1.Классификация основных процессов и аппаратов
Классификация процессов по способу создания движущей силы:
- массообменные
- гидромеханические
- механические
- тепловые
- химические
1) Массообменные - переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.
В зависимости от перехода из фазы в фазу процесс называется:
тв → ж (плавление) г → ж (конденсация, абсорбция)
ж → тв (кристаллизация) тв → г (возгонка)
ж → ж (экстракция) г → тв (адсорбция)
ж → г (испарение, десорбция) ж ↔ п (ректификация)
Движущей силой в массообменных процессах является разность концентраций, а скорость процесса определяется законами массопередачи.
2) Гидромеханические – связаны с переработкой суспензий (неоднородная система, состоящая из
жидкостей или газов и взвешенных в ней частиц ж/тв. тела.
- перемещение жидкости или газа;
- перемешивание в жидкой среде;
- разделение жидких неоднородных систем (осаждение, фильтрование, центрифугирование);
- очистка газов от пыли;
Движущей силой таких процессов является разность давлений, обусловленная разность плотностей обрабатываемых материалов, а скорость определяем по законам гидромеханики неоднородных систем.
3) Механические – связаны с обработкой и перемещением твердого тела. Включают в себя: измельчение, дозирование, смешение, отсеивание, транспортирование. Движущая сила – разность сил, давлений, или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердого тела.
4) Тепловые процессы связаны с переходом тепла от одного тела к другому. Нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, плавление, затвердение, выпаривание, кристаллизация. Скорость определяется законами теплопередачи. Движущая сила – разность температур.
5) Химические – связаны с химическими превращениями участвующих в процессе веществ и получение новых соединений. Включают в себя каталитический крекинг, гидроочистка, риформинг, пиролиз, коксование, полимеризация, алкилирование. Движущая сила – разность концентраций реагирующих веществ. Скорость процесса определяется законами химической кинетики. По способу осуществления различных процессов во времени: Периодические. Характеризуются единством места проведения различных стадий процесса и в связи с этим неустановившимся состоянием во времени. Непрерывные. Характеризуются единством времени проведения всех стадий процесса, каждая из которых осуществляется в специальном аппарате, характеризуются установившемся во времени режимом. При этом обеспечивается непрерывный подвод исходных материалов и вывод продуктов.
Аппараты имеют такую же классификацию, что и процессы:
1) Массообменные - абсорберы, адсорберы, десорберы, ректификационные колонны, экстракторы, сушилки, кристаллизаторы.
2) Гидромеханические – фильтры, циклоны, электродегидраторы, отстойники, центрифуги, мешалки
3) Механические – дробилки, сито, смесители, дозаторы.
4) Тепловые – теплообменники, холодильники, испарители, конденсаторы, плавильные печи.
5) Химические – реакторы разного вида (с неподвижным слоем катализатора, с псевдоожиженным слоем, с фонтанирующим слоем).
2.Основные признаки массообменных процессов
Основными признаками массообменных процессов являются:
- применяются для разделения смесей
- участвуют минимум 2 фазы
- вещество переходит из одной фазы в другую за счет диффузии
- движущая сила – разность концентраций
- все процессы обратимы, направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонента в фазах и внешними условиями (P, t).
- переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.
3.Основное уравнение массопередачи
- скорость массообменного процесса равна, где - масса вещества, переданная через 1-цу поверхности в 1-цу времени
- движущая сила, - сопротивление массопереноса, - коэф массопередачи, характеризует массу вещества, переданную из фазы в фазу через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе, равной единице. Чем больше К, тем меньших размеров нужен аппарат для передачи заданного количества вещества.
то же самое для жидкой фазы.
-основное уравнение массопередачи, используется для нахождения поверхности контакта фаз, рабочего объема аппарата, числа теор.тарелок
4.Материальный баланс массообменного процесса
Проведение любого процесса в химической технологии связано с использованием различных материалов и видов энергии, передаваемых в форме теплоты. Материальный баланс основан на законе сохранения массы. Цель составления состоит в выявлении всех участвующих в процессе потоков вещества и энергии с учетом потерь. Мат.баланс позволяет рассчитать внешние потоки вещества и энергии (потоки, входящие в данную систему и покидающие ее).
-общий вид материального баланса.
- количество пара.
- количество воды.
- начальная концентрация воды и пара.
- конечная концентрация воды и пара.
>
>
- диф.уравнение мат.баланса
- интеграл.урав мат.б
5.Рабочая линия
(1) – мат.баланс для всего аппарата, М –кол-во переданной массы.
из урав (1) →
(3) – мат.баланс для сечения ниже a-a
из урав (3) →
уравнение рабочей линии
В координатах x-y уравнение раб. линии – уравнение прямой, где
.
Уравнение рабочей линии дает зависимость между рабочими (неравновесными) составами фаз в произвольном сечении аппарата. Оно позволяет выявить изменение концентраций по высоте аппарата.
у= Ах+В
А= L/G
B= yн – (L/G)*xк
6.Графическое представление массообменного процесса
В зависимости от того, в каком направлении переносится компонент, расположение рабочей линии и линии равновесия может быть разное.
На верхнем рисунке перенос компонента происходит из фазы G в фазу L, при этом движущая сила равна в фазе G: и в фазе L:. (пар à ж – абсорбция)
На нижнем рисунке перенос компонента происходит из фазы L в фазу G, при этом движущая сила равна в фазе G: и в фазе L:. (ж à пар – десорбция)
Пересечение или касание рабочей и равновесной линий означает, что процесс не может идти в заданных пределах.
