2. Использованиекипениясмесейвеществ

Помиморанееописанныхпараметровсостояниясмесьразныхвеществхарактеризуетсятакжевеличинамиконцентрациикаждогоизкомпонентов.Массоваяконцентрацияопределяется,какх=m_i/mсм,гдеm_i–массаi-гоком-понента;m_см–массасмеси.

Количествостепенейсвободыпараметровсостоянияопределяетсяпра-

виломфазГиббса

N z f 2,

(30)

гдеN–числостепенейсвободы;z–числокомпонентовсмеси;f–количествофаз.

Например,длячистоговещества(рис.2.4)вточке1N

11 2

2–то

естьдлятогочтобызадатьт.1однозначнонужнозадать2параметрасостояния.

Дляточки2N

1 2 2

1.Следовательно,дляопределенияположенияточки

напограничнойкривойнеобходимознаниеодногопараметрасостояния.

Вхолодильнойтехникенаибольшеераспространениеимеютбинарные,тоестьдвухкомпонентныесмеси.ВзонеполнойрастворимостикомпонентовсмесисвязьихтермодинамическихпараметровможетбытьотраженавТ–хилиi– хдиаграммах(рис. 2.8).

^а) б)

_Т i

р₃

^{4 2} 4п ^р2

2ж ₃

3ж

1

3п ^р2

1п _4ж

2ж5

р₁

х

² 3п

3

3ж

1

р₂

р₃

1п

^р₁ 5п

5ж

р₁

х

₀^х₃^' х₁

х₃''

_{1 0х3}'

х₁ ^х₃^'' ₁

Рис.2.8.Т-х,i -хдиаграммыдлябинарныхсмесей.

Здесьх–массоваяилимольнаяконцентрациясмесиполегкокипящемукомпоненту.Например,дляводоаммиачнойсмеси(Н₂О+NH₃)легкокипящимкомпонентомбудетаммиак,которыйприатмосферномдавлениикипитпритемпературе-33,6ºС.Надиаграммахжирнымилинияминанесенылиниифазо-выхпереходовдлядавлениясмесир₁.Верхняялиния–линиянасыщенногопа-ра,нижняя–линиянасыщеннойжидкости.Состояниесмесимеждуними–

влажныйпар.Нижелиниинасыщеннойжидкостисмесьнаходитсявсостояниипереохлажденнойжидкости,авышелиниинасыщенногопаравсостояниипе-регретогопара.Длядругихвеличиндавлениянадиаграмменаносятсясвоили-ниифазовыхпереходов.Причемздесьр_1<р_2<р₃.Такимобразом,длятогочтобыузнать,какоесостояниевеществавконкретнойточкедиаграммы,например,вточке1,необходимознатьвеличинудавлениявеществавэтойточ-ке.Так,длядавленияр_1этобудетнасыщеннаяжидкость,адлядавленияр_2пе-реохлажденнаяжидкость.

Фазовыйпереходдлячистоговещества(прих=0их=1)происходитприпостояннойтемпературе.ВТ–хдиаграммеэтипроцессывыражаютсяточка-ми,соответственно,4и5.Дляводоаммиачнойсмесиприатмосферномдавле-нииТ₄₌100ºСиТ₅₌-33,6ºС.Длясмесифазовыйпереходпроисходитприпеременнойтемпературе.Например,дляконцентрациих_{1процесс}парообразо-вания1-2.

Равновесноесостояниепараижидкостивпроцессефазовогопереходахарактеризуетсяравенствомихтемператур.Поэтомупарижидкость,находя-щиесявравновесии,надиаграммахнаходятсянананесенныхпунктирамиизо-термах.Изотермывi–хдиаграмменаклонныелинии,причем,наклонменяетсявразныхобластях–отмаксимальноговсреднейчастидиаграммы,довертика-лейприх=0их=1.Каквидноиздиаграмм,концентрациях''впаровойфазевыше,чемвравновеснойжидкостнойфазех'.Тоестьвпаресодержитсяболь-шелегкокипящегокомпонента,чемвжидкости.Этослужитосновойдлямето-довразделениясмесейнасоставляющиеихкомпоненты,таких,каквозгонкаиректификация.

