифікація є окремим випадком більш загальних процесів розділення рідких сумішей, які складаються з декількох летких компонентів.

Дистиляція – це процес однократного часткового випаровування рідкої суміші з наступною конденсацією утвореної пари.

Одержаний конденсат леткого компонента називається дистилятом.

Дистилят має високий вміст леткого або низькокиплячого компонента. Рідина, що залишилася, містить більше висококиплячого компонента.

Дистиляція або проста перегонка застосовується для грубого розділення рідких сумішей, тому що пара містить окрім низькокиплячого компонента ще й певну кількість висококиплячого компонента.

Ректифікація – процес розділення однорідної рідкої суміші на складові речовини шляхом протитечійного двостороннього тепломасообміну між нерівноважними потоками парової і рідинної фаз.

Ректифікація зводиться до багатократного часткового випаровування рідкої суміші з наступною конденсацією утвореної пари.

В результаті цього процесу відбувається розділення рідкої суміші на чистий дистилят (ректифікат) і кубовий залишок, який містить висококиплячий компонент.

Дефлегмація – процес часткової конденсації парів низькокиплячого компонента, при якому парова фаза, що залишилася, збагачується низькокиплячим компонентом.

Утворена рідина називається флегмою. Цей процес зворотній перегонці. Флегму зазвичай повертають в колону для зрошення з метою взаємодії з парою, що піднімається вверх колоною.

Процес перегонки може проводитися як періодично, так і безперервно.

Процеси ректифікації широко застосовують в хімічній, нафтопереробній та харчовій промисловостях: розділення вуглеводнів нафти для одержання моторних олив, а також бензола, толуола, виробництво жирних кислот та етилену, спирту. Ректифікація проводиться як під вакуумом для рідин з високими температурами кипіння, термічно нестійких продуктів, і під тиском (для газів, які скраплюються при підвищенні тиску). Перший випадок має місце при виробництві капролактаму, бутилових спиртів, тощо, а другий –у виробництві азоту та кисню методом ректифікації рідкого повітря.

Рівновага в бінарних системах пара-рідина Класифікація бінарних систем

Бінарні системи поділяються на 3 групи в залежності від взаємної розчинності рідин, з яких вони складаються:

рідини взаємно розчинні в будь-яких співвідношеннях;

рідини взаємно нерозчинні;

рідини з частковою розчинністю.

Фазова рівновага ідеальних сумішей

Для ректифікації правило фаз записується:

К+2=Ф+N або N=К+2–Ф=2+2–2=2,

де К – число компонентів фаз, К=2 Ф –число фаз, Ф=2.

Тобто для бінарної суміші число ступенів свободи N = 2.

При t=const рівноважну залежність можна представити в координатах Р-x, а при Р =const – в координатах t-x, або y-x, де x – концентрація низькокиплячого компонента в рідкій фазі, y - концентрація низькокиплячого компонента в паровій фазі.

Основні закони перегонки перший закон Коновалова і перший закон Вревського

Ідеальні суміші підпорядковуються закону Рауля:

ðA PA xA ; ðB PB (1 xA ) ,

де РА, РВ – парціальний тиск компонентів А і В в парі;

PA , PÂ – пружність насиченої пари, відповідно низькокиплячого компонента А (Н.К.) і висококиплячого компонента В (В.К.)

xA ³ (1 xA ) x – мольні частки компонентів Н.К. і В.К. в рідкій фазі. yA ³ (1 yA ) y – мольні частки компонентів в парі.

Згідно закону Дальтона загальний тиск в системі дорівнює сумі парціальних тисків

P ðA ðB PA xA PB (1 xA ) .

Концентрація Н.К. визначається за виразом

Нехай горизонтальна пряма MN відповідає певному значенню зовнішнього тиску Рзов. Опускаємо перпендикуляр з точки D – перетину лінії MN з ізотермою t =const. Відрізок DE характеризує загальний тиск пари суміші з концентрацією xА при даній температурі t. Тобто при цій температурі загальний тиск пари дорівнює зовнішньому тиску. Значить, суміш складу xА кипить при температурі t. Рівноважний склад пари знаходиться за формулою (19.1). Відрізок FE характеризує парціальний тиск Н.К. компонента складу xА.

Діаграма рівноваги y-x

Діаграма встановлює залежність складу парової фази від складу рідкої фази і будується за експериментальними даними.

Для ідеальних систем рівноважний склад пари в мольних і масових відсотках може бути розрахований на підставі закону Рауля.

На кривій рівноваги, яка проходить вище діагоналі, у відповідності з І-м законом Коновалова, визначається рівноважний склад пари Н.К. компоненту. На рис. 19.2 представлена типова крива для системи бензол-толуол.

Діагональ діаграми відповідає рівному вмісту цільового компонента в парі та рідині yA(1)-xA(1). Рідина та пара, які містять 100% чистого Н.К. – компонента, розташовані в протилежних кутах квадрату діаграми.

Область, розташована вище кривої рівноваги – область чистої пари. Крива будується при P =

const.

Діаграма t-x-y

Ця діаграма дає залежність температури кипіння і конденсації в залежності від складу рідини та пари.

(Для точки F: xA=0; ІР=ІР.В; для точки L: xA=1,0; ІР=ІР.А, аналогічно будують проміжні точки

xA=0,1; ІР=ІР.А 0,1+ ІР.В 0,9).

Подальша побудова діаграми проводиться за допомогою допоміжної t – x,y діаграми. Для рідини складу x1 (точка С), нагрітої до температури кипіння t1, проводимо ізотерму с1d1 і переносимо її на діаграму І – x,y. Для цього встановлюємо в точці С перпендикуляр до перетину його з ізотермою t1 = const для рідкої фази в точці е1, е2 отримуємо межову криву тепловмісту киплячої рідини F, e1 ... L (крива кипіння), встановлюємо перпендикуляр в точці d

(відповідає рівноважній концентрації низькокиплячого компонента в парі - y1P ) до перетину з

ізотермою t1 = const для пари в точці m1, одержимо одну з точок, яка лежить на межовій кривій К, m1,

..., N тепловміст пари (крива конденсації).

KF = rB

NL = rA

Рис 19.4. Діаграми І – x,y, t –x,y

Пряма e1m1 є ізотермою на діаграмі І – x,y (рис 19.4). Перпендикуляри, опущені з точок e1 і m1 на вісь абсцис, визначають рівноважні концентрації парової і рідкої фази. Лінія e1 m1 називається конодою. Точка Р на коноді характеризує суміш пари і рідини і розподіляє коноду за правилом важеля на відрізки, обернено пропорційні кількості пари і рідини в точках m1 і e1.

GP Pm1 GÏ e1P

Вточках xА=0 і xА=1 різниця ординат дорівнює теплоті пароутворення чистих компонентів NL

=2B. При x1=const різниця ординат е1, е2 –теплота випаровування суміші.

Реальні суміші

Реальні суміші рідин не підпорядковуються закону Рауля і при певному складі мають постійну температуру кипіння (максимальну чи мінімальну).

Такі суміші називаються азеотропними на підставі другого закону Коновалова.

В екстремумах точок кипіння сумішей склад парової та рідкої фаз є однаковим.

Тобто крива рівноваги на діагоналі y-x перетинає діагональ діаграми. Точку перетину називають азеотропною. Для реальних рідин криві рівноваги будуються тільки за дослідними даними.

Азеотропна точка показує склад суміші, яку неможливо розділити на складові компоненти при даному тиску. При кипінні азеотропної суміші її концентрація не змінюється.

Фазові діаграми (Р – x,y; t – x,y; y-x) для азеотропних сумішей, у яких температура кипіння нижче температури кипіння чистих компонентів (мінімальна) і вище (максимальна) мають такий вигляд.

Наприклад, суміш етиловий спирт – вода при тиску 0,1 МПа розділяється тільки до азеотропної точки, в якій згідно 2-го закону Коновалова склад рідкої та парової фаз – однаковий і містить 95,57% (мас) етанолу.

Повне розділення азеотропних сумішей можливо здійснити за рахунок спеціальних методів перегонки, або за рахунок зміни величини робочого тиску. На це вказує другий закон Вревського:

При підвищенні температури кипіння суміші рідин, сукупність пари яких має максимум або мінімум в азеотропній суміші, в парі збільшується вміст того компонента, на випаровування якого витрачається більше енергії.

Таким чином, зі зменшенням тиску збільшується вміст одного з компонентів в суміші і азеотропна точка переміщається вздовж діагоналі (діаграма y – x) до повного її зникнення. Таким способом можливо отримати безводний спирт.

Фазові діаграми рівноваги рідина – насичена пара наведені на рис. 19.5.