7.Движущая сила массообменных процессов
Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций (градиент концентраций) фактической в данной фазе G и равновесной с фактической в другой фазе L. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше, чем это следует из условия равновесия.
- основное уравнение массопередачи → средняя движущая сила процесса определяет количество переданной массы вещества.
Движущая сила может быть выражена в любых единицах концентраций, но всегда где y – рабочая концентрация компонента в одной фазе, - концентрация компонента для данной фазы, равновесная с рабочей концентрацией в другой фазе.
Движущая сила пропорциональна скорости массообменного процесса. Она может быть средней интегральной и средней логарифмической.
Движущая сила зависит от положения рабочей и равновесной линий, чем ближе линии друг к другу, тем она меньше.
8.Средняя интегральная разность концентраций
Средняя движущая сила определяет количество переданной массы вещества. Т.к рабочие и равновесные концентрации изменяются вдоль поверхности контакта фаз, то нужно рассчитывать среднюю движущую силу процесса.
Допустим что рабочая и равновесная линия – кривые или раб.линия–прямая, а равн.линия –кривая.
(1) – основное уравнение массопередачи
из (1) получаем
(2) ; где F- поверхность фазового контакта
(3) - диф.уравнение мат.баланса фазы G
(4) – уравнение массоопередачи
из (3) и (4)
(5)
(6)
подставив (6) в (5)
(7)
проинтегрировав выражение (7)
(8)
подставив выражение (2)
- средняя интегральная разность концентраций для газовой фазы
Аналогично выводится выражение для жидкой фазы:
9.Средняя логарифмическая разность концентраций
частный случай: линия равновесия – прямая
10,11.Число единиц переноса
Показывает, сколько единиц вещества переходит в другую фазу при движущей силе, равной единице.
и - СИРК для газовой и жидкой фаз. →
- ЧЕП для паровой и жидкой фазы; где - изменение концентрации в
фазе G,L в результате массообмена фаз на поверхности , -
движущая сила на этой поверхности.
ЧЕП – это изменение концентраций в пределах контактной зоны, приходящееся на единицу движущей силы. ЧЕП показывает, сколько единиц вещества переходит в другую фазу при величине движущей силы, равной единице. Рассчитывается по площади на графике 1/(y-yp) от y.
12.ТТ, ВЭТТ
1) ТT – контактное устройство, обеспечивающее получение равновесных потоков фаз, покидающих контактную зону. Одна ТТ – одно изменение концентраций по жидкой фазе и одно изменение по паровой фазе.
ТТ используют при расчетах массообменных аппаратов, когда нужно учитывать время контакта фаз, необходимое для достижения равновесия. Преимуществом метода ТТ является то, что нужно иметь только уравнение равновесия и уравнение рабочей линий. Вместо понятия ТТ используют ЧТТ. ЧТТ зависит от взаимного расположения рабочей и равновесной линииот величины движущей силы процесса. При сближении рабочей и равновесной линии ∆ ↓ → ЧТТ ↑ и наоборот. ЧТТ используется для определения высоты контактной зоны аппарата Н, для этого используют ВЭТТ.
2) (1) – мат.баланс фазы G в интегральной форме
(2) – уравнение массопередачи
объединяя урав (1) и (2), интегрируем →
(3) - поверхность фазового контакта
(4) – поверхность массообмена для насадочных аппаратов, где
- раб.V аппарата*поверхность контакта фаз в 1 его V.
(5) – высота аппарата, где H, S –высота и сечение ап/та, G –расход ф.G [кг/с],-массовая скорость ф.G []
из урав (5) →
- высота, эквивалентная одной единице переноса.
13.Способы выражения составов фаз
(1) - массовые доли компонентов в жидкой () и паровой фазе (); где g и G-
(1) массы жидкой и паровой фаз, и -компонент жид/пар.фазы.
(2) - мольные доли компонентов в жидкой () и паровой фазе (); где
(2) -число молей компонента и N-общее число молей смеси.
, , ,
(3) - объемная доля компонента; где -объем компонента и V-общий объем.
,
Пересчет массовых и мольных долей:
и - переход из мольных в массовые доли.
и - переход из массовых в мольные доли.
и - средняя мольная/массовая масса смеси.
- пересчет массовой доли в объемную.
- средняя плотность смеси.
- объемная концентрация.
14.Правило фаз Гиббса
Состояние равновесия характеризуется правилом фаз Гиббса, которое определяет связь между числом степеней свободы, числом ее компонентов и числом фаз.
Число независимых параметров, которые могут быть выбраны произвольно, чтобы привести систему в состояние равновесия – число степеней свободы.
где L – число степеней свободы n – число компонентов N – число фаз
В качестве степеней свободы могут выступать t,P,c
Для 2-х компонентной системы взаимно растворимых жидкостей L=2, а для нерастворимых L=1
Вывод уравнения:
1) Пусть система содержит N фаз и n компонентов в каждой фазе.
2) Состояние фаз фиксировано при Р и Т.
3) Состав каждой фазы можно рассчитать, задавая n-1 концентраций компонентов, а концентрация одного из компонентов является зависимой величиной и может быть рассчитана из условия, что сумма мольных долей всех компонентов в смеси равна 1.
4) - общее число переменных, определяющих состояние системы.
5) - общее число уравнений для расчета состояния системы, где (N-1) – число уравнений,
достаточных для расчета концентрации компонентов, n – число переменных.
