Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
67
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
5.43 Mб
Скачать

(Ш-24) в основном тексте] можно записать в следующем виде:

 

 

 

дх

№х

 

гДе D =

^

— приведенный

коэффициент

диффузии. Соответ­

ственно

запишем граничные

условия [соотношения (Ш-25) и (III-26)

в основном тексте]:

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

J х (и, 0) da = xQ;

(3)

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

дх )

= 0 .

(4)

Поскольку рассматривается процесс очистки основного вещества

от примеси, то при заданной

схеме процесса кристаллы внизу колон­

ны будут содержать меньше примеси, чем кристаллы вверху колон­ ны и, следовательно, имеет место случай, когда а < 1 . В дальнейшем

для удобства

будем оперировать величиной а'=1/а.

Таким

образом,

с введением

безразмерных

координат

(1)

уравнение

рабочей линии

[уравнение (III-28)

в основном тексте] запишется как

 

 

1

 

.

 

 

1

 

 

 

< p ) r f u = a ' ( l - p ) j : ( l ,

<f)+p

\)du.

(5)

и

 

 

 

 

о

 

 

Безотборный

режим.

Применительно

к безотборному

режиму

(Р = 0) из уравнения (5) следует, что

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

JJC(«, <p)rf« = a'jc(l,

«р).

 

(6)

 

 

о

 

 

 

 

 

Решение уравнения

(2) будем Искать в виде*

 

 

 

х (и, <?) =

е _ т ? (Л cos +

В sin £и),

"

(7)

где Л, В, р, Y — постоянные.

Подставим (7) в (2); после дифференцирования будем иметь

— f e - T ' (Л cos $и + В sin Щ = — D$4~v* (Л cos pu + В sin р«)

Ч = £ ? 2 -

(8)

Из граничного условия (4) следует, что в выражении

(7) В = 0.

С учетом последнего и соотношения (8) выражение (7) принимает более простой вид:

х[и,

tf^e-W^Acospu.

(9)

* Б а т у н е р Л. М., П о з ни

М. Е. Математические

методы

в химической технике. М., Госхимиздат, 1960, стр. 321.

150

Подстановка (9) в (6) дает

 

 

sin

— a cos

(10)

 

 

 

Трансцендентное уравнение (10) имеет бесконечное множество кор­ ней 6ft. Следовательно, решение (9) в общем случае будет иметь вид

х(и,

<?) = 2^ А"е

c o s

Р*и '

(П)

 

fc=o

 

 

 

в котором значения (5;,, в соответствии

с соотношением (10),

будут

определяться характеристическим уравнением

 

 

 

tgPA = o'Pft

 

(12)

и могут быть легко найдены, например, графическим путем.

гра­

Для определения

значений коэффициентов А*, используем

ничное условие (3); при этом из выражения

(11) следует, что

 

2 аь C O S РАЦ = 1 >

где ak = Aklxu.

 

 

 

 

 

 

Далее, исходя

из

(13) и из требовании

минимума* величины

 

 

 

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

^

ак cos

pf t M ) — 1 da,

получим

 

 

 

 

 

 

 

dl_

 

 

 

 

cos pftu J — 1 cos fifadu = 0

дак

-• ^

I ^

ak

пли

0

 

L \ 7 = 0

 

/

 

 

oo

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

j "

- _

a * c o s

c o s

P/"*" =

\

c o s

0

j=0

 

 

 

 

о

 

Из соотношения (15), поскольку

(13)

(14)

(15)

cos pf t u cos р;.и = - у [ cos (Pft — р;.) ц + cos (Pft + Р;.) а ] ,

можно получить систему линейных уравнении для определения зна-

* Б р о н ш т е й н И. Н., С е м е н д я е в К. А. Справочник по математике. М., Физматгиз, 1959, стр. 572.

чений ал (а следовательно, и An):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin р

 

 

 

 

 

 

akak. = 2 —-J-;

 

 

(16)

 

 

 

}=0

 

г1

 

 

 

 

( s i n ( P u - p )

s i n ( p / ; + p )

 

 

 

 

Pft - P ;

+

д ,

о

 

" Р " У * *

 

ак •'-

 

 

Р*+Р; -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + —

 

 

 

при J = к

 

На основании вышеизложенного выражение для фактора разде­

ления запишется в виде

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1 со

_ д р 2

 

 

 

_

[ х{и,

l)tfu

[2

Лй е

* cos p/.uda

 

b

 

_

о ft=o

 

 

 

_

 

F q

 

*0

 

 

x 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а^е

я

.

