Уравнение массоотдачи

Ввиду сложности механизма процессов мас­соотдачи в фазах для практических целей принимают, что скорость мас­соотдачи пропорциональна движущей силе, равной разности концентра­ций в ядре и на границе фазы или (в случае обратного направления пере­носа) — разности концентраций на границе и в ядре фазы.

Соответственно, если распределяемое вещество переходит из фазы Ф_у в фазу Ф_х, то основное уравнение массоотдачи, определяющее количест­во М вещества, переносимого в единицу времени в каждой из фаз (к границе фазы или в обратном направлении), выражается следующим обра­зом:

фаза Ф_у (26)

фаза Ф_х (26а)

Входящие в эти уравнения разности концентраций у — у_гр и x_гр — х представляют собой движущую силу процесса массоотдачи соответствен­но в фазах Ф_у и Ф_х, причем у и х — средние концентрации в основной мас­се (ядре) каждой из фаз, y_гр и x_гр — концентрации у границы соответст­вующей фазы.

Коэффициенты массоотдачи в_х (в фазе Ф_х) и в_у (в фазе Ф_у) показывают, какое количество вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу поверхности в единицу времени при движущейся силе, равной единице.

Уравнение массопередачи

Основное уравне­ние массопередачи, определяющее количество М вещества, переносимого из фазы в фазу в единицу времени, выражают следующим образом:

(45)

(45а)

где у*, х* — равновесные концентрации в данной фазе, соответствующие концентра­циям распределяемого вещества в основной массе (ядре) другой фазы; K_у, К_х — коэф­фициенты массопередачи, выраженные соответственно через концентрации фаз Ф_у и Ф_х.

При такой форме записи уравнения массопередачи движущая сила процесса выражается разностью между рабочей и равновесной концентра­цией (или наоборот), отражающей меру отклонения системы от состояния равновесия.

Коэффициент массопередачи (К_у или К_х) показывает, какое количество вещества переходит из фазы в фазу за единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе массопере­дачи, равной единице.

Движущая сила процессов массопередачи.

Как и в теплопередаче, движение потоков в процессах массообмена может происходить при противотоке, прямотоке и перекрестном токе фаз. Кроме того, возможны другие, весьма разнообразные виды взаимного направления движения фаз, связанные с перемешиванием и распределе­нием потоков, в общем случае движ.силой массообменных процессов является разность концентраций между рабочей и равновесной линией.

Раздел 9. Массообменные процессы и аппараты в системах со свободной границей раздела фаз

Лекция 20 Перегонка. Схемы установок простой перегонки и с дефлегмацией. Материальный и тепловой балансы перегонки. Ректификация. Схема ректификационной установки.

Перегонка и ректификация — наиболее распространенные ме­тоды разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов. Перегонку используют для грубого разделения смесей, а для наиболее полного их разделения применяют ректификацию.

Процессы перегонки и ректификации основаны на разной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называет­ся легколетучим, а компонент, обладающий меньшей летучес­тью, — труднолетучим. Соответственно легколетучий компо­нент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий, поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами.

В результате перегонки или ректификации исходная смесь раз­деляется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденса­торе-дефлегматоре, кубовый остаток — в кубе установки.

  

Перегонка представляет собой процесс однократного частич­ного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся па­ров.

Простую перегонку можно проводить с отбором фракций, де­флегмацией, водяным паром или под вакуумом (молекулярная пе­регонка).

Простая перегонка заключается в постепенном испарении жидкости, находящейся в перегонном кубе (рис. 1). Образо­вавшиеся пары отводятся в холодильник и там конденсируются, а дистиллят собирается в сборнике. Кубовый остаток удаляется из куба после окончания процесса. Куб обогревается насыщенным водяным паром или дымовыми газами.

 

Рис. 1. Установка для простой перегонки:

1 — куб; 2 — конденсатор; 3 — сборники дистиллята

 

При испарении смеси содержание легколетучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается от максимального в начале до минимального в конце перегонки. Это позволяет получать несколько фракций дистиллятов различного состава, собирая их в разные сборники. Способ перегонки с разделением смеси на не­сколько фракций, в различной степени обогащенных летучим компонентом, называется фракционной перегонкой.