6) Число уравнений не может превышать числа переменных, иначе уравнения будут несовместимыми. Разность между числом независимых переменных и числом уравнений равна числу произвольно изменяемых параметров в данной системе, меняя которые можно не менять число фаз в ней (степень свободы):
15.Насыщенные и ненасыщенные пары
Насыщенный пар – пар, находящийся в равновесии с жидкостью. Ненасыщенный (перегретый) пар – пар, который при данных Т и Р образует паровую систему без жидкой фазы. Ненасыщенные пары могут существовать при данном давлении, если их температура будет больше температуры насыщенных паров или при данной температуре, если их давление меньше давления насыщенных паров.
Р
АК- зависимость насыщенных паров от Т.
Каждая точка на кривой АК связывает давление
насыщенных паров с температурой кипения ж-ти.
К Состояние, при котором исчезает различие между
жидкой и газовой фазами – критическое состояние.
жидкая фаза - максимальная Т, при которой жидкая и пар.ф
Р существуют в равновесии.
С - Р, при котором вещество может быть в жид.с
А ненас при .
пар
Т Т
16.Классификация бинарных смесей жидкостей.
Бинарные смеси делятся на три группы в зависимости от степени их взаимной растворимости:
- нерастворимые
- частично растворимые
- взаимно растворимые: - образующие идеальные растворы
- частично отклоняющиеся от закона Рауля
- неидеальные растворы, значительно отклоняющиеся от закона Рауля
17.Основные законы фазового равновесия
Рассмотрим 3 основных закона фазового равновесия: закон Рауля, закон Дальтона и закон Генри.
1) Закон Рауля:
“Парциальное давление компонента идеального жидкого раствора равно произведению давления насыщенных паров компонента при данной температуре на мольную долю компонента в жидкой фазе”.
2) Закон Дальтона:
“Парциальное давление компонента газовой смеси равно произведению давления в системе π на мольную долю компонента в газовой смеси”.
Закон Дальтона является следствием уравнения Менделеева-Клапейрона:
3) Закон Генри:
“Парциальное давление компонента прямо пропорцииально его мольной концентрации”. Закон справедлив для разбавленных растворов.
- константа фазового равновесия данного компонента смеси.
- для идеальных растворов. компонента).
18,19.Равновесие идеальных бинарных смесей, изотерма паровой и жидкой фазы
Рассмотрим случай, когда бинарная смесь образует идеальный раствор, подчиняющийся законам Рауля и Дальтона. Состояние такой системы характеризуется π, t, , . L=2 (произвольно определяем 2 параметра).
По закону Рауля парциальные давления определяются:
для НКК -
для ВКК -
Общее давление насыщенных паров смеси равно сумме парциальных давлений компонентов:
- уравнение изотермы жидкой фазы, выражает зависимость между составом жидкой и паровой фазы и давлением насыщенных паров этой жидкости
Так как жидкость находиться в равновесии с соответствующим нас.паром (t кип) → →
состав жидкой фазы -
По закону Дальтона парциальное давление в паровой фазе определяется:
для НКК -
для ВКК -
При равновесии парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах равны:
= (1)
= (1a)
из урав (1) и (1а) определяем состав паровой фазы, находящейся в равновесии с жидкостью состава:
(2)
из урав (2) →
- уравнение изотермы паровой фазы.
При использовании закона Генри:
уравнение изотермы жидкой фазы - используется для определения температуры кипения смеси при давлении π.
уравнение изотермы паровой фазы - используется для определения температуры начала конденсации паровой фазы при π.
20.Графический расчет равновесных составов паров и жидкости
Состав жидкой и паровой фаз можно определить по известным кривым зависимости давления насыщенных паров от температуры.
В точках M и N пересекаются линии заданного внешнего давления π и кривые давления насыщенных паров. В этих точках определяются температуры кипения чистого НКК () и ВКК ().
При выбранной t, давление нас.паров НКК – т.L, давление нас.паров ВКК – т.K.
Отложив эти значения на правом графике в т.А и в т.В, проводим через них изотерму ВА.
т.D – определяет состав кипящей жидкости при заданной температуре и давлении π
ОА – закон Рауля, выражает зависимость между составом жидкой фазы и парциальным давлением НКК.
т.Е – парциальное давление НКК при найденном значении .
ОН – закон Дальтона, выражает зависимость между составом жидкой фазы и парциальным давлением НКК.
Условие равновесия = → т.F – концентрация НКК в паровой фазе.
21.Кривая равновесия фаз
По закону Рауля парциальные давления в жидкой фазе определяются:
для НКК -
для ВКК -
По закону Дальтона парциальное давление в паровой фазе определяется:
для НКК -
для ВКК -
При равновесии парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах равны:
= (1)
= (2)
разделим урав (1) на (2) →
(3)
- уравнение кривой равновесия фаз.
Уравнение устанавливает зависимость между равновесными концентрациями в жидкой и паровой фазах.
Каждой точке на КРФ соответствует определенная температура в пределах температур кипения НКК () (1,1) и ВКК () (0,0).
- коэффициент относительной летучести. Характеризует способность компонента переходить в паровую фазу. Чем он больше, тем легче компонент переходит. КОЛ зависит от температуры и давления, зависимость обратнопропорциональная. >1.
22.Изобарно-температурные кривые
Полученные при разных t равновесные составы жидкой и паровой фаз при давлении π можно представить в системе координат t - , .
Изобарно-температурные кривые позволяют установить связь между Т кипения системы и составом жидкой и паровой фаз.
T
B 2 точка А - ==1 – температура кипения НКК ().
