книги из ГПНТБ / Ванюков, А. В. Теория пирометаллургических процессов учеб. пособие

Ректификация — это многократная перегонка. В рек­ тификационных установках используют главным образом насадочные и тарельчатые ректификационные колонны, реже — пленочные и роторные. Рассмотрим устройство ректификационной установки на примере тарельчатой (барботажной) колонны (рис. 197). Барботажная колон­ на представляет собой вертикальную трубу, разделен­ ную через определенные промежутки горизонтальными перегородками — тарелками. Тарелки могут быть раз­ личных конструкций. Назначение их заключается в том, чтобы осуществить направленное движение расплава и пара с многократным взаимодействием между ними и сделать более развитой величину межфазной поверхно­ сти. Расплав по колонне движется сверху вниз, перете­ кая с вышележащих тарелок на нижележащие. На каж­ дой тарелке имеется слой расплава. Пар движется снизу вверх, барботируя на каждой тарелке через слой рас­ плава.

Внижней части установки имеется кипятильник или куб, предназначенный для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны.

Вверхней части находится дефлегматор, предназна­ ченный для конденсации паров и подачи части конденса­ та в виде орошения (флегмы) в колонну.

Внепрерывно работающих колоннах исходная смесь подается в среднюю по высоте часть колонны на так на­ зываемую питающую тарелку. Питающая тарелка де­ лит колонну на две части: верхнюю — укрепляющую, ко­ торая должна обеспечить возможно больше укрепление паров, т. е. обогащение их низкокипящим компонентом и нижнюю — исчерпывающую, назначение которой исчер­ пать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость близкая по составу и чистому высококипящему компоненту. Из верхней части колонны отбирается низкокипящий компонент — верхний продукт или ректифи­ кат. Из куба отбирается высококипящий компонент или

добно верхней части непрерывно действующей колонны,

для укрепления паров, а куб играет роль исчерпываю­ щей части.

В отличие от барботажных колонн насадочные ко­ лонны представляют собой вертикальные трубы за­ полненные насадкой (кольцами, кольцами с перегород­ ками, решетками и т. д.). Назначение насадки увеличить площадь контакта фаз. Расплав в такой колонне, смачи­ вая насадку, стекает в виде тонкой пленки по телам на-

При ректификации происходит обмен компонентами между фазами, так что пар обогащается низкокипящими

данным. Положение рабочей линии, изображающей дей­ ствительные концентрации, определяют по материально­ му балансу колонны. Основное уравнение имеет следую­ щий вид:

Весьма важное понятие ректификации — флегмовое число, представляющее собой отношение количества

флегмы к количеству дистиллята ^R = - ^ - j . При введе­

нии флегмового числа в уравнение (XI11.34) получим формулу для рабочей линии укрепляющей части колонны:

При этом делают допущение, что состав пара и со­ став дистиллята одинаков. При заданном составе ди­ стиллята положение рабочей линии зависит только от флегмового числа, т. е. отрезок, отсекаемый по оси у,

линия совпадает с диагональю диаграммы. По мере уве­ личения отбора дистиллята флегмовое число уменьшает­ ся, рабочая линия вращается по часовой стрелке. Однако уменьшение флегмового числа возможно лишь до не­ которого предела, пока движущая сила процесса ( у * —у ) не обратится в нуль. Положение рабочей линии при этом

флегмовое число должно находиться в пределах R mщ и Reo. Рациональный выбор флегмового числа весьма ва­ жен, так как оно определяет размеры аппарата и расход тепла. Следовательно, от величины R зависят капиталь­ ные затраты и эксплуатационные расходы на ректифи­ кацию.

При Технико-экономических расчетах вводят коэффи­ циент избытка флегмы, равный отношению действитель­ ного флегмового числа к минимальному

соответственно жидкой и паровой фаз, т — коэффициент распределения компонента между фазами.

Одна из основных задач расчета колонного массообмениого аппарата — определение его высоты. Высоту можно найти по уравнению

а— удельная поверхность единицы объема насад­ ки, м2/м3.

Величина ------- имеет размерность высоты и назы-

Высоты единиц переноса связаны с высотами единиц пе­ реноса в фазах соотношением:

ражают лишь различную количественную меру интенсив­ ности массопередачи и связаны между собой.