При простой перегонке образующийся пар отводится из куба и в каждый данный момент находится в равновесии с оставшейся жидкостью.

При составлении материального баланса простой перегонки допустим, что в некоторый момент времени т. в перегонном кубе находится L кг смеси с концентрацией х низкокипящего компо­нента. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dx испа­рится dL кг.

Тогда количество жидкости и ее состав меняются и составляют соответственно (L — dL) и (х— dx).

Количество образу­ющегося за этот промежуток времени пара равно уменьшению ко­личества жидкости dL, а его состав у_р является равновесным с х. Содержание летучего компонента в жидкости к началу рассматри­ваемого промежутка времени составляет Lx, а к концу — (L — dL)(x—dx).

Количество же летучего компонента, перешедшего за этот промежуток времени в пар, равно y_pdL.

Таким образом, уравнение материального баланса по летучему компоненту за рас­сматриваемый промежуток времени может быть записано так:

 Пренебрегая членом dLdx как бесконечно малой величиной второго порядка, получим

(1)

 В начальный момент перегонки количество жидкости в аппа­рате равно количеству начальной смеси F (состава x_F), а в конеч­ный момент — количеству остатка W (состава x_w). Таким образом, пределы интегрирования будут для левой части F и W, для пра­вой — x_F и x_w:

 Интегрируя левую часть, получим

(2)

 Вид функции у_р = f(х) устанавливают экспериментальным пу­тем, поэтому интегрирование правой части уравнения (2) проводят графически.

Ряд значений х в пределах от x_F до х_w находят из диаграммы у—х равновесные значения у_р. Строят зависимость от х и по размеру площади под кривой, ограниченной значениями x_F и х_w, определяют величину искомого интеграла. После этого по уравнению (2), зная количество загруженной смеси F, ее концентрацию x_F и концентрацию кубового остатка x_w, опреде­ляют количество кубового остатка W.

Средний состав дистиллята определяют из уравнения матери­ального баланса

 откуда

(3)

 

Простая перегонка с дефлегмацией(рис.2) предназначена для увеличения степени разделения исходной смеси. В этом случае пары, уходящие из перегонного куба, поступают в дефлегматор, где частично конденсируются. При частичной конденсации об­разуется флегма, обогащенная труднолетучим компонентом, ко­торая сливается обратно в куб и взаимодействует с выходящими из куба парами.

П ары, обогащенные легколетучим компонентом, поступают в конденсатор. Дистиллят собирается в сборниках. Кубовый остаток удаляют из перегонного куба после достижения заданной концен­трации Xw

Рис. 2. Установка для простой перегонки с дефлегмацией:

1 — куб; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4 — сборники

 

Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции.

Рис. 1 – Принципиальная схема ректификационной установки:

1 – емкость исходной смеси; 2,9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 –емкость кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава x_D, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения—дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в емкость 11.

Лекция 21 Материальный и тепловой балансы непрерывной ректификации. Анализ работы укрепляющей и исчерпывающей секции колонны.

Для ректификации обычно используют колонные аппараты, называемые ректификационными колоннами, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз.

Ректификационные колонны классифицируются по следующим признакам:

1. По способу контактирования:

1. противоточные;

2. прямоточные;

3. перекрестноточные.

2. По виду смеси:

1. простые;

2. сложные.

3. По конструкции:

1. полные;

2. не полные:

- укрепляющие (не имеют кубовую часть), в которых сырье вводится на нижнюю тарелку;

- отгонные (не имеющие укрепляющую часть), в которые сырье вводится на верхнюю тарелку.

4. По типу контактных устройств:

1. тарельчатые;

2. насадочные;

3. пленочные.

5. По давлению:

1. атмосферные (Р=101325 Па, t=150 ^оС);

2. вакуумные (Р=7 кПа, t= 500 ^оС);

3. под избыточным давлением (Р=101325 Па, t – пониженная).

Движущая сила ректификации - разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верхней части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими температурами кипения, например сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения).

Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически.

Д ля непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней - укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК).

При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара.

Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.