перегретый точка B - ==0 – температура кипения ВКК () .
пар 1 - линия кипения.
пар + 2 – линия конденсации.
S S’ SS’- конода, линия соединяющая точки равновесных
жидкость составов жидкой и паровой фаз.
1 A
жидкая фаза
,
23.Энтальпийная диаграмма
Энтальпийная диаграмма связывает составы жидкой и паро
вой фаз с их энтальпиями. Их используют при расчетах рек
перегретый пар тификации, когда нужно знать тепловые потоки.
- для жидкой фазы
S’ - для паровой фазы, где
h, H- энтальпии компонентов в жид и пар.ф
S SS’- конода
-- энтальпия паровой фазы
жидкость -- энтальпия жидкой фазы
x,y
энтальпия НКК в жидкой фазе. - энтальпия ВКК в паровой фазе.
- энтальпия ВКК в жидкой фазе. - энтальпия НКК в паровой фазе.
24.Равновесие бинарных смесей, частично отклоняющихся от закона Рауля; коэффициент активности
Закон Рауля: ”парциальное давление компонента идеального раствора равно произведению давления насыщенных паров при данной температуре на мольную долю компонента в жидкой фазе”
для НКК -
для ВКК -
Положительное отклонение будет тогда, когда парциальные давления и общее давление системы будет больше величин, вычисленных по закону Рауля. На диаграммах кривая равновесия фаз и изобарно-температурные кривые выглядят так же как для идеального раствора (температуры кипящей жидкости и нас.паров повышаются с уменьшением концентрации НКК в жидкости и паре). КРФ характеризуется тем, что концентрация НКК в паровой фазе выше, чем в жидкости при любом составе жидкой фазы.
- изотерма жидкой фазы, - изотерма паровой фазы, - парциальное давление ж.ф, - парц.давление п.ф.
Отрицательное отклонение будет тогда, когда парциальные давления и общее давление системы будет меньше величин, вычисленных по закону Рауля.
Коэффициент активности характеризует степень данного раствора от идеального. жидкости).
Закон Рауля с учетом γ: для НКК и для ВКК .
Состав равновесной жидкости: .
Состав равновесного пара:
При положит.откл γ>1, а при отрицат.откл γ
25.Азеотропные смеси
Азеотропы – это смеси, при кипении которых состав насыщенных паров имеет состав жидкой фазы. Для азеотропных смесей характерно значительное отклонение от закона Рауля, а так же наличие экстремальных точек на кривых. АС могут быть с минимальной температурой кипения и с максимальной температурой кипения.
На диаграмме с min.t кипения верхняя линия (черная) характеризует жидкую фазу, а нижняя (зеленая) – равновесную паровую фазу. При составе смесь обладает max.давлением паров и min.t кипения. Образование азеотропной смеси приводит к образованию из 2-х компонентной в 3-х: НКК, ВКК и азеотроп. Если
(1) → НКК (а)
> (2) → (а)- ВКК, (w) – НКК → .
Если смесь образуется с min.общего давления, то она кипит с max.t кипения. При составе смесь развивает min.P (т.А) и имеет max.t кипения. В смеси 3-и компонента, причем:
(1) → НКК (w), ВКК - (а)
→ .
>(2) → обычно
- давление нас.паров НКК
- давление нас.паров ВКК.
26.Равновесие частично смешивающих жидкостей; гетероазеотропы
1) Это смеси, растворяющиеся друг в друге при определенной температуре в каком-то пределе, а за пределами температуры имеют 2 жидкие фазы.
т.А – соответствует составу при температуре t, т.В - . В областях от и - образуется однофазная гомогенная система и жидкости будут взаимно растворимы. При составе смеси ) образуются 2 жидкие фазы с концентрацией компонента в одной фазе и в другой фазе. С изменением температуры изменяется область концентраций - в пределах которой существуют 2 ж.фазы. При температуре выше система 2-х жидкостей образует гомогенный раствор при их смешении в любых соотношениях. В равновесии с 2-мя жидкостями находится паровая фаза определенного состава. Равновесие допустимо в пределах . За пределами этой области равновесная концентрация зависит от состава жидкой фазы.
2) Гетероазеотропом называется гетерогенная жидкая система, состоящая из 2-х ограниченно смешивающихся жидкостей, общий состав которой совпадает с составом пара, равновесного с 2-мя жидкими фазами. В системе с гетероазеотропом пар имеет состав, промежуточный между составами сосуществующих с ними жидких фаз. Гетерогенная смесь имеет наименьшую t кипения по сравнению с t кипения смесей любого другого состава и ее нельзя разделить методом перегонки на чистые компоненты. (вода-анилин, бензол). ГАС используются для разделения АС.
Если пары, находящиеся в равновесии с 2-мя жидкими фазами составов и , имеют равновесный состав - то это эвтектический класс ЧСЖ. В этом случае при некоторой концентрации в системе образуется азеотроп, определяющий t кипения смеси в интервале . При изменении концентрации НКК в жидкости от t системы будет понижаться от до . Концентрация НКК в п.ф изменится от . При изменении концентрации НКК в жидкости от ) образуется 2 ж.ф с . При изменении концентрации НКК в жидкости от ) – образуется гомогенный раствор, t кипения изменится . Например к такому относится система вода-фурфурол.