 

(17)

Формула (17)

позволяет производить

расчет

фактора

разделения

кристаллизационной

колонны

при

заданных • значениях

величин а

и D. Однако такие

расчеты,

включающие

в

себя предварительное

определение значений

an из системы уравнений (16), без использо­

вания вычислительной

машины крайне

трудоемки. Поэтому весьма

интересным представляется отыскание на основе соотношения (17) хотя бы и более приближенной, но зато более удобной для вычис­ лений аналогичной зависимости. С этой целью на цифровой вычис­ лительной машине ЭЦВМ М-20 были проведены численные расчеты по уравнениям (12) и (16) для сравнительно большого интервала значений а' (1,01—100). Эти расчеты показали, что ряд, стоящий в правой части соотношения (17), быстро сходится, причем опреде­ ляющей величиной по существу является первый член ряда. Напри­ мер:

1) а' = 1,05

 

F 0

= 0,991e-0 '1 4 2 £ , -b 0,0047e-2 0 '3 O -b0,0016e-5 9 '8 D +

(18)

2)

а' = 4

 

/=-0

= 0,857e-1 '9 4 o + 0,070e-2 1 '7 o + 0,0025e-G I '2 D + •••

(19)

Таким образом, как следует из численных примеров (18) и (19), для оценки величины фактора разделения в выражении (17) можно ограничиться одним первым членом ряда, т. е.

-Df-

sin Ро

 

F0 ~ а0е 0

(20)

 

РО

 

152

или в более удобной для расчетов форме

 

 

F0^(aem°)

\

(21)

где

к

 

 

 

 

 

а =

—-.

 

 

Рассчитанные с помощью ЭЦВМ М-20 по уравнениям (12.) и (16) значения ро, а0 и а в зависимости от а' представлены в табл. 1. От­ сюда необходимые для вычислении в каждом конкретном случае величины а и pV нетрудно найти, например, графическим путем. С другой стороны, на основании данных таблицы значения коэффи­ циентов а п Ро2 в выражении (21) в зависимости от а' хорошо аппроксимируются формулами:

 

а =

1

я2 (29 -1-е')

1

(22)

 

240

 

 

 

 

 

 

Р5

=

_ 4

 

(23)

 

 

 

которых Е ' = а

1/а' .

 

 

 

Вычисления по соотношению (21) с учетом (22) и (23) для раз­ личных значений а' и D показали вполне удовлетворительное согла­ сие с соответствующими расчетами по уравнению (17), проведенны­ ми па ЭЦВМ. Таким образом, заменяя теперь а' на 1/а в выраже­ ниях (22) и (23), из соотношения (21) получим расчетную формулу для интересующего случая а < 1 [уравнение (Ш-30) в основном тексте1.

На основе изложенного можно определить распределение при­ меси в твердой фазе по высоте кристаллизационной колонны. Для этой цели в уравнении (11) ограничимся одним первым членом ряда так же, как это было сделано при выводе соотношения (21). Исполь­ зуя при этом теорему о среднем значении, будем иметь

 

•(<Р)~

Л 0 е

cos Ро udu

(24)

или,.после интегрирования, поскольку

А00х0,

 

 

 

х{4)^

 

х0 (ае°^)

\

 

(25)

где а п Ро2

соответственно

характеризуются

выражениями

(22)

и (23).

 

 

 

 

 

 

Отборный режим. Применительно к отборному режиму решение

дифференциального уравнения

(2), используя граничное условие (4),

будем искать в виде

 

 

 

 

 

 

оо

 

о

 

 

 

Л

-a—/,V Ake — ОРь?cos Р ^ +

const.

(26)

Л'=0

153

Т а б л и ц а 1 Значения коэффициентов

 

Ро.

Оо, а

 

а'

 

«0

я

1,01

0,1722

1,003

1,002

1,03

0,2947

1,009

1,006

1,05

0,3762

1,015

1,009

1,07

0,4401

1,020

1,013

1,10

0,5175

1,028

1,018

1,15

0,6175

1,040

1,026

1,20

0,6954

1,050

1,033

1,40

0,8999

1,085

1,058

1,60

1,022

1,111

1,078

2,0

1,166

1,146

1,107

3

1,324

1,191

1,146

4

1,393

1,212

1,168

6

1,457

1,233

1,189

8

1,487

1,243

1,200

10

1,504

1,250

1,207

20

1,538

1,261

1,220

100

1,564

1,271

1,231

Подставляя соотношение (26) в уравнение рабочей линии (5), после некоторых преобразовании получим следующее выражение:

х («, i) = 2t

*cos?f t u-a'0'2/f t e

cos^u, (27)

 

k=0

 

 

в котором

Q'=p/a'—1,

а значения (5;, определяются из характери­

стического

уравнения

 

 

 

 

tgP* = <*'(!—/>) fa.