Для определения высоты Н в аппаратах со ступенча­ тым контактом число ступеней определяется аналити­ ческим и графическим методами. До последнего вре­ мени пользовались методами, основанными на понятии о теоретической ступени изменения концентрации или теоретической тарелке. Ступенью изменения концентра­ ции или теоретической тарелкой называется мысленно

выделяемый участок аппарата, в котором жидкость пол­ ностью перемешивается, а концентрация на входе в та­ релку равна равновесной концентрации на выходе из предыдущей тарелки.

Число теоретических тарелок может быть определено графическим способом (рис. 199). Пусть концентрация на первой тарелке Х\ (точка « а » на рабочей линии).

Равновесная концентрация компонента в паровой фазе

на вторую тарелку (точка «с» па рабочей линии) равна У\. Ступенька a b c изображает теоретическую ступень из­ менения концентрации. Продолжив эти построения ме­ жду рабочей и равновесной линиями, получим число ступеней изменения концентрации или число теоретиче­ ских тарелок. В приводимом примере число теоретиче­ ских тарелок (пт) равно 2,4.

Метод теоретических ступеней изменения концентра­ ций применяли раньше также для расчета высоты мас­ сообменных аппаратов с непрерывным контактом. При этом вводили понятие о высоте насадки, эквивалентной теоретической ступени изменения концентрации (ВЭТС) или теоретической тарелки (ВЭТТ).

При переходе от числа теоретических ступеней к чис­ лу действительных ступеней требуется знание коэффи­ циента полезного действия колонны

3. Галлий легко переохладить ниже температуры плавления (тем­ пература плавления галлия 29,8°С). Над каким галлием, твердым или жидким, будет больше упругость пара при 0° С?

4.Кадмий не смачивает, а цинк смачивает графит. Для какого из этих металлов требуется большее пересыщение для конденсации паров в присутствии пористого графита?

5.Может ли пар над раствором обогащаться менее легколетучим компонентом?

6.Как изменится число молекул пара, сталкивающихся в едини­ цу времени с единицей площади поверхности, если температуру и давление пара увеличить в 4 раза?

7.В чем отличие механизмов конденсации пара на поверхности жидкости и на поверхности твердого тела?

8.Дать определение «точки росы»?

9.От каких факторов зависит величина переохлаждения, требу­ емая для начала конденсации паров?

10.Какие режимы кипения жидкости существуют? В чем раз­ личие между ними?

11.Какие факторы влияют на скорость испарения при дистил­ ляции металлов?

12.Какая статья теплового баланса наибольшая при дистилля­ ции металлов?

13.В чем преимущество ректификации по сравнению с дистилля­

цией?

14.Что называется теоретической ступенью изменения концент­ рации (теоретической тарелкой?)

15.Чем объясняется, что число действительных тарелок больше

числа теоретических?

16. При вакуумной разгонке серебристой пены при 800—900° С из нее почти полностью отходит цинк. Изменением какого параметра процесса можно добиться также полного удаления свинца (давление паров цинка, свинца и серебра при 800° С соответственно равны 229,1;

0,047 и 0,00009 мм рт. ст.)?

17. В процессе плавления латунных отходов, содержащих до 30% цника, ликвирует жидкая фаза, обогащенная цинком. По окончании плавления состав садки усредняется? Как будет меняться в процессе плавления давление пара цинка?

Г л а в а XIV

КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Процессы кристаллизационного рафинирования ши­ роко используются в цветной металлургии. В качестве примера можно привести рафинирование цинка, свинца, олова. Все большее распространение получают процессы направленной кристаллизации и зонной плавки для глу­ бокой очистки металлов.

Металлы, полученные из рудного сырья, еще не пред­

Перечисленные процессы составляют первую стадию рафинирования. Второй стадией будет разделение полу­ чившейся гетерогенной системы на два самостоятельных продукта. Так как выделившаяся фаза имеет, как пра­ вило, плотность, отличную от исходного сплава, то раз­ деление происходит вследствие расслаивания фаз.

Рассмотрим ликвационные процессы на примере ра­ финирования свинца от меди.

Черновой свинец содержит до 2,4% Си. Для рафини­ рования свинец расплавляют в стальных котлах, имею­ щих емкость по жидкому металлу 100—250 т. Расплав­ ленный свинец можно перемешивать с помощью пере­ носных мешалок. Рассмотрим рафинирование сплава,