Методички для специальности "Машