Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по Гидравлике и теплотехнике - файл Гидравлика и теплотехника в печать.doc


Лекции по Гидравлике и теплотехнике
скачать (2809.4 kb.)

Доступные файлы (1):

Гидравлика и теплотехника в печать.doc7364kb.08.03.2007 17:55скачать

содержание

Гидравлика и теплотехника в печать.doc

1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   19
^

4.3. Перегонка жидкостей



Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре или на различии температур кипения компонентов смеси при одном и том же давлении. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности, которой характеризуется летучесть компонентов жидкой смеси.

В простейшем случае исходная смесь является бинарной, состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость соответственно имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим, компонентом (ВК). Эту жидкость называют остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, – дистиллятом или ректификатом.

Степень обогащения паровой фазы НК при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличающихся между собой вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

^ Простая перегонка представляет процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различаются между собой. Используется простая перегонка обычно для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.п.

Более полное разделение жидких смесей можно достигнуть ректификацией. Ректификация представляет процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем многократного контакта потоков жидкости и пара, имеющих различную температуру. Проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить пары, представляющие собой чистый НК. Эти пары после конденсации в теплообменном аппарате (дефлегматоре) дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают снизу колонны путем частичного испарения остатка, являющегося почти чистым ВК.

^

4.3.1. Идеальные и неидеальные смеси



В зависимости от взаимной растворимости компонентов различают смеси жидкостей: 1) с неограниченной взаимной растворимостью; 2) взаимно нерастворимых; 3) ограниченно растворимых друг в друге. Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов в свою очередь делятся на идеальные и неидеальные смеси с положительным или отрицательным отклонением от закона Рауля.

Идеальными называются смеси, компоненты которых при смешении не изменяют объема, а само смешение происходит без тепловых эффектов.

Идеальные смеси подчиняются закону Рауля. Соответственно неидеальными считаются смеси, имеющие отклонения от закона Рауля.

Согласно закону Рауля, парциальное давление каждого компонента в паре пропорционально мольной доле этого компонента в растворе. Например, для низкокипящего компонента А

.

При этом в качестве коэффициента пропорциональности в уравнении выступает давление насыщенного пара компонента А при соответствующей температуре.

Согласно закону Дальтона для идеальной газовой смеси, общее давление пара над раствором равно сумме парциальных давлений его компонентов. Для бинарной смеси

.

Для парциальных давлений компонентов можно также записать:

; .

В соответствие с законом Рауля и Дальтона общее давление паровой смеси

=. (4.39)

Из уравнения (4.39) следует, что при постоянной температуре парциальные давления компонентов, а также общее давление паров над смесью находятся в линейной зависимости от мольной доли низкокипящего компонента
(рис. 4.26).


Рис. 4.26. Изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления

для идеальных растворов (диаграмма )


В условиях равновесия
; ,

откуда следует
или . (4.40)
Обычно процесс ректификации проводят при общем постоянном давлении ().

Решим второе уравнение (4.40) относительно :

,
получим

. (4.41)

При известных значениях и в пределах температур кипения и по уравнению (4.41) можно найти значения , а по уравнению (4.40) – .

Согласно правилу фаз Гиббса



получим для бинарной смеси С = 2 (Ф = 2, К = 2), т.е. равновесную зависимость графически можно получить, используя две переменные величины (Р и х, Т и х, Р и Т, х и у). При равновесную зависимость можно представить в координатах Тх или у х. Зная температуры и располагая значениями рассчитанных величин х и у, построим диаграмму, характеризующую равновесие в системе. Графики Ту и Тх при этом можно совместить (рис. 4.27).



Рис. 4.27. Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз (диаграмма )

Нижняя ветвь на диаграмме Тх,у будет отвечать температурам кипения жидкой смеси, верхняя – температурам конденсации паровой фазы. Располагая этой диаграммой, можно по составу жидкой фазы х1 найти равновесный ей состав пара у1 и температуру в системе Т1.

Для анализа процессов ректификации более удобна диаграмма у х, построенная на основе диаграммы Тх,у (рис. 4.28).


Рис. 4.28. Диаграмма равновесия

пар-жидкость (диаграмма ).


Кривая равновесия в этой диаграмме отвечает уравнению

.

Если ввести отношение , называемое относительной летучестью компонента А, то

. (4.42)

Величины и не являются постоянными в диапазоне температур кипения чистых компонентов и . Поэтому при упрощенных расчетах в уравнение (4.42) вводится усредненное значение относительной летучести

,

где и – относительные летучести при и .

Следует отметить, что изменение давления существенно влияет на положение равновесной зависимости . С увеличением давления равновесная кривая располагается ближе к диагонали (рис. 4.29).

Взаимное положение кривых на фазовых диаграммах определяется первым законом Коновалова: пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости повышается давление пара над ней или снижается ее температура.

Первый закон Коновалова дополняется первым законом Вревского, указывающим, как влияет температура и соответственно давление на равновесные составы фаз: при повышении температуры смеси испаряется преимущественно тот компонент, парциальная мольная температура испарения которого больше, что обуславливает относительно большее содержание этого компонента в паре.