Жидкости, у которых в гетерогенной области существования состав равновесного пара выходит за пределы - то это неэвтектический класс ЧСЖ. Например, вода-фенол. При изменении концентрации НКК в жидкости от - система однофазна, t системы будет понижаться от до . В области составов смеси tкип.= =const. При изменении концентрации НКК в жидкости от ) – состав паров изменится , t кипения изменится , система будет иметь 1 жидкую фазу. Состав равновесных паров смеси 2-го класса богаче НКК, чем жид-ть.
28.Способы перегонки жидкостей.
Перегонка – это процесс частичного испарения жидкости или конденсации паров, проводимый для получения одного из продуктов обогащенного НКК или ВКК. Образующийся при этом отгон в паровой фазе, обогащенный НКК, подвергают в дальнейшем конденсации. Процесс перегонки осуществляется 6-тью способами:
- однократное испарение и однократная конденсация (эти процессы характеризуются тем, что образовавшиеся паровая и жидкая фазы не разделяются до окончания процесса, а при достижении конечной температуры их разделяют в один прием [однократно]. Принимается, что образовавшиеся паровая и жидкая фазы находятся в равновесии).
- многократное испарение многократная конденсация (процессы состоят в многократном процессе повторения процессов ОИ и ОК для более полного разделения смеси).
- постепенное испарение и постепенная конденсация (эти процессы осуществляются так, что пары, образовавшиеся при испарении или конденсации, удаляются из системы непрерывно в момент их образования).
29.Однократное испарение
Испарение – процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в парообразное. Процесс характеризуется тем, что образовавшиеся паровая и жидкая фазы не разделяются до окончания процесса, а при достижении конечной температуры их разделяют в один прием (однократно). Принимается, что фазы находятся в равновесии. Рассматриваются 2-х компонентные смеси.
G
сепаратор
F испаритель t
g
(1) – материальный баланс процесса ОИ; где F – масса исходной смеси, G – масса обра-
зовавшихся паров, g – масса образовавшейся жидкости.
(2) – материальный баланс ОИ для НКК; где - исходная концентрация смеси
y – концентрация паровой фазы, х – концентрация жидкой фазы.
(3)
поделим обе части уравнения на F →
(4) Далее вместо x и y везде - и
(5)
подставим (5) в (4) →
(6)
из урав (6) →
(7) –доля отгона. Это отношение массы образов.паров к массе исходной смеси.
(8) – мольная доля отгона
(9) – связь доли отгона с мольной долей отгона; где -средняя мольная
масса паров, - мольная масса исходной жидкой смеси.
Процесс ОИ связан с подводом тепла
(1) – тепловой баланс процесса ОИ; где - тепло исходной смеси.
(2)
(3) – приведенная энтальпия сырья, которая определяет количество введенного
тепла, приходящегося на единицу массы исходного сырья.
- уравнение прямой, проходящей через 3 точки: a (,); b(x,); c(y,).
Исходная смесь при тем-ре и концентрации НКК соответствует т.F,f. Нагреванию смеси от до соответствует прямая F-B’,f-b’, при этом состав исходной смеси не меняется. В т.B’,b’ – тем-ра соответствует тем-ре кипения при е=0. Образующийся при этом пар находится в равновесии с жидкостью. При нагреве сырья от до t, ему сообщается тепло - т.а, A. В этой точке система будет состоять из жидкой и паровой фаз, составов x и y. Составы и энтальпии жидкости и пара определяются т.b, B, C, c.
отрезок ba, BA пропорционален массе отгона G, а отрезок ac, AC –массе исходной смеси.
При нагревании до смесь перейдет в парообразное состояние, при этом е=1. Состав этого пара – т.с”, C”, при этом . Состав и энтальпия жидкого остатка определяются т.b”, B”. - t конца процесса ОИ. При нагревании выше система будет состоять из перегревшего пара состава . При понижении тем-ры будет охлаждение паров, а с т.с”, C” их конденсация. Степень конденсации:
.
30.Постепенное испарение
G конденсатор
испаритель
Процесс осуществляется так, что пары, образовавшиеся при испарении, удаляются из системы непрерывно в момент их образования. Образовавшиеся в системе паровая и жидкая фазы всегда находятся в состоянии равновесия.
(1) – материальный баланс по НКК для элементарного процесса; где g – масса загрузки в испарители, x – концентрация в ней НКК, dg - часть испарившейся жидкости, dx – изменившийся состав жидкой фазы, (x-dx) – новый состав жидкости, y – состав паровой фазы.
Из уравнения (1) →
(2) – уравнение Рейлея.
31.Постепенная конденсация
G
F
конденсатор
приемники
(1) – материальный баланс для бесконечно малой массы
сконденсированных паров
Из уравнения (1) →
(2) – уравнение Рейлея.
.
32.Многократное испарение
Процесс многократного испарения состоит из повторений процесса однократного испарения для более полного разделения исходной смеси.
сепаратор сепаратор
F испаритель испаритель
Пусть многократному испарению подвергается смесь с содержанием НКК , находящаяся при тем-ре - т.F, f.
Проводим ОИ при тем-ре будут получены составы жидкой и паровой фаз и , при этом на первой ступени: ,относ.кол-во исп.ж-и:
, масса жидкого остатка:
.Жидкий остаток подвергают ОИ во второй ступени при . Образовавшиеся жидкая и паровая фазы будут иметь состав и . , доля неиспарившейся жидкости:. Масса жидкого остатка:
. После проведения (к) ступеней ОИ, масса жидкости:
. С повышением ступеней ОИ, уменьшается масса жидкого остатка. Процесс МИ – линия .
