56) Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам.

где температура греющего пара в первом корпусе, температура вторичного пара, поступающего в барометрическую камеру.

Величина небольшая, обычно, ее не рассчитывают, принимают для каждого аппарата ~ 1-1.5⁰C.

распределяют между выпарными аппаратами различными способами.

1 способ.

Поверхности теплопередачи по корпусам равны:

2 способ. Суммарная поверхность теплообмена корпусов установки минимальна.

1способ.

в корпусе

2 способ.для любого n-го корпуса:

9………….. Кинетика абсорбции.

Физическая абсорбция. Скорость физической абсорбции определяется уравнением, если движущую силу выражают в концентрациях газовой фазы:

Если движущую силу выразить в концентрациях жидкой фазы, то уравнение массопередачи имеет вид:

Коэффициенты массопередачи определяются:

В хорошо растворённых газах m незначительно, и мало сопротивление в жидкой фазе, т.е. велика, тогда и можно принять . Для плохо растворимых газов велики и . Для процесса абсорбции в уравнение массопередачи (5.92) молярные концентрации газовой фазы может быть заменены парциальными давлениями газа, выраженными в долях общего давления:

Здесь - средняя движущая сила процесса, выраженная в единицах давления; - коэффициент массопередачи, отнес.к единице движущей силы, выражаемой через парциальные давления поглощаемого газа.

Если равновесная линия прямая, то для получим:

Здесь - соответственно, парциальные давления газа на входе в аппарат и выходе из него; - равновесные парциальные давления газа на входе в аппарат и на выходе из него.

Если парциальное давление выражено в долях общего давления р, то коэффициент массопередачи численно равны, если парциальные давления выражены в единицах давления, то .

Хемосорбция. Если химическая реакция идет в жидкой фазе, то часть газообразного компонента переходит в связанное состояние. При этом концентрация свободного компонента в жидкости снижается и увеличивается движущая сила процесса.

В общем случае скорость хемосорбции зависит как от скорости химической реакции, так и от скорости массопередачи между фазами. В зависимости от того, какая скорость определяет общую скорость переноса массы, различают кинетическую и диффузионную области процессов хемосорбции.

В кинетической области скорость собственно химического взаимодействия меньше скорости массопереноса и поэтому лимитирует скорость всего процесса. В диффузионной области лимитирующей стадией является скорость диффузии компонентов в зоне реакции, которая зависит от гидродинамических условий в системе и определяется по основному уравнению массопередачи.

Если скорости химической реакции и массопередачи соизмеримы, то такие процессы абсорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической области.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании химической реакции можно определить:

где Ф – фактор ускорения массообмена, .

48……………… Перегонка жидкостей.

Перегонкой называется процесс разделения жидких смесей с различной летучестью компонентов за счет их частичного испарения с последующей конденсацией паров. Разделению могут подвергаться как двух-, так и

многокомпонентные смеси. Компоненты можно подразделить по летучести на легколетучийи труднолетучий. Чистый легколетучий компонент обладает при фиксированной температуре более высоким давлением насыщенного пара, а при фиксированном давлении более низкой температурой кипения, чем

труднолетучий. Поэтому легколетучий компонент также называют низкокипящим, а труднолетучий - высококипящим. В простейшем случае бинарной (двухкомпонентной) смеси доля легколетучего компонента в

условиях равновесия в паре выше чем в жидкости, а труднолетучего наоборот в паре ниже чем в жидкости (за исключением азеотропных смесей, о чем будет сказано особо).

Суть перегонки состоит в том, что в результате в паре, а после его конденсации в дистилляте увеличивается доля легколетучих компонентов, в жидкости же (кубовом остатке) увеличивается доля труднолетучих компонентов по сравнению с исходной смесью.

С помощью перегонки имеет смысл разделять гомогенные жидкие смеси. Гетерогенные жидкие системы с взаимно нерастворимыми компонентами (например, керосин-вода) дешевле разделять с помощью таких гидромеханических процессов как отстаивание или центрифугирование.

Недостатком перегонки является большой расход энергии, необходимый для испарения жидкости. Перегонка подразделяется на простую перегонку (дистилляцию) и ректификацию. Простая перегонка (дистилляция) -

разделение жидких смесей за счет их однократного частичного испарения и конденсации образующихся паров. Ректификация - разделение жидких смесей за счет многократного частичного испарения и конденсации паров, при котором жидкая и паровая фаза обмениваются компонентами.

Простую перегонку применяют, в основном, для разделения смесей компонентов существенно различающихся по летучести. С этой точки зрения она занимает промежуточное положение между выпариванием, служащим для концентрирования практически нелетучих веществ в жидких летучих растворителях, и ректификацией, с помощью которой можно разделять компоненты достаточно близкие по летучести. С помощью ректификации

можно достичь сколь угодно высокой степени разделения неазеотропных смесей.

Равновесие в системе жидкость-пар. Закон Рауля

В общем случае жидкая смесь может состоять из нескольких компонентов. В простейшем случае- из двух, например из компонентов А и В. Характер поведения жидкой смеси зависит главным образом от природы составляющих ее веществ и давления.

Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т. е. при данной температуре давление соответствующего компонента возрастает пропорционально его содержанию в жидкой смеси (закон Рауля):

Закон Рауля справедлив и для газов с температурой ниже критической (т. е. такой температуры, выше которой газ при увеличении давления не сжижается).

50………….Периодическая ректификация.

Периодические ректификационные установки применяют, как правило в тех случаях, когда использование непрерывно действующих установок нецелесообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определённое время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Последний случай специфичен для гибких технологических процессов, в которых спектр получаемых продуктов весьма разнообразен.

Рассмотрим один из возможных вариантов установки для проведения периодической ректификации. Исходную смесь периодически загружают в куб – кипятильник 1, снабжённый подогревателем 2, в который подаётся теплоноситель, например насыщенный водяной пар. Исходную смесь доводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне 3, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью, поступающей из дефлегматора 4. Часть конденсата после делителя потока возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть – дистиллят Р – через холодильник 6 собирается в сборниках 7 в виде отдельных фракций. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут заданный средний состав дистиллята. Таким образом колонна 3 является аналогом укрепляющей части колоны непрерывного действия, а куб выполняет роль исчерпывающей части.

Рис.5 Схема установки для проведения периодической ректификации:

1 – куб – кипятильник; 2 – подогреватель; 3 – ректификационная колонна; 4 – дефлегматор; 5 – делитель потока; 6 – холодильник; 7 – сборники

Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами: 1) при постоянном составе дистиллята, 2) при постоянном флегмовом числе

В первом случае количество флегмы по мере уменьшения содержания легколетучего компонента в кубе должно постепенно возрастать. В промышленных условиях установки для проведения такого процесса необходимо оснащать управляющими автоматизированными системами, способными осуществлять непрерывное и строго программированное изменение питания колонны флегмой и подачи теплоносителя в испаритель. Изменение основных расходных параметров можно проводить, например, по данным о качественном составе легколетучего компонента либо в кубовой жидкости, либо в дистилляте.

Расчет процесса этого варианта работы периодической ректификации сводится к определению интервала изменений флегмового числа и основных размеров ректификационной колонны.

В случае проведения периодической ректификации при постоянном флегмовом числе состав получаемого дистиллята изменяется во времени. Этот способ более широко применяется в производственных условиях. При этом, как правило, проводят так называемую фракционную перегонку, когда получаемый дистиллят собирают по фракциям определённого состава в отдельные сборники

46…………….. Экстрактивная ректификация

Ректификация жидких смесей с использованием разделяющего агента, получившая название э к с т р а к т и в н о й ректификации, осуществляется по схеме, приведенной на рис. 11-12, а. Установка состоит из двух обычных ректификационных колонн, в первую из которых на одну из верхних тарелок укрепляющей части вводится поток разделяющего агента. Последний растворяется в стекающем потоке флегмы, повышает относительную летучесть и, следовательно, интенсивность отгонки низкокипящего компонента, увлекая вниз, как бы э к с т р а г и р у я из паровой фазы высококипящий компонент. Кубовая жидкость первой колонны, представляющая собою смесь разделяющего агента и высококипящего компонента исходной смеси, р е к т и ф и ц и р у е т с я во второй колонне, откуда дистиллят (высококипящий компонент исходной смеси) отводится по назначению, а кубовый остаток (регенерированный разделяющий агент) возвращается на повторное использование в первую колонну.