Рис. 4.29. Расположение линий равновесия

в диаграмме в зависимости от давления


Для идеальной смеси, состоящей их нескольких компонентов, уравнения, связывающие равновесные концентрации, могут быть получены так же, как и для идеальной бинарной смеси. Для жидкой смеси, состоящей из n компонентов, на основе законов Рауля и Дальтона получим

; ; ;……..

Общее давление в системе

.

Для j-го компонента в состоянии равновесия

,

введя относительные летучести компонентов, получим

.

Для неидеальной паровой и жидкой фаз уравнение равновесия можно записать в виде

,

где – поправка на неидеальность паровой фазы; – поправка на неидеальность жидкой фазы.

Вместо давления насыщенного пара чистого компонента вводится активность (зависит от давления и температуры).

При умеренных давлениях (р < 10 МПа) активность равна давлению насыщенного пара чистого компонента. Величина близка к единице, а уравнение, связывающее равновесные концентрации, имеет вид
.

Чтобы использовать это уравнение для расчета равновесных составов, необходимо для каждого компонента знать коэффициент активности , характеризующий поведение молекул в растворе и их взаимодействие. Коэффициент активности зависит от температуры смеси и концентрации компонентов. Имеются уравнения для определения коэффициентов активности как для бинарной, так и для многокомпонентной смесей. Такими уравнениями для бинарной смеси являются, например, уравнения Ван-Лаара:

;

.

Величины и являются постоянными. Их значения приближенно можно рассчитать на основе знания некоторого минимума данных по равновесию. Располагая значениями равновесных концентраций в нескольких точках и значениями коэффициентов активности, можно найти постоянные и . Из нескольких значений найденных и можно вычислить средние, считая их постоянными, и, задаваясь значениями , вычислить коэффициенты активности. Определить и после этого построить кривую равновесной зависимости.

Таким образом, для неидеальных смесей кривая равновесия может быть рассчитана только по известным коэффициентам активности, определение которых весьма затруднительно. Поэтому в большинстве случаев диаграммы для реальных растворов строятся на основе опытных данных.

В случае полной нерастворимости компонентов смеси силы взаимодействия между молекулами этих компонентов отсутствуют и каждый компонент ведет себя независимо друг от друга. В этом случае бинарная смесь закипает при давлении

.

При нерастворимости компонентов парциальное давление каждого компонента равно давлению насыщенного пара при той же температуре. Температура кипения смеси остается постоянной независимо от состава жидкой смеси (линия на рис. 4.30).

Так как в природе нет абсолютно нерастворимых друг в друге веществ, в интервалах незначительной растворимости одного компонента в другом температуры кипения компонентов будут меняться по линиям и до температур кипения основных компонентов смеси. В областях растворимости будет происходить плавное изменение температур конденсации пара по линиям и . В точке будет конденсироваться пар состава , причем

.

На основе диаграммы Тх, у можно построить равновесную зависимость в координатах (нижняя часть рис. 4.30).



Рис. 4.30. Диаграммы и

взаимно нерастворимых жидкостей




а) б) в)

Рис. 4.31. Фазовые диаграммы частично растворимых и азеотропных смесей:

а – частично растворимая; б – с минимумом температуры кипения;

в – с максимумом температуры кипения
Для частично растворимых смесей линия постоянных температур ỳже
(рис. 4.31а).

В отличие от идеального раствора, для которого коэффициенты активности равны единице, реальные хорошо растворимые жидкие смеси могут иметь положительные () и отрицательные () отклонения от закона Рауля. Для смесей с положительным отклонением линии парциальных давлений компонентов, а также линия общего давления проходят выше прямой линии для идеального раствора, тепло при растворении компонентов смеси поглощается. При отрицательном отклонении равновесная линия располагается ниже прямой линии идеального раствора, тепло при растворении компонентов выделяется.

Для ряда смесей количественные отклонения от закона Рауля настолько велики, что приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе эти смеси имеют постоянную температуру кипения. При этой температуре состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости (). Такие смеси называют азеотропными или нераздельно кипящими. Постоянная температура кипения таких растворимых смесей может иметь ярко выраженные минимумы или максимумы (рис. 4.31б, в).

^

4.3.2. Простая перегонка



К простой перегонке следует отнести фракционную перегонку, перегонку в токе носителя (с водяным паром или инертным газом) и молекулярную перегонку.

Фракционная перегонка проводится периодически (рис. 4.32). Смесь загружают в куб 1, обогреваемый паром (дымовыми газами) через змеевик или рубашку.



Рис. 4.32. Схема установки для фракционной перегонки:

1 – перегонный куб;

2 – онденсатор-холодильник;

3 – сборники фракций дистиллята


После нагрева смеси до температуры кипения образующие пары отводятся из куба, конденсируются в теплообменнике 2. Конденсат собирается в сборники 3. По окончании операции остаток удаляется из куба.