(28)

При p=0 соотношения (27) и (28) переходят в соответствующие выражения (11) и (12) для безотборного режима.

Коэффициенты Ak в выражении (27) могут быть найдены тем же способом, что и в выражении (11), т. е. с учетом граничного усло­ вия (3), исходя из требования минимума величины

Г /

0 0

Ak -D?l

\

,

 

 

 

COS Pft« • • а'В'

 

da. (29)

 

— e

cos pa

i

0 L \

*=0

XQ

J

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом получается система алгебраических уравнений, решение которых может быть получено с помощью вычислительной машины.

Из соотношений (27) и (28) можно получить выражение для

154

фактора разделения

1

 

 

 

 

\х(и,

\)du

 

 

 

F =

1 —а'О' V 1

аке

, (30)

XQ

ft-0

 

где ан= Ah/x0.

Расчеты по формуле (30), проведенные с помощью вычислительной машины БЭСМ-4, показали, что ряд, стоящий в правой части фор­ мулы, быстросходится и определяющей величиной является первый член ряда. Поэтому приближенно можно записать, что

 

F

1 — а'О'

«о s i n

Ро

(31)

 

1 •

 

 

Ро

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

~

[ае

о)

,

<32)

г-де а = 1 +

а'О'

I

 

Ро

 

 

 

а'(1 —а'О')J

а0

sin р0 '

 

 

На основании результатов расчета при различных значениях £>(0,1—10), а'( 1,005—20) и а'0'(0,05—0,3) получены следующие аппроксимирующие формулы для а и Ро2:

1 + г' П?

(29 +

е')

 

+ 1

 

х2);

 

 

240

 

 

 

 

 

?о =

(з -

о,535Е ;) _

о ,06 ( ( 1

-

 

 

 

-p =

i -

1

 

1

 

 

 

\—р

а'

 

 

П1 =

(1 Е ' ) ( 1 —

 

 

 

1,5а'в')+

1.234-е': Л 2

= 1

+ 0,232а'0'.

Заменяя а' на 1/а, получим расчетную формулу

для случая а < 1

[уравнение

(II1-37)

в основном тексте].

 

 

ЛИТЕРАТУРА

Введение

И.И. Ч е р н я е в . Чистое вещество. М., «Энергия», 1957.

А.П. В и н о г р а д о в . Проблема чистоты материалов. Сб. «Ме-. тоды определения и анализа редких элементов». М., Изд-во АН

СССР, 1961, стр. 5—10.

Н. П. С а ж и и. Вещества

высокой чистоты и их роль в науке

и технике. Жури. ВХО им. Д. И. Менделеева,

13, № 5, 499—509

(1968).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г. 3. Б л ю м ,

Г. М. К у р .

Б. Д. С т е п ии, И. Г. Гор ш т е й н ,

д ю м о в ,

И. П.

О г л о б л и н а .

Методы

получения

особо

чистых

неорганических веществ. Л., «Химия», 1969, стр. 3—29.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава I

 

 

 

 

 

 

 

А. Е. В а н - А р к е л ь,

Дж. Г. д е

Бур . Сб. «Методы

полу­

чения чистых металлов», М., ИЛ, 1957.

 

реакции.

 

М.,

«Мир»,

Г.

Ш е ф е р.

Химические

транспортные

 

1964.

 

Г. Д е в я т ы х .

Некоторые

проблемы

глубокой

очистки ве­

Г.

ществ. Сб. «Получение и анализ веществ

особой

чистоты». М.,

«Наука». 1966, стр. 3—14.

 

Применение

химических

транспортных

А.

В. Н о в о с е л о в а .

реакций

 

для

получения

 

веществ

высокой

чистоты. Жури. ВХО

им. Д. И. Менделеева. 13, № 5, 539—542 (1968).

Б л ю м, Г. М. К у р-

Б. Д. С т е п и н, И. Г. Г о р ш т е и н, Г. 3.

д ю м о в ,

И. П. О г л о б л и н а.

Методы получения

особо

чистых

неорганических

веществ. Л., «Химия», 1969, стр. 397—408, 415—429.

 

 

 

 

 

 

 

Глава II

 

 

 

 

 

 

 

А. Роз , Е. Роз . Теория.