33.Многократная конденсация
сепаратор сепаратор
F
конденсатор конденсатор
При охлаждении паров с начальной концентрацией НКК
от - т.F (f) до происходит частичная конденсация. Масса парового остатка: .
На второй ступени паровой остаток охлаждается от до → еще часть паров сконденсируется и масса остатка:
После к-ой ступени конденсации, масса остатка будет:
.
Процесс МК:
.
34.Сущность процесса ректификации.
Ректификация – это диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, который осуществляют путем контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз. Для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами используют процесс ректификации , который широко применяется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической промышленности.
Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию.
Пусть на каждую n-ю тарелку с вышележащей тарелки стекает
жидкость в количестве при температуре и с нижерасположенной тарелки поднимаются пары в количестве при температуре . При контакте на n-й тарелке система достигает состояния равновесия, при котором пар и жидкость будут иметь одинаковую температуру. Для осуществления процесса ректификации температурный режим в колонне должен быть таким, чтобы температура убывала в направлении движения потока паров.
35.Принципиальное устройство ректификационной колонны
Часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания (эвапорационное пространство).
Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья называется верхней (концентрационной, укрепляющей).
Часть колонны, находящаяся ниже ввода сырья называется нижней (отгонной, исчерпывающей).
Сырье может подаваться в колонну в виде жидкости, паров или смеси паров и жидкости. При входе сырья в колонну происходит процесс ОИ, в результате которого образуется пар и жидкость, находящиеся в равновесии.
Для обеспечения ректификации необходимо в верхней части колонны навстречу парам организовать поток жидкости (флегмы, орошения). Для этого на верху колонны отнимается тепло (тепло парциального конденсатора). За счет этого часть паров, поднимающихся с верхней тарелки, конденсируются, образуя необходимый нисходящий поток жидкости. Отбираемый с верху колонны продукт D, обогащенный НКК называется ректификатом (дистиллятом).
В нижней части колонны нужно обеспечить восходящий поток паров. Для этого в низ колонны подводится тепло (тепло кипятильника). При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки, испаряется, образуя поток паров. Отбираемый с низу колонны продукт W, обогащенный ВКК называется остатком.
36.Материальный баланс ректификационной колонны
F=D+W – мат.баланс для всей колонны - мат.баланс по НКК - доля отбора.
37.Расчет минимальных флегмовых и паровых чисел.
1) Заданный состав ректификата может быть получен при изменении потока флегмы от min до max величины.
- условие нормального протекания процесса ректификации, где - концентрация паров, поднимающихся с верхней тарелки отгонной части колонны; - состав пара, поступающего из секции питания в концентрационную часть колонны; - концентрация НКК в паровой части сырья.
При ↓ потока флегмы → раб.линия DL → DL’→ ,, →lim→ раб.линия DCL’ соответствует режиму минимального орошения.
Выше DCL’ нельзя т.к нарушается условие. Из мат. баланса по верху колонны следует:
.
2) Состав остатка может быть получен при изменении потока паров от min до max величины.
>> - условие нормального протекания процесса ректификации, где - концентрация жидкости, стекающей с нижней тарелки отгонной части колонны; - состав жидкости, поступающей из секции питания в нижнюю часть колонны; - концентрация НКК в жидкой части сырья.
При ↓ потока паров → раб.линия WM → WM’→→ lim .
G/W – масса потока паров → lim (G/W)min→ раб.линия → WFM’, не нарушая условие. Из мат. баланса по низу колонны следует:
38.Уравнение рабочей линии верхней части колонны
(
1) – мат.баланс всей колонны.
(2) – мат.баланс по НКК.
Уравнения (1) и (2) устанавливают зависимость между массами и составами паров и жидкости, проходящих через одно и тоже сечение. Из уравнений следует, что масса потоков паров G равна массе потоков ректификата D и флегмы g, а следовательно масса НКК в парах равна массе НКК в ректификатеи флегме . Подставив уравнение (1) в (2) получим:
(3);
Разделим урав (3) на D и пусть
- уравнение рабочей линии. Устанавливает связь между составами встречных потоков пара и жидкости в произвольном сечении колонны. R – флегмовое число.
Выявим характерные точки, через которые проходит рабочая линия: - т.D. Положение этой точки зависит от состава ректификата .
- т.L. Положении этой точки зависит от состава ректификата и от R, а следовательно от g. При ↑R → т.L перемещается вниз, при R→→ т.L перемещается в начало координат.
Рабочая линия BD и кривая равновесия фаз OEA дают зависимость между содержанием НКК в жидкости и парах.
КРФ связывает концентрации равновесных жидкой и паровой фаз, покидающих теор.тарелку → любая точка на КРФ (т.Е) характеризует жидкость , стекающую с n-тарелки и равновесный пар , покидающий тарелку. Рабочая линия связывает неравновесные жидкую и паровую фазы и каждая точка на РЛ (т.E’) характеризует жидкость , стекающей на данную n-тарелку и пар , поднимающийся с данной тарелки.
39.Уравнение рабочей линии для нижней части колонны
(1) – мат.баланс всей колонны.
(2) – мат.баланс по НКК.
Из уравнений следует, что масса флегмы g равна сумме масс остатка W и паров G, а масса НКК во флегме равна массе НКК в остатке и парах. Подставив уравнение (1) в (2) получим:
(3);
Разделим урав (3) на W и пусть
- уравнение рабочей линии. Устанавливает зависимость между концентрациями встречных потоков пара и жидкости в произвольном сечении колонны. П – паровое число.