По мере испарения смеси содержание летучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается. В начале процесса это содержание максимальное, в конце – минимальное. Это позволяет в случае необходимости получать несколько фракций дистиллятов различного состава, отводя их в разные сборники, поэтому перегонка называется фракционной. Перегонка может проводиться при атмосферном давлении или под вакуумом.

В процессе перегонки образующийся пар отводится из аппарата и в каждый момент времени находится в равновесии с оставшейся жидкостью.

Пусть в некоторый момент времени количество жидкости в аппарате равно , а ее состав . За бесконечно малый промежуток времени количество жидкости и ее состав меняются и составляют соответственно () и . Количество образующего за этот промежуток времени пара равно уменьшению количества жидкости , а ее состав * является равновесным с . Содержание летучего компонента в жидкости к началу рассматриваемого промежутка времени составляет , а к концу – . Количество же летучего компонента, перешедшего за этот промежуток времени в пар, равно . Таким образом, уравнение материального баланса по летучему компоненту за рассматриваемый промежуток времени может быть записано следующим образом:

.

Раскрывая скобки и пренебрегая членом , можно получить

или .

Пределы интегрирования для левой части – количество начальной смеси и – количество остатка, для правой концентрации – и .

В результате интегрирования

. (4.43)

Вид функции определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения (4.43) выполняют графически – путем построения зависимости от в пределах от до и определением площади под кривой (так же как и при расчете ЧЕП).

Затем по уравнению (4.43), зная количество исходной смеси , вычисляют количество остатка и количество перегнанной жидкости .

Средний состав полученного дистиллята рассчитывают из материального баланса по низкокипящему компоненту

.

Конечной целью расчета простой перегонки является определение количества жидкости, которое необходимо перегнать для того, чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава.

Простую перегонку проводят при атмосферном давлении или под вакуумом, присоединяя сборники дистиллята к источнику вакуума. Применение вакуума дает возможность разделять термически малостойкие смеси и в связи со снижением температуры кипения раствора использовать для обогрева куба пар более низких параметров.

^ Простая перегонка с дефлегмацией. Степень разделения компонентов в условиях простой перегонки может быть повышена применением дефлегмации (рис. 4.33).



Рис. 4.33. Схема установки

для простой перегонки

с дефлегмацией:

1 – перегонный куб;

2 – дефлегматор;

3 – конденсатор-холодильник;

4 – сборники
В этом случае пары, выходящие из куба 1, поступают в дефлегматор 2, в котором они конденсируются не полностью, а частично. При частичной конденсации в жидкость переходит наименее летучий компонент, а пары обогащаются летучим компонентом. Получаемый в дефлегматоре конденсат или флегма возвращается в перегонный аппарат и подвергается многократному испарению.

^ Перегонка в токе водяного пара. Понижение температуры кипения разделяемой смеси может быть достигнуто не только под вакуумом, но и путем ведения в разделяемую смесь дополнительного компонента – водяного пара.
В этом процессе отгоняемый компонент получают обычно в виде смеси с водой при температуре кипения, меньшей в условиях атмосферного давления, чем температура кипения воды.

Технологическая схема процесса приведена на рис. 4.34. Исходную смесь загружают в куб 1, где ее нагревают греющим паром до температуры перегонки. Затем через смесь пропускают острый пар, взаимодействующий с компонентами смеси.

Образующаяся в результате взаимодействия паровая смесь поступает в конденсатор 2 и далее в сепаратор 3. В этом аппарате нерастворимые друг в друге жидкости расслаиваются и стекают в соответствующие сборники.

Соотношение между количествами введенного водяного пара и отогнанного компонента может быть выражено следующим образом. Согласно закону Дальтона мольные доли компонента и воды
; ,

отсюда
или ,
где – молекулярные массы компонента и воды соответственно.


2



3



1


Рис. 4.34. Схема установки

для перегонки с водяным паром:

1 – куб с паровой рубашкой;

2 – конденсатор; 3 – сепаратор


Перегонка в токе с инертным газом. При перегонке смесей вместо водяного пара иногда применяют инертные газы – азот, двуокись углерода и др. Перегонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет значительно снизить температуру испарения разделяемой смеси. При перегонке в токе водяного пара снижение температуры испарения разделяемой смеси ограничено температурой его конденсации.

^ Молекулярная перегонка. Применяют для разделения компонентов, кипящих при высоких температурах и не обладающих необходимой термической стойкостью.

Этот процесс проводят под глубоким вакуумом, соответствующим остаточному давлению 10-3–10-4 мм рт. ст. Процесс молекулярной дистилляции протекает путем испарения жидкости с ее поверхности при отсутствии кипения. Поэтому молекулярная дистилляция, в отличие от других способов перегонки, не характеризуется некоторыми постоянными температурой и давлением. При таком вакууме молекулы легко преодолевают силы взаимного притяжения, а длина свободного пробега их резко возрастает.