Для определения требуемого числа теоретических тарелок удобно пользоваться, как и в предыдущих случаях, диаграммой фазового равновесия х-у, построенной в относительных концентрациях компонентов разделяемой смеси, т.е. без учета присутствия разделяющего агента в жидкой фазе (его концентрация в паровой фазе практически равна нулю). Тогда сохраняются приведенные выше уравнения и способы построения рабочих линий укрепляющей и исчерпывающей колонн. Необходимо только учесть, что в исчерпывающей колонне благодаря вводу исходной смеси концентрация разделяющего агента ниже, чем в укрепляющей колонне. Так как относительная летучесть компонентов разделяемой смеси падает с уменьшением концентрации разделяющего агента в жидкой фазе, то участок кривой равновесия в зоне исчерпывающей колонны скачкообразно приблизится к диагонали (рис. 11-12, б).

Рис. 11-12. Экстрактивная ректификация:

а – схема установки: 1, 2 – ректификационные колонны; 3 – вход исходной смеси; 4 – вход разделяющего агента; 5 – насос для подачи регенерированного разделяющего агента; б – к расчету числа теоретических тарелок.

Азеотропная ректификация. Ректификация гомоазеотропных смесей

В первой колонне, работающей при большем давлении р1_ъсмесь состава х 1_хможет быть, очевидно, разделена на практически чистый высококипящий компонентВ(кубовый оста­ток) и дистиллят, близкий по составу к азеотропной смеси с кон­центрацией х'_п. Если перевести полученный дистиллят во вторую колонну, работающую при более низком давлении р₂, то получим в кубовом остатке практически чистый низкокипящий компонент А.Второй дистиллят присоединяют к потоку исходной смеси (рис. 11-14).В случае смеси с отрицательным гомоазеотропом (рис. 11-14 ) исходная смесь должна быть подана в колонну, работающую под давлением р1 _ъгде она будет разделенана практически чистый низкокипящии компонентА(в дистилляте) и кубовый остаток с концентрацией, близкой к х'_о. Последний поступает во вторую колонну, работающую под давлением р₂, где он разделяется на практически чистый высококипящий компо­нент В и кубовый остаток с концентрацией, близкой к х'о, который направляется вместе с исходной смесью в первую колонну.

Рис. 11-14. Разделение гомоазеотропных смесей в двухколонной ректификационной установке:

а — кривые равновесии бинарных смесей при давлениях р1 и р2: 1, 2 - с положительным гомоазеотропом; 3, 4 - с отрицательным гомоазеотропом; б - установка для разделения смеси с положительным гомоазеотропом; в - установка для разделения смеси с отрицательным гомоазеотропом:1, 2 - ректификационные колонны; З - вход исходной смеси; 4 - первый дистиллят; 5 - второй дистиллят; А - низкокипящий компонент; В - высококипящий компонент.

Рассмотрим процесс разделения азеотропной смеси этанол-вода на практически чистые компоненты.

Установка состоит из трех колонн: азеотропной, отгонной и укрепляющей (рис. 11-15). Из азеотропной колонны, куда поступают исходная смесь и бензол, отводятся в виде дистиллята упомянутый тройной азеотроп (7,4% Н20; 18,5% С2Н5ОН; 74,1% С6Н6), уносящий практически всю воду, и безводный спирт (в виде кубового остатка). Выходящий из конденсатора дистиллят, охлажденiтый до 20 °С, образует в отстойнике два равновесных жидких слоя, из которых верхний, содержащий 1 % Н20, 14,5% С2Н5ОН и 84,5% С6Н6, образует флегму азеотропной колонны. Нижний слой, содержащий 36% Н2О, 53% C2Н5ОН и 11% С6Н6, направляется в отгонную колонну, дистиллят которой (67,6% С6Н6 и 32,4% С2Н5ОН) присоединяется к дистилляту азеотропной колонны, а кубовый остаток (слабый раствор С2Н5ОН) поступает на тарелку питания укрепляющей колонны. Кубовый остаток последней представляет собой практически воду, а дистиллят, имея состав, близкий к гомоазеотропу (95,6% С2Н5ОН + 4,4% Н2О), добавляется к исходной смеси.

Рис. 11-15. Схема установки для азеотропной ректификации смеси этанол-вода:

1 – азеотропная колонна; 2 – отгонная колонна; 3 – укрепляющая колонна; 4 – вход исходной азетропной смеси; 5 – выход этанола; 6 – выход воды; 7 – отстойник.

Ректификация гетероазеотропных смесей

Жидкие смеси, состоящие из компонентов с ограниченной взаимной растворимостью и образующие в известных условиях гетероазеотропы, бывают двух видов: э в т е к т и ч е с к и е и не э в т е к т и ч е с к и е. К первому виду относятся смеси, у которых состав пара Уэ, равновесного сосуществующим жидким фазам Ха и Хb, находится в интервале Хa<Yэ <Хb (рис. 11-16, а). У смесей второго вида состав равновесного пара находится за пределами этого интервала, т. е. Yэ > Хa и Уэ> Хb. Так как в парах смесей второго типа концентрация низкокипящего компонента всегда больше, чем в равновесных жидких фазах, то разделение таких смесей возможно в обычной ректификационной колонне с подачей обеих жидких фаз на разные тарелки (рис. 11-16, б). При этом низкокипящий компонент отводится с дистиллятом, а вышекипящий — с кубовым остатком. Напомним, что температура кипения смесей второго типа находится в интервале между точками кипения их компонентов. Кривая равновесия имеет вид ОАВD (рис. 11-16, а). Рабочие линии строятся известным уже методом, но с учетом того, что количество стекающей флегмы изменяется дважды по высоте колонны: после ввода исходных смесей с концентрациями Х`b и Хa.

Разделение смеси эвтектического типа в самом общем случае производится в двухколонной установке, принципиальная схема которой показана на рис. 11-16, в. Смеси данного типа расслаиваются в интервале концентраций от Хa до Хb(рис. 11-16, а), оставаясь гомогенными в пределах концентраций от 0 до Хa и от Хb до 1. Однако в первой из этих двух областей пар богаче, а во второй — беднее жидкой фазы низкокипящим компонентом, что и диктует необходимость установки двух колонн. Пары обеих колонн имеют, очевидно, одинаковую концентрацию низкокипящего компонента, равную в.пределе Yэ. Часть этих паров (дистиллятов) после конденсации возвращается в колонны на их орошение (возврат флегмы), а другая часть направляется в отстойник, где после охлаждения до требуемой температуры расслаивается. Нижний слой, более бедный низкокипящим компонентом, присоединяется к потоку исходной смеси состава Х1, поступающему в первую колонну. Верхний слой, более богатый низкокипящим компонентом, направляется во вторую колонну. Кубовые остатки, содержащие преимущественно высоко- и низкокипящий компоненты, отводятся соответственно из первой и второй колонн. Метод построения рабочих линий процесса и определения требуемых количеств теоретических тарелок остается тот же, как при обычной ректификации (рис. 11-16, а) применительно к эвтектической смеси.

Рис. 11-16. Ректификация гетероазеотропных смесей:а – диаграмма равновесия; б – схема установки для разделения неэвтектических смесей; в – схема установки для разделения эвтектической смеси.

10......)Классификация и конструкция выпарных установок.

Выпарная установка, состоящая из одного выпарного аппарата, называется однокорпусной (рис.4.29).

Выпарная установка, состоящая из 2 или более выпарных аппаратов, называется многокорпусной. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и.т.д.

Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки, в основном, работают в непрерывном режиме.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.