Выявим характерные точки, через которые проходит рабочая линия: - т.W. Положение этой точки не зависит от потока флегмы и паров.
- т.С. Положении этой точки зависит от П. При ↑П → т.С перемещается вправо, при П→→ РЛ сольется с ОА.
Любая точка на КРФ (т.Е) связывает состав жидкости , стекающей с n-тарелки и равновесный пар , покидающий тарелку. Рабочая линия связывает неравновесные жидкую и паровую фазы и каждая точка на РЛ (т.E’) характеризует жидкость , стекающей на данную n-тарелку и пар , поднимающийся с данной тарелки.
40.Внутреннее и внешнее флегмовое число
1) Это отношение масс потоков флегмы и паров: - внутреннее флегмовое число.
Используется для того, чтобы привести уравнение рабочей линии для верхней и нижней части колонны к общему виду.
Рассмотрим верхнюю часть колонны:
- общий вид уравнения для верхней части колонны. Т.к Gg → Ф1. Ф=R/(R+1)≥1
Рассмотрим нижнюю часть колонны:
- общий вид уравнения для нижней части колонны. Т.к gG → Ф1. Ф=П/(П+1)≥1
При Ф=1 – режим с бесконечными флегмовым и паровым числом.
2) Связь между Ф и R (R-внешнее флегмовое число):
≥1
41.Тепловой баланс колонны
При проведении процесса ректификации происходит обмен тепловой энергией между контактирующими паровой и жидкой фазами.
- тепловой баланс колонны
, где - тепло, вносимое сырьем; - тепло, подводимое в низ колонны через кипятильник.
, где- тепло, отводимое из колонны парами ректификата; - тепло, отводимое из колонны жидким остатком; - тепло, отнимаемое потоком хладагента на верху колонны для образования флегмы.
=
=
=
- тепловой баланс колонны.
→
- тепловой баланс.
-уравнение прямой, проходящей через 3 т-ки:
, - приведенная энтальпия остатка.
, - приведенная энтальпия ректификата.
При заданном составе ректификата ордината точки Р зависит от тепла , отводимого на верху колонны. При ↑ →Р=, а при ↓ →Р=.
При заданном составе остатка ордината точки P’ зависит от тепла , подводимого в низ колонны.
При ↑ →P’=, а при ↓ →P’=.
т.F определяется составом сырья и его энтальпией, но всегда лежит на PP’.
42.Тепловой баланс для верхней части колонны
- тепловой баланс верхней части кол-ны
уравнение прямой, проходящей через 3 точки:
, ,
При заданном составе ректификата ордината точки Р зависит от тепла , отводимого на верху колонны. При ↑ →Р=, а при ↓ →Р=.
т.g и G характеризуют составы и энтальпии встречных неравновесных потоков, относящихся к одному произвольному сечению. Каждому сечению соответствует своя рабочая линия. Уравнение позволяет определить поток орошения в любом сечении верхней части колонны.
Полюс соответствует режиму минимального орошения → ЧТТ →.
43.Тепловой баланс для нижней части колонны
- тепловой баланс нижней части кол-ны
- уравнение прямой, проходящей через 3 точки:
, , .
Уравнение рабочей лини связывает составы и энтальпии встречных потоков флегмы и паров.
При заданном составе остатка положение полюса Р’ зависит от тепла . При ↑ →Р=, а при →=.
т.g и G характеризуют составы и энтальпии встречных неравновесных потоков, относящихся к одному произвольному сечению. Каждому сечению соответствует своя рабочая линия.
Полюс соответствует режиму минимального орошения → ЧТТ →, а пары, поднимающиеся из нижней части колонны, находятся в равновесии с жидкостью, стекающей в нижнюю часть колонны.
44.Построение рабочей линии с использованием энтальпийной диаграммы
47.Режим минимального орошения на энтальпийной диаграмме
В колонне заданный состав ректификата yD может быть получен при изменении потока флегмы от некоторой минимальной величины gmin до бесконечно большой. Как было показано ранее, максимальный поток флегмы отвечает условию g = G (режим полного орошения). С другой стороны, для протекания процесса ректификации необходимо, чтобы состав паров уm, поступающих в концентрационную часть колонны, удовлетворял условию (IV.21). При уменьшении потока флегмы рабочая линия DB верхней части колонны будет перемещаться вверх, поворачиваясь вокруг точки D (см. рис. IV-9). При этом составы паров yNo, ym и y*F будут выравниваться и в пределе, не нарушая условия (IV.21), станут равными у*F. Рабочая линия займет предельное положение DHBU определя-
емое точкой H{x*F, y*F), находящейся на линии равновесия. Это положение
рабочей линии будет отвечать режиму работы колонны с минимальным
потоком флегмы, при котором еще обеспечивается получение ректификата
заданного состава yD.
Если рабочая линия окажется расположенной выше рабочей линии DHBb то условие будет нарушено и получение состава ректификата yD из сырья состава xF станет невозможным. Таким образом, минимальный поток орошения (флегмы) может быть определен из уравнения при х = х*F и у = y*F
т.е.
47.Расчет числа теоретических тарелок графическим методом (X-Y)
концентрационная секция
48.Расчет числа теоретических тарелок при помощи энтальпийной диаграммы и изобарных кривых
49,50.Способы создания орошения в колонне; парциальный конденсатор
Для обеспечения нормальной работы колонны необходимо на верху ее отводить определенное количество тепла для конденсации части паров и образования потока флегмы (орошения).
Один из самых распространенных способов отвода тепла является парциальный конденсатор.
Этот способ заключается в том, что пары, уходящие с верхней тарелке концентрационной части колонны поступают в парциальный конденсатор, где частично конденсируются. Образовавшиеся при этом поток флегмы возвращается на верхнюю тарелку в качестве орошения, а пары ректификата D отводятся из конденсатора. Принимается, что D и находятся в равновесии → ПК эквивалентен одной ТТ.
- тепловой.баланс (контур 1)
- кол-во тепла, необходимое для охлаждения D от до . , где - количество тепла, отводимого в парц.конденсаторе, - скрытая теплота конденсации.
51.Холодное испаряющееся орошение
Это наиболее распространенный способ.
Поток паров с верхней тарелки концентрационной части колонны направляется в конденсатор, где полностью конденсируется и охлаждается до температуры холодного орошения . Образовавшаяся холодная жидкость делится на поток ректификата D и поток холодного орошения , возвращаемого на верхнюю тарелку колонны. Эта холодная жидкость , состав которой равен составу ректификата , контактирует с парами, поступающими с нижележащей тарелки . В результате этого пары охлаждаются от
температуры до температуры =и частично конденсируясь, образуют поток горячего орошения , количество которого определяет процесс ректификации.
- тепловой баланс для контура 1 →
→
- тепло, отнимаемое в конденсаторе (тепло, затрачиваемое на образование потока флегмы + тепло конденсации и охлаждения паров ректификата от до ).
- тепловой баланс для контура 2. →
- масса холодного испаряющегося орошения, ↓→ ↓.
52.Циркуляционное орошение
Часть флегмы с верхней тарелки направляется в холодильник, где охлаждается и при температуре возвращается на верхнюю тарелку. Здесь флегма контактирует с парами , поступающими с нижележащей тарелки при температуре . В результате контакта паров с холодной флегмой пары охлаждаются до температуры и частично конденсируются , образуя поток флегмы , необходимый для осуществления ректификации. С верхней тарелки уходят пары ректификата D при температуре. Состав ЦО равен составу . ЦО нагревается за счет тепла конденсации паров от до , а потом охлаждаясь в холодильнике, отдает это же кол-во тепла.
- тепловой баланс контура 1
- масса циркуляционного орошения. ↓→↓.
53.Способы подвода тепла в низ колонны
1) Подогреватель с паровым пространством:
- жидкость, покидающая колонну. Поступает в подогреватель с паровым пространством, где ее температура увеличивается от до . Образовавшиеся пары поступают из кипятильника в колонну, образуя восходящий поток паров. Пары находятся в равновесии с остатком W. →ПсПП эквивалентен ТТ.
- тепловой баланс нижней
части колоны. , где - скрытая теплота испарения; - количество тепла, подведенное в кипятильник.
2) Горячая струя:
Применяется в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями не возможен.
Тепло в низ колонны подводится при помощи циркулирующей горячей струи, нагретой до определенной температуры. При этом часть жидкости из низа колоны при тем-ре прокачивается через т/а, где тем-ра ↑ от до за счет подвода тепла . При этой тем-ре жидкость возвращается под нижнюю тарелку колонны, где происходит ее ОИ и смешение с потоком стекающей с нижней тарелки жидкости, что необходимо для образования потока паров . Из низа колонны часть потока жидкости выводится в качестве остатка W, а остальная часть возвращается в подогреватель.
- тепловой баланс
, где - поток горячей струи; - количество тепла, подведенное за счет горячей струи.
54.Выбор давления при ректификации
Выбор давления в ректификационной колонне обусловлен необходимым температурным режимом: давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне, или понижается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена. Необходимость повешения давления возникает при разделении компонентов с низкими t кипения (пропан, пентан, бутан). Путем подбора давления обеспечивают такой температурный режим, при котором для конденсации паров ректификата в качестве охлаждающих агентов можно использовать дешевые и легко доступные хладагенты – воду, атмосферный воздух. Увеличение давления приводит к уменьшению поверхности конденсатора в верхней части колонны и к увеличению поверхности кипятильника в низу колонны.
Выбор давления зависит от технологических условий (работа и сопротивление аппаратов, установленных до и после колонны). Пониженное давление создают путем вакуума для снижения t в колонне (для разделения компонентов, обладающих высокими t кипения).
Давление влияет на α (↑π→↓α). При ↑α позволяет снизить количество орошения, уменьшить ЧТТ.
При π→α, что ухудшает условия ректификации.
Давление влияет на производительность (↑π→↑П), но ↑ расход материала на стенки.
Главным критерием при выборе давления является обеспечение благоприятного режима.
55.Особенности работы колонны с вводом водяного пара
Ввод ВП обусловлен желанием снизить температуру процесса (чтобы избежать разложения нефтепродукта). Чтобы испарить часть жидкости в низу колонны, образовать восходящий поток паров и обеспечить процесс ректификации в нижней части колонны, ВП вводят под нижнюю тарелку отгонной части колонны. При вводе в низ колонны ВП парциальное давление паров углеводородов снижается, что способствует испарению жидкости (кипению) при более низкой температуре.
ВП в концентрационной части колонны снижает парциальное давление углеводородов тоже, но температура системы снижается по сравнению с колонной, работающей без ВП.
Ведение процесса с ВП приводит к ↑ общего объема паров и приводит к необходимости иметь колонну большого диаметра.
ВП должен быть перегретым или сухим, иначе будет охлаждение остатка.
При большом расходе ВП уменьшается ЧТТ, но увеличивается поверхность конденсатора и хладагента.