Если расстояние между поверхностями испарения и конденсации меньше длины свободного пробега молекул, то отрывающиеся от поверхности испарения молекулы летучего компонента непосредственно попадают на поверхность конденсации и улавливаются на ней. Расстояние между поверхностями испарения и конденсации составляет обычно 20–30 мм, а разность температур между ними порядка 100 ºС.

Разделяющий эффект молекулярной дистилляции определяется не отношением давлений насыщенного пара компонентов смеси, или относительной летучестью, а отношением скоростей испарения компонентов смеси, или коэффициентом разделения .

Скорость испарения любого компонента идеального раствора согласно молекулярно-кинетической теории газов пропорциональна его мольной доле в растворе:

,

где , – давление насыщенного пара, молекулярный вес чистого компонента и температура кипения смеси соответственно.

Для бинарной смеси коэффициент разделения

.

Отсюда следует, что степень разделения при молекулярной дистилляции больше, чем при равновесной в раз.

Для молекулярной дистилляции применяются пленочные аппараты различных конструкций, приведенные в специальной технической литературе. На
рис. 4.35 показана схема аппарата для молекулярной перегонки.

Рис. 4.35. Схема аппарата для молекулярной перегонки:

1 – обогреваемый цилиндр; 2 – охлаждаемый цилиндр;

3 – рубашка; 4 – воронка

Цилиндр 1 имеет внутри спираль для электронагрева и является испарителем. Цилиндр 2 является конденсатором и снабжен рубашкой 3, в которой движется охлаждающий агент. Исходная смесь вводится через патрубок в воронку 4 и стекает пленкой по наружной поверхности испарителя. Остаток и дистиллят, собирающийся на внутренней поверхности конденсатора, удаляются через патрубки в нижней части аппарата. В кольцевом пространстве между испарителем и конденсатором вакуум-насосом поддерживается требуемый вакуум.

Молекулярная дистилляция является относительно дорогим способом разделения. Ее применяют в производствах пластмасс, масел и смазок, жирных кислот, эфиров и др.

4.3.3. Ректификация



Достаточно высокую степень разделения однородных жидких смесей на составляющие компоненты можно достигнуть с помощью ректификации. Сущность процессов, из которых складывается процесс, можно представить на диаграмме (рис. 4.36).



Рис. 4.36. Изображение процесса разделения бинарной смеси ректификацией в диаграмме


Если нагреть исходную смесь состава до температуры кипения, можно получить пар, находящийся с жидкостью в равновесии (т. в ). Конденсация этого пара дает жидкость состава , обогащенную НК ().

Последующий нагрев этой жидкости до температуры кипения Т2 приведет к получению пара (т. d), конденсация которого даст жидкость с еще большим содержанием НК – . Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получать в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, состоящей из последовательно соединенных испарителей и конденсаторов. Недостатками такой установки являются большая металлоемкость и значительные потери тепла в окружающую среду.

Наиболее четкое, полное и экономичное разделение исходной смеси на компоненты лучше всего производить в ректификационных колоннах.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися противотоком относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается НК, а жидкость – ВК. Многократный контакт фаз приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия при движении фаз с определенной скоростью относительно друг друга с многократным их контактом является необходимым условием проведения ректификации.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: атмосферном, повышенном (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах) и под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ).

^ Непрерывно действующие ректификационные установки наиболее широко распространены в процессах химической технологии. Рассмотрим сущность процесса ректификации на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси (рис. 4.37).


Рис. 4.37. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:

1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы;

5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята;

7 – холодильник остатка; 8 – сборник остатка; 9 – сборник дистиллята; 10 – насос


Колонна 1 снабжается вспомогательным оборудованием, в состав которого, например, входят: кипятильник 2, дефлегматор 3, делитель флегмы 4, подогреватель 5, холодильники 6, 7, сборники жидкостей 8, 9, насосы 10.

Для создания восходящего потока пара в колонне в нижней части её или в кипятильнике 2 подводится тепло для испарения жидкой смеси. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна , а ее температура – . В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, при этом в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую тарелку пар поступает с содержанием НК ().

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем паре на тарелку выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моля НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

На второй тарелке жидкость имеет состав и содержит больше НК, чем на первой (). Эта жидкость кипит при более низкой температуре (). Контактируя с ней, пар состава частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав , и т.д.

Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку колонны почти чистым НК.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом, например, водой, и получаемая жидкость делится на два потока дистиллят – целевой продукт и флегму, которая направляется в верхнюю часть колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой практически чистый НК. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК. Снизу колонны часть ВК выводится остатком в виде целевого продукта, а другая часть поступает на испарение в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, поступающая на питающую тарелку колонны. Обычно смесь предварительно подогревают в подогревателе исходной до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части колонны наибольшее укрепление паров, т.е. обогащение их НК. Поэтому эта часть колонны называется укрепляющей. В нижней части необходимо максимально удалить из жидкости НК, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. В соответствии с этим эту часть колонны называют исчерпывающей.