 

Сб.

«Перегонка»,

М.,

ИЛ, 1954,

стр. 5—153.

 

 

Химия

изотопов. М.,

Изд-во

АН

СССР,

А. И. Б р о д с к и й .

1957,

стр. 56—65.

Руководство

по лабораторной

ректификации. М.,

Э.

Kip ель.

ИЛ, 1960.

 

 

 

 

 

 

 

 

изотопов

в

колоннах. М.,

A.

М. Р о з е и. Теория разделения

Атомнздат, 1960.

 

 

 

 

 

 

Ю. Е. Е л л и е в .

Кине­

B. А. Д о з о р о в , Г. Г. Д е в я т ы х ,

тика

процесса

ректификации

бинарных

смесей.

ЖФХ, 36, № 11,

2413—2418 (1962).

156

10. Е. Е л л и е в, Г. Г. Д е в я т ы х , В. А. Д о з о р о в . Кине­ тика процесса ректификации бинарных смесей в отборном режиме. ЖФХ, 37, № 10, 2179—2183 (1963).

Г. Г. Д е в я т ы х , Ю. Е. Е л л и е в. Влияние загрязняющего действия материала аппаратуры на глубину очистки веществ мето­

дом

ректификации. Теорет.

осн. хим. технологии,

3,

№ 1, 26—31

(1969).

Г. Г. Д е в я т ы х. Анализ

процесса глубо­

кой

Ю. Е. Е л л и е в,

очистки термонестойких

веществ

при ректификации.

Теорет.

осн. хим. технологии, 5, № 1, 134—136

(1971).

 

 

 

 

 

 

Глава III

 

 

 

 

 

В. Дж. П ф а н н. Зонная

плавка. М., Металлургиздат,

1960.

 

Е. X е р и и г т о и.

Зонная

плавка

органических

веществ. М.,

«Мир», 1965.

 

Очистка

металлов и

полупроводников

 

В. Н. В п г д о р о в и ч .

кристаллизации. М., Металлургиздат,

1969.

 

 

 

 

Г. Г. Д е в я т ы х .

К теории работы противоточной кристалли­

зационной колонны. ЖФХ, 41, № 5, 957—961 (1967).

 

 

 

 

Г. Г. Д е в я т-ы х, В. А. Д о з о р о в , Ю. Е. Е л л и е в,

Л. Л. С и б и р я к о в а. Анализ работы

противоточной

кристаллиза­

ционной колонны в безотборном режиме. Теорет. осн. хим. техноло­ гии, 5, № 5, 663—667 (1971).

Е. В. Х а м с к и й .

Кристаллизация

из растворов. М., «Наука»,

1967.

В. А. У м и л и н ,

А. В. Б о я р к и н . Иссле­

Г. Г. Д е в я т ы х ,

дование процесса разделения смесей солей противоточной кристал­ лизацией из раствора. Теорет. осн. хим. технологии, 3, № 2, 225— 230, (1969).

Глава IV

К.Д ж о н с , В. Ф е р р и. Разделение изотопов методом термо­ диффузии. М., ИЛ, 1947.

К.Э. Г р го, И. Л. И б б с. Термическая диффузия в газах. М., Гостехиздат, 1956.

А. И. Б р о д с к и и. Химия

изотопов. М., Изд-во АН СССР,

1957, стр. 77—90.

 

ионного обмена. М. — Л.,

Р. Г р и с с б а х. Теория и практика

ил 1963.

 

 

Б. Д. С т е п п н, И. Г. Г о р ш т е и н, Г. 3. Б л ю м, Г. М; К у р-

д ю м о в, И. П. О г л о б л и н а.

Методы

получения особо чистых

неорганических веществ. Л., «Химия», 1969, стр. 127—229, 409—414,

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стр.

Введение

веществ

особой чистоты

 

 

 

3

1. Классификация

веществ . . .

4

2. Классификация

методов

глубокой

очистки

6

Глава I . Химические

методы

глубокой

очистки

веществ . . .

8

§

1. Характеристика химических методов глубокой

очистки

 

веществ

 

 

возможностей

химических

методов

§ 2. Оценка предельных

9

§

глубокой очистки

веществ

реакции

(реакции

переноса)

3. Химические транспортные

15

 

1. Перенос вещества

потоком

газа-реагента

 

 

 

18

 

2. Перенос вещества молекулярной диффузией

 

 

23

§

3. Перенос вещества

посредством

конвекции

 

и

физико-

25

4. Сравнительная

характеристика,

химических

27

 

химических методов

очистки веществ

 

 

 

Глава II. Дистилляционные

методы

 

 

 

 

 

29

§

1. Коэффициент

разделения

 

 

разделения . . . .