Еслидавлениенасыщенногопаранадчистойжидкостьюзависиттолькооттемпературыжидкости,тодлясмесейимеетзначениеиеесостав.Такаяза-

висимостьустанавливаетсязакономРауля–«парциальноедавлениепарадан-ногокомпонентаp_iнадрастворомравнодавлениюнасыщенногопаранадчи-стымвеществомданногокомпонентаp''притемпературесмеси,умноженномунамольнуюконцентрацию этогокомпонентаψвжидкойфазе»

p_i=p''·ψ. (31)

Тепловыепотоки,изобарно подведенныеилиотведенныевтеплооб-

менникаххолодильноймашины,использующейвкачестверабочеготелаби-нарныйраствор,могутбытьрассчитаныкакразностьэнтальпийсостоянийве-ществавначалеиконцепроцесса.Вi–хдиаграммеэтипотокиотобразятсяотрезками.Например,отрезок5ж-5потображаеттеплотупарообразованиялег-кокипящегокомпонента,аотрезок1-2теплотупарообразованиясмесискон-центрациейх₁.

Способыразделения смесей

Разделениесмесейвеществможновыполнитьметодамифракционногоиспарения,фракционнойконденсациииректификации.Фракционноеиспаре-ниеможеттолькоувеличитьконцентрациюкомпонентоввразделяемыхчастях,нонеможетосуществитьполноеразделениесмеси.Оноприменимотолькодля

смесей,компонентыкоторыхприодномитомжедавленииимеютбольшоеразличиевтемпературахкипения.Фракционнаяконденсацияпроцессобрат-ныйфракционномуиспарению.Схемафракционногоиспаренияифракционнойконденсациидананарис.2.9.

Привозгонкеваппаратнаразделениеподаетсяжидкаяфазасмеси,напримерсмесьвсостояниит.1(рис.2.8).За счетподводатеплаq_готгреющейсреды(Гр.С)происходиткипениесмеси(процесс1-3) иобразовавшиесяпотокинасыщенногопара(т.3п)инасыщеннойжидкости(т.3ж)отводятсяизаппарата.Вхолодильныхмашинахфракционноеиспарениеприменяют, например,дляразделенияводоаммиачнойсмеси.

а)

q_г

Гр.С

х₃''

х₁'

х₃'

б)q_к

Охл.С.

х₁''

х

х₃''

₃'

Рис.2.9.Схемыпроцессов:а)фракционноеиспарение;

б)фракционнаяконденсация.

Прифракционнойконденсации,напро-

q_к

Охл.С.

М;х_м

q_г

Гр.С

.

D

Т

^дМ_д;х_д

К

М_к;х_кТк

тив,ваппаратнаразделениеподаетсяпароваяфазасмеси,котораяконденсируется(процесс2-3)сотводомтеплаq_{кохлаждающей}среде(Охл.С).Образовавшиесяпотокинасыщенногопара(т.3п)инасыщеннойжидкости(т.3ж)от-водятсяизаппарата.Фракционнуюконденса-циюприменяют,например,дляудаленияво-дяногопараизприродногогаза.

Ректификациясмесейнаходитзначи-тельнобольшеераспространение.Онаприме-няетсядляразделениявоздуханасоставляю-щие:азот,кислород,аргониксенон;дляраз-делениясмесейвхимическойпромышленно-стиирядедругихотрасляхипроизводствах.Сущностьпроцессаректификациизаключает-сяворганизациимногократныхпроцессовфракционногоиспаренияифракционнойкон-денсации.Процесспроисходитвтепломассо-обменномаппарате,которыйназываетсярек-тификационнаяколонна(рис.2.10).

Рис.2.10.Схемаректи-

фикационнойколонны

Ректификационнаяколоннасостоитиз

трехчастей.НижняячастьКноситназваниекуб;верхняячастьD–дефлегматориликон-

денсатор.Средняячасть–колонна,можетиметьтарельчатуюилинасадочнуюконструкцию.Обычновсетричастиконструктивнообъединяютвединыйап-парат,ноприбольшихразмерахчастейректификационнойколонныонимогутбытьисамостоятельнымиаппаратами.

Вкубеподвоздействиемтеплотыq_{ггреющей}средыГр.Спроисходиткипениекубовойжидкостисобразованиемпаров,которыеподнимаютсявверхпоколонне.Вдефлегматорепроисходитконденсацияпаров,собразованиемжидкости,котораяноситназываниефлегма.ФлегмачастичнособираетсявкарманахдефлегматораивыводитсяизаппаратаввидепотокаМ_д,ачастичностекаетвнизпоколонне.ТемператураТ_дидавлениесредывдефлегматорени-же,чемтемператураТ_кидавлениевкубе.Температураидавлениепотоков,движущихсявверхивнизпоколонне,изменяютсяпосечениям.Аименно,снижаютсяприпереходеотнижнихсеченийкверхним.

Междупотокомпараипотокомфлегмыповсейвысотеколонныидетпроцесстепломассообмена.Помередвиженияпаравверхизнегопостоянноконденсируетсякомпонентсболеевысокойтемпературойкипения,иконден-сатприсоединяетсякфлегме,аконцентрацияоставшегосяпараувеличиваетсяпокомпоненту,кипящемуприболеенизкойтемпературе(легкокипящему).Придвижениифлегмывнизизнеенепрерывноидетвыпариваниелегкокипящегокомпонента,причемпарприсоединяетсякпаруидущемувверх,аконцентрацияфлегмыувеличиваетсяпокомпонентусболеевысокойтемпературойкипения.

Поток,подлежащийразделениюсмесиМ,направляетсявтосечениеколонны,гдеконцентрацияфлегмысоответствуетконцентрациих_м.ПотокипродуктовразделениявыводятсяизкармановдефлегматораМ_дсконцентраци-ейх_диизкубаМ_ксконцентрациейх_к.

Ректификациейможнополучитьпрактическилюбуюзаданнуювеличи-

нуконцентрациипродуктовразделения.Этодостигаетсяподборомвысотыко-лонны.Длядостижениявысокихзначенийконцентрацийкомпонентовможетбытьпримененадвойнаяилитройнаяректификация.

Длясозданияэффективноготепломассообменамеждупарамиифлег-мойвколоннетребуетсяорганизоватьбольшуюповерхностьихконтакта.Это

достигаетсяразмещениемвнутриколонныспециальныхтарелокилинасадки.Тарелки

могутиметьколпачковуюилиситчатуюкон-струкцию.Вхолодильнойтехникеприменя-ются,главнымобразом,ситчатыетарелки.Рассмотримпроцессы, происходящиенатакой

тарелке (рис.2.11).

Ситчатаятарелкапредставляетсобойситоизметаллическоголистасмаленькимиотверстиями,снабженноепереливнымстака-ном.Флегматечетвниз,переливаясьчерез

порогипереливных стаканов. Уровеньфлегмы

Рис.2.11.Схемапроцес-

совнаситчатойтарелке

натарелкахопределяетсявысотойпорогов.Парыдвижутсявверх,преодолеваяподдей-

ствиемперепададавлениясопротивленияотверстий,азатемпузырькивсплы-ваютнаповерхностьчерезслойфлегмы.Засчетэтогообразуетсябольшаятеп-ломассообменнаяповерхность.Накаждойтарелкеодновременноидетпроцессфракционногоиспаренияифракционнойконденсации.Придостаточноболь-шомчислетарелокможнообеспечитьзаданнуючистотуразделениясмеси.

Внасадочныхколоннахвместотарелокиспользуетсянасадкаиздроб-леногобазальтаиликолецРашига.

Азеотропныесмеси

_а) б)

Т _Т

х ^х

⁰ х_а 1

0 _ха 1

Рис.2.12.Т– х диаграммыдляазеотропныхсмесей

УсмесейрядавеществвТ-хдиаграммепроисходитсмыканиелинийнасыщенногопараинасыщеннойжидкости.Такоесмыканиепроисходитвточ-кеминимальнойтемпературы(рис.2.12а)налиниинасыщеннойжидкостиилиточкемаксимальнойтемпературыналиниинасыщенногопара(рис.2.12б).Смесьсконцентрацией,соответствующейтакойточке,называетсяазеотроп-ной.Азеотропныесмеси,какправило,образуютсяувеществ,имеющихполяр-ныегруппыиспособныхобразовыватьмеждуполярнымигруппамиводород-ныесвязи.

Вслучаеесличислополярныхгруппсмесиимеющихположительныйиотрицательныйзарядравнопроисходитполноезамещениеводородныхсвязейисмесьведетсебякакчистоевещество,тоестькипитиконденсируетсяприпостояннойтемпературе.Такиесмесинемогутбытьразделеныректификацией.Примеромтакойсмесиявляется96% растворэтиловогоспиртаиводы.

Азеотропныесмесинаходятприменениевкачестверабочихвеществ–хладонов,дляпарокомпрессионныхмашин.Хладоны,маркировкакоторыхначинаетсяс500– этоазеотропныесмеси, напримерR500,R501, R502.

Абсорбционная холодильнаямашина

Вабсорбционнойхолодильноймашине(АХМ)вкачествехолодильногоагентаиспользуетсябинарнаясмесь,обычноводоаммиачныйраствор

(Н₂О+NH₃),либоводныйрастворбромистоголития(LiBr+Н₂О).АХМтакже,какиПЭХМ,являютсятеплоиспользующейхолодильноймашиной.Вкачествеисточникаэнергиионаиспользуеттепловыепотокистемпературойнениже170ºС.Этообычнобросовыеисточникитепла:отработанныйводянойпар,ды-могарныегазыит.д.

СхемаАХМпредставленанарис.2.13.ДляпростотыизложенияздесьрассматриваетсясхемаводоаммиачнойАХМ.

Водоаммиачнаясмесь,котораяимеетназваниекрепкийраствор, кипитвгенератореГподдействиемподводимогоотгреющейсредыГр.Степлаq_г.Врезультатекипенияобразуютсяпарысвысокойконцентрациейаммиакаине-большойпримесьюводяныхпаров.ЗначительнаячастьэтихводяныхпаровконденсируетсявдефлегматореД,засчетотводатепладефлегмацииq_дохла-ждающейсредойО.С,исливаетсяобратновконденсатор.

Обычнодефлегматорконструктивнообъединяютсгенераторомведи-ныйаппарат.

q_д

Д

О.С.

q_г

П.Дв

S

К.М

К

q_к

О.С.

Гр.С

Н

Г

q_а

О.С.

ДР2

А

q_o

Х.И. _И

ДР1

Рис.2.13.Схемаабсорбционнойхолодильноймашины.

ПарыаммиаканаправляютсявконденсаторК,гдеконденсируютсясотводомтеплаконденсацииq_к.ЖидкийаммиакдросселируетсяввентилеДР1ипоступаетвиспаритель.Виспарителеаммиаккипитсотводомтеплотыq_0отхолодногоисточникаХ.И–потребителяхолода.

Образующиесявиспарителепарыпоступаютваппарат,которыйназы-ваетсяабсорберА.Образовавшийсявгенераторепослевыпариванияслабыйраствор,спониженнойконцентрациейаммиака,выводитсяизгенератора,

дросселируетсяввентилеДР2итакжепоступаетвабсорбер.Вабсорберепро-исходитабсорбция(поглощение)слабымрастворомпароваммиакасобразова-ниемкрепкогораствора.Дляувеличенияплощадиконтактапарасрастворомслабыйрастворразбрызгиваютфорсункамиилидругимитехническимиустрой-ствами.Теплоабсорбцииq_{аотводится}охлаждающейсредой.Вкачествеохла-

ждающейсреды,какправило,выступаютатмосферныйвоздухиливодныеис-точники.

КрепкийрастворизабсорберанасосомНподаетсявгенератор.

Ваппаратахитрубопроводахсхемыподдерживаетсядвауровнядавле-ния–вышенасосаНидроссельныхвентилейДР1иДР2давлениеконденса-цииаммиакавконденсатореР_к,анижедавлениекипениявиспарителеР₀.

ЕслисхемуАХМрассечьпоштрихпунктирнойлинииилевуючастьдо-

полнитьпаровымдвигателемП.Дв,аправуюкомпрессоромК.М,товидно,чтосхемаусловнымобразомвключаетвсебяпаровуюмашинудляполученияра-ботыипарокомпрессионнуюхолодильную машину.