^ Периодически действующие ректификационные установки применяются в производствах небольших масштабов.

Схема периодически действующей установки приведена на рис. 4.38. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3.

В дефлегматоре богатые легколетучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 1. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.

После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (это можно установить по температуре кипения жидкости), остаток сливают, загружают куб исходной смесью и операцию повторяют.

Сравнивая периодически действующую колонну с ректификационной колонной непрерывного действия, следует отметить, что первая колонна работает, подобно верхней части непрерывнодействующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб выполняет роль исчерпывающей части.




Рис. 4.38. Схема установки

периодической ректификации:

1 – куб; 2 – насадочная ректификационная колонна;

3 – дефлегматор; 4 – делитель

флегмы; 5 – холодильник;

6 – сборники дистиллята


^ Допущения, принимаемые для расчета процессов ректификации. Мольные теплоты испарения компонентов бинарной жидкой смеси обычно близки по величинам, в отличие массовых, которые существенно различаются между собой. В этой связи количества и составы фаз при анализе и расчете процесса наиболее удобно выражать в мольных величинах. В соответствии с этим расходы фаз наиболее целесообразно выражать в молях, а составы – в мольных долях НК.

Примем следующие допущения, мало искажающие результаты, но существенно упрощающие расчет.

1. Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей является приближенно постоянной. Для смеси, состоящей из компонентов:
,
или при ,
.
Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется
1 кмоль НК, т.е. количество паров (в кмолях), поднимающихся по колонне постоянно ().

2. Состав пара , удаляющегося из колонны в дефлегматор, равен составу дистиллята . При этом допускается, что укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации паров можно пренебречь и принять , где – состав дистиллята в паровой фазе.

3. Состав пара , поднимающегося из кипятильника в колонну, равен составу жидкости , стекающей в кипятильник из нижней части колонны. Принимая , пренебрегают исчерпывающим действием кипятильника, т.е. изменением состава фаз при испарении в нем жидкости.

4. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Кроме того, в расчетах принимают, что смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке.

Для составления материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия обозначим: – количество смеси, поступающей на ректификацию; и – количество получающегося дистиллята и остатка соответственно; , , – содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и остатке соответственно (мольн. доли).

Материальный баланс процесса разделения:

для всей смеси

;

для легколетучего компонента в смеси

.

Из этих равенств обычно вычисляют неизвестные количества дистиллята и остатка:

;
.

^ Уравнения рабочих линий. Материальный баланс ректификации по летучему компоненту может быть выражен общим для всех массообменных процессов равенством
.
Пусть количество взаимодействующих паров составляет , а жидкости – . Тогда, согласно принятым обозначениям, расход пара , расход жидкости для верхней части ректификационной колонны – для нижней части аппарата – , где – флегмовое число, – число питания. Таким образом, для верхней и нижней частей аппарата уравнения материального баланса имеют вид:

; (4.44)

. (4.45)

Для произвольного сечения верхней части аппарата, где рабочие концентрации и , и верха, где концентрация и , из уравнения (4.45) получим

(4.46)

или

. (4.47)

Для произвольного сечения нижней части аппарата, где рабочие концентрации и , и низа, где концентрация и , из уравнения (4.45) найдем



или

. (4.48)

Уравнения (4.47) и (4.48) являются уравнениями прямых линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей ректификационного аппарата.

Кроме того, из уравнения (4.44) для сечения, соответствующего вводу исходной смеси ( ), и верхней части аппарата (, ) получаем
,

откуда

.
Положения линий рабочих концентраций в диаграмме зависят не только от состава исходной смеси, но также от ее тепловых параметров. Возможны следующие случаи питания исходной смесью: 1)при температуре ниже, чем температура кипения; 2) при температуре кипения; 3) смесью насыщенного пара и жидкости; 4) насыщенным паром; 5) перегретым паром.

Рассмотрим наиболее распространенный случай питания аппарата жидкой смесью при температуре кипения. В этом случае возможны два предельных положения рабочих линий (рис. 4.39): 1-3´ для верхней и 3-2 для нижней части колонны.

Первое положение соответствует бесконечно большому флегмовому числу, при котором отрезок, отсекаемый на оси ординат рабочей линией верхней части колонны, , и, следовательно, изменение рабочих концентраций в аппарате отвечает уравнению и обе рабочие линии лежат на диагонали диаграммы. В этих условиях аппарат работает без отбора дистиллята и кубовой жидкости. Как следует из рисунка, бесконечно большому флегмовому числу соответствует максимальная движущая сила.

Рис. 4.39. Расположение рабочих линий и равновесия с вариантом питания колонны исходной смесью при температуре кипения


Второе предельное положение рабочих линий (1-3´´-2) соответствует пересечению их на равновесной кривой в точке 3´´. Очевидно, что в этой точке движущая сила равна нулю, т.е. и, следовательно, ректификационный аппарат должен иметь бесконечно большую поверхность фазового контакта. Флегмовое число при этом имеет наименьшее значение:

,
где – состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью, поступающей на ректификацию.