§

2. Методы определения

коэффициента

31

 

1. Метод испарения

небольших количеств раствора . . .

2.Определение коэффициента разделения на приборе однократного испарения (на приборе в одну теоретиче­

 

 

скую ступень)

 

дистилляции

 

 

§

3. Метод релеевской

 

 

32

3.

Простая

перегонка

 

 

36

§ 4.

Ректификация

 

 

 

37

§

5.

Тарельчатые

колонны

 

 

41

 

1.

Фактор разделения в стационарном состоянии и безот­

42

 

 

борном

режиме

отбора продукта

на фактор

разделе­

 

2. Влияние

скорости

44

§

6.

ния

 

колонны

 

 

Насадочные

 

 

46

.

1. Понятие

о движущей силе массообмена

 

47

 

2. Фактор

разделения в стационарном состоянии и безот­

50

 

 

борном

режиме

отбора продукта

на фактор

разделе­

 

3. Влияние

скорости

52

 

 

ния

 

 

 

 

 

4.Высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ). Высота единицы переноса (ВЕП). Взаимосвязь между

ВЭТТ и ВЕП

54

§ 7. Пленочные колонны

59

158

• § 8. Нестационарные

процессы в ректификационной

колонне

64

 

1. Пусковой

период

колонны

 

 

па пусковой

период

 

2. Влияние

скорости

отбора

продукта

69

 

3.

Вторичный

выход

колонны

к

стационарному

 

состоя­

 

 

 

нию при изменении условий проведения процесса ректи­

70

§

9.

фикации

загрязняющего

действия

материала аппарату­

Влияние

72

 

 

ры на глубину очистки веществ методом

ректификации

 

1. Фактор разделения в безотборном режиме

 

 

74

 

2. Влияние скорости отбора продукта на фактор разделе­

75

 

 

ния

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§

3. Предельное значение концентрации примеси

термоне­

77

10. Оценка

глубины

ректификационной

очистки

78

§

 

стойких

вещеетв

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Молекулярная

дистилляция

 

 

 

 

 

 

 

80

Глава III . Кристаллизационные методы

 

 

 

 

 

85

§

1. Кристаллизация

из расплава

 

 

 

 

 

 

 

86

 

1. Коэффициент

разделения

(коэффициент распределения)

87

§

2. Нормальная

направленная кристаллизация

 

 

89

2. Зонная

перекристаллизация

(зонная

плавка)

 

одного

92

 

1. Распределение примеси по длине

слитка

после

94

 

 

прохода

расплавленной

зоны

 

 

 

 

 

 

 

2. Распределение примеси по длине слитка после несколь­

96

 

 

ких проходов расплавленной

зоны

слитка

после

беско­

 

3. Распределение примеси по длине

 

 

 

нечно большого числа проходов расплавленной зоны

97

§

 

(конечное

распределение)

 

из

 

расплава

 

 

3. Противоточная

кристаллизация

 

 

 

100

 

1. Фактор разделения в безотборном режиме

 

 

103

 

2. Распределение примеси по высоте кристаллизационной

104

 

 

колонны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Влияние скорости отбора продукта на фактор разделе­

106

 

 

ния

 

 

 

из раствора

 

 

 

 

 

 

 

§ 4. Кристаллизация

 

 

 

 

 

 

 

108

 

1. Коэффициент

разделения

(коэффициент распределения)

ПО

 

2. Фракционированная

(дробная)

кристаллизация . . .

.112

 

3. Противоточная

кристаллизация

из

 

раствора-

 

 

116

Глава

IV. Другие

методы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

119

§

I . Метод

термодиффузии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Коэффициент разделения установки, свободной от кон­

 

 

векции

 

 

термоднффузии

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Постоянная

 

 

 

 

 

 

 

121

§ 2. Термодиффузионные

колонны

 

 

 

 

 

 

123

 

1.. Скорость движения

газа

в колонне

 

вдоль

 

по ко­

127

 

2. Вычисление скорости переноса примеси

 

128

 

 

лонне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Фактор разделения в безотборном режиме

 

 

131

§

4. Пусковой

период

колонны

 

 

 

 

 

 

 

132

3. Метод

ионного

 

обмена

 

 

 

 

 

 

 

 

134

 

1. Статический

способ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

136

 

2. Динамический

способ

 

 

 

 

 

 

 

 

137

159

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