Положение рабочих линий 1-3-2 соответствует рабочему состоянию ректификационной аппаратуры. Точка 3, очевидно, может приближаться либо к верхнему пределу 3´´, либо к нижнему 3´. Соответственно этому изменяются флегмовое число и движущая сила процесса.

Поскольку проведение процесса ректификации связано с испарением жидкости и соответствующими затратами тепла, можно сформулировать одно из важнейших правил ректификации: с уменьшением флегмового числа и, следовательно, затрат тепла на проведение процесса уменьшается движущая сила и наоборот.

^ Периодически действующие установки, в свою очередь, подразделяются на установки, работающие в условиях режима постоянного флегмового числа, и установки, работающие в условиях, обеспечивающих постоянный состав дистиллята.

Для обеспечения постоянного состава дистиллята процесс ректификации необходимо проводить при непрерывно изменяющемся флегмовом числе: минимальном в начале процесса и максимальном в конце. По мере отгонки летучего компонента концентрация его в кубе уменьшается до , проходя через ряд промежуточных значений , и т.д. Определение положения точек а, б и т.д. (рис. 4.40а), характеризующих соответствующее флегмовое число, возможно путем подбора, а именно: их положение должно отвечать равенству чисел единиц переноса для границ концентраций , и т.д. в пределах концентраций .

Очевидно, что проведение процесса ректификации периодическим методом при режиме практически затруднительно, поскольку для этого требуется непрерывное и строго программное изменение питания колонны парами и флегмой. Поэтому этот режим ректификации в промышленности применяют очень редко.

Широко распространен процесс ректификации, проводимый периодическим методом в условиях поддержания постоянного флегмового числа. Этот процесс для малотоннажных производств наиболее предпочтителен даже в сравнении с процессом непрерывной ректификации. Это преимущество заключается в том, что разделение смеси из любого числа компонентов возможно при помощи одного ректификационного аппарата.

При постоянном флегмовом числе наклон рабочих линий не зависит от концентраций (рис. 4.40б).

Пусть в первый момент ректификации концентрация летучего компонента в кубовой жидкости составляет , а дистилляте . По мере течения процесса концентрация летучего компонента в кубовой жидкости будет уменьшаться и принимать значения , и т.д., вплоть до конечного значения . Соответственно будет уменьшаться и концентрация летучего компонента в дистилляте: , , и т.д. В итоге процесса будет получен дистиллят среднего состава в пределах и остаток состава .

По ряду значений флегмовых чисел, отвечающих различным концентрациям летучего компонента в жидкости, можно установить зависимость и путем графического интегрирования найти среднее флегмовое число:
.

^

4.3.4. Ректификация многокомпонентных смесей



Задача разделения многокомпонентных смесей на практике встречается гораздо чаще, чем двухкомпонентных, поэтому ректификация многокомпонентных смесей является основным процессом ректификации в химических и нефтехимических производствах.

Схема разделения на составляющие двухкомпонентных смесей однозначна, в то время как для многокомпонентных смесей представляется некоторая свобода схемы разделения. Пусть смесь состоит из трех компонентов А, В, и С с относительными летучестями , и .





Рис. 4.41. Схема установки для разделения трехкомпонентной смеси

по первой схеме

Разделение указанной смеси на компоненты возможно двумя путями, показанными на рис. 4.41, 4.42. Первая схема разделения (рис. 4.41, вверху) и аналогичные ей возможны всегда, вторая схема (рис. 4.41, внизу) возможна не всегда и использование их ограничивается соотношением относительных летучестей компонентов и их содержанием в исходной смеси. Так, в приведенном примере возможность отделения смеси компонентов А и В от С имеет место лишь при условии (где – суммарная относительная летучесть остальных двух компонентов). Другими словами, отделение в паровой фазе j-го компонента возможно только в том случае, когда его относительная летучесть больше средней относительной летучести всех компонентов: … .

Из рассмотренного примера следует, что для разделения многокомпонентных смесей непрерывным методом на частей необходимо (N-1) ректификационных аппаратов.

Рис. 4.42. Схема установки для разделения четырехкомпонентной смеси по первой и второй схемам


^

4.3.5. Тепловой баланс процесса ректификации



Введем обозначения: Q1 – тепло, поступающее в кипятильник колонны с греющим паром; Q2 – тепло, поступающее с греющим паром; Q3 – тепло, поступающее с флегмой; Q4 – тепло, уходящее с парами; Q5 – тепло, уходящее с остатком; Q6 – тепло, теряемое в окружающую среду (рис. 4.43).





Рис. 4.43. Схема тепловых потоков в колонну

непрерывной ректификации

При принятых обозначениях тепловой баланс процесса может быть выражен равенством:




или

.
Если нагревание в кипятильнике проводится водяным греющим паром, расход его на проведение процесса составит
,
где H – энтальпия водяного пара; – энтальпия конденсата; – теплота испарения.

Энтальпии веществ, входящих в уравнение, равны произведениям их мольных теплоемкостей на температуры. Теплоемкости и теплоты испарения смесей вычисляют по правилу аддитивности, исходя из свойств чистых компонентов.

^

4.3.6. Специальные виды перегонки



Разделение компонентов с близкими температурами кипения, относительные летучести которых близки к единице, сопряжено со значительными трудностями. При работе с такими смесями линия равновесия настолько сближается с диагональю диаграммы , что для их разделения требуется очень большое число единиц переноса. Величина относительной летучести компонентов может быть увеличена и разделение обеспечено при изменении давления перегонки. Обычно это можно осуществить проведением процесса ректификации под вакуумом.

Предельным случаем разделения близкокипящих смесей являются нераздельно кипящие (или азеотропные) смеси, для которых . Чтобы разделить эти смеси, нужно значительно изменять давление, что связано с усложнением и удорожанием установки (например, установка молекулярной дистилляции).

В ряде случаев наиболее эффективны такие методы разделения азеотропных смесей, которые основаны на введении в разделяемую смесь добавочного компонента – разделяющего агента, обладающего избирательным действием. При добавлении этого компонента в разделяемую смесь летучесть и коэффициент активности низкокипящего компонента возрастают значительно больше, чем высококипящего компонента, что и облегчает разделение смеси. Применяя различные разделяющие агенты и подбирая их концентрацию, можно изменять в широких пределах относительные летучести исходной смеси и соответственно распределение ее компонентов между жидкостью и паром.

Проведение процессов ректификации в присутствии разделяющих агентов является общим признаком методов экстрактивной и азеотропной ректификации. Вместе с тем эти методы существенно отличаются друг от друга. При азеотропной ректификации разделяющий агент образует азеотропную смесь с одним или несколькими компонентами исходной смеси, в виде которой он отгоняется из ректификационной колонны в качестве дистиллята. При экстрактивной ректификации разделяющий компонент должен обладать значительно меньшей относительной летучестью, чем компоненты исходной смеси, и не образовывать с ними азеотропных смесей. Этот компонент отводится из колонны с кубовым остатком.

^ Экстрактивная ректификация. На рис. 4.44 пунктиром показано влияние добавки разделяющего компонента на изменение относительной летучести компонентов бинарной смеси близкокипящих компонентов. Вследствие резкого повышения относительной летучести процесс разделения может быть осуществлен при меньшем числе ступеней разделения.

а)

б)

Рис. 4.44. Влияние добавки разделяющего компонента при экстрактивной ректификации: а – смесь близкокипящих компонентов; б – азеотропная смесь


В схеме установки для экстрактивной ректификации (рис. 4.45) исходную смесь, состоящую из компонентов ^ А+В, подают на питающую тарелку колонны 1, которая сверху орошается специально подобранным разделяющим агентом С, менее летучим, более высококипящим, чем компоненты А и В.




I


II


Рис. 4.45. Схема экстрактивной

установки для экстрактивной ректификации:

1 – экстракционно-ректификационная колонна; 2 – ректификационная колонна для разделяющего агента;

І – разделяемая смесь (А+В);

ІІ – разделяющий компонент С
Компонент В хорошо растворим в С, в то же время как компоненты А и С взаимно нерастворимы или ограниченно растворимы друг в друге.

В результате компонент С экстрагирует В (ВК исходной смеси) из жидкой и паровой фаз. Смесь В+С удаляется в виде остатка, а в дистилляте получается практически чистый компонент А. После этого смесь компонентов В+С разделяется в ректификационной колонне 2.

Из этой колонны в качестве дистиллята получают компонент ^ В, более летучий, чем С. Регенерированный разделяющий компонент С удаляется снизу колонны 2 и направляется в колонну 1 для повторного использования.

Типичным примером экстрактивной ректификации является разделение смеси бензола (компонент ^ А) и циклогексана (компонент В) с использованием фенола (компонент С) в качестве разделяющего агента. Экстрактивная ректификация проводится только непрерывным способом.

При азеотропной ректификации используется разделяющий компонент С, который образует с одним из компонентов исходной смеси (А или В) азеотропную смесь, обладающую минимальной температурой кипения. Образующаяся более летучая, чем исходная, азеотропная смесь отгоняется в качестве дистиллята, а другой практически чистый компонент удаляется в виде остатка.

Можно также подобрать разделяющий агент, образующий с одним из компонентов исходной смеси новую азеотропную смесь с максимальной температурой кипения. В этом случае новая азеотропная смесь удаляется в виде остатка, а сверху колонны отбирают дистиллят, представляющий собой практически чистый другой компонент исходной смеси.

Также можно осуществить азеотропную ректификацию с помощью разделяющего компонента, образующего азеотропные смеси с обоими компонентами. При этом отношение компонентов А и В в тройной азеотропной смеси должно быть иным, чем в исходной смеси, поступающей на разделение. В этом случае дистиллят, удаляемый из колонны, представляет собой летучую азеотропную смесь (из трех компонентов), а остаток – один из компонентов исходной смеси практически в чистом виде.

Подбор разделяющего агента производят на основе второго закона Вревского, указывающего направление изменения состава азеотропной смеси в зависимости от температуры: при повышении температуры азеотропной смеси, обладающей максимумом давления пара, в смеси увеличивается содержание того компонента, парциальная мольная теплота испарения которого больше, а для смеси с минимумом давления пара – содержание компонента, парциальная мольная теплота испарения которого меньше.

В установке (рис. 4.46), проводимой с образованием азеотропной смеси, обладающей минимумом температуры кипения, исходная смесь (А+В) поступает на питающую тарелку колонны 1, которая орошается сверху разделяющим агентом С.




Рис. 4.46. Схема установки для

азеотропной ректификации:

1 – ректификационная колонна;

2 – отстойник (сепаратор);

3 – подогреватель
Сверху колонны удаляется азеотропная смесь компонентов ^ А+С с минимальной температурой кипения (дистиллят), снизу колонны уходит компонент В (остаток). В этой схеме рассмотрен вариант образования азеотропной смеси из компонентов с резко отличающейся взаимной растворимостью при разных температурах. В этом случае компоненты А и С, находясь в жидком виде, практически взаимно нерастворимы. Поэтому дистиллят после охлаждения разделяется на А и С в отстойнике 2.

Компонент ^ А является конечным продуктом, а регенерированный компонент С после нагревания в подогревателе 3 возвращается на орошение колонны 1. В приведенной схеме в дефлегматоре колонны конденсируется лишь часть паров (А+С), необходимая для получения флегмы, а остальная часть их сжижается и охлаждается в холодильнике-конденсаторе перед поступлением в отстойник 2.

Пример разделения азеотропной смеси – этиловый спирт–вода (температура кипения ~78 ºС). В качестве разделяющего компонента используется бензол, образующий с водой и спиртом тройную азеотропную смесь с минимумом температуры кипения (~ 64,8 ºС). Остаток, удаляемой из колонны жидкости, представляет собой безводный этиловый спирт.

Процессы азеотропной ректификации проводят непрерывным и периодическим способами, причем в последнем случае разделяемый компонент полностью загружают в куб колонны вместе с исходной смесью, что упрощает схему установки.

Основной недостаток азеотропной ректификации, в сравнении с экстрактивной, – это большой расход тепла, так как при экстрактивной ректификации не требуется испарять добавляемый разделяющий компонент. По этой причине азеотропную перегонку целесообразно применять в непрерывных процессах при малом содержании НК в исходной смеси, что позволяет уменьшить расход разделяющего компонента и соответственно расход тепла на испарение.

^

4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов



Для проведения процессов ректификации применяются аппараты раз­нообразных конструкций, основные типы которых не отличаются от со­ответствующих типов абсорберов.

В ректификационных установках используют главным образом аппара­ты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификацион­ные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т.д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Одна­ко в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами — кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректи­фикационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб предназначены для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверх­ность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испа­рителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3—1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну опера­цию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насы­щенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденси­руются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре его располагают непосредственно над колонной, чтобы обеспе­чить большую компактность установки, вне габаритов колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор наверх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавли­вают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки.

В процессах ректификации наиболее широкое распространение получили барботажные колонны. Они применимы для больших производительностей, широкого диапа­зона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весь­ма четкое разделение смесей. Недо­статок барботажных аппаратов – от­носительно высокое гидравлическое сопротивление в условиях ректи­фикации не имеет такого существенного значения, как в процессах аб­сорбции, где величина р связана со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. При ректификации повышение гидрав­лического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению дав­ления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гид­равлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

В насадочных колоннах используются насадки различ­ных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротив­ление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивле­ния ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, как в абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является, скорее, достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Однако и при ректификации следует считаться с тем, что равномерное распределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра за­труднено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректифика­ционных колонн обычно не превышает 0,8–1 м.

Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь возможно большую поверх­ность в единице объема.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с уве­личением размеров ее элементов увеличивается допустимая ско­рость газа, а гидравлическое сопротивление насадочной колонны снижается. Общая стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра колонны, несмотря на то, что высота насадки несколько увеличится по сравнению с такой же в колонне, заполненной элементами насадки меньших размеров.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку.

При выборе размера насадки необходимо соблюдать условие, при котором отношение диаметра D колонны к эквивалентному диаметру dЭ насадки 10.

Пленочные аппараты. Эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры и полимеры, а также другие продукты органического синтеза).

В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлическое сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала.

К числу пленочных ректификационных ап­паратов относятся колонны с регулярной на­садкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6–20 мм (многотрубчатые колон­ны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы, изготовленной из перфорированных металли­ческих листов или металлической сетки.

Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к проч­ности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы.

В случае загрязненных сред целесообразно применять регуляр­ные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые колонны с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких колоннах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В колоннах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппара­тах (до 3–5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   19



Скачать файл (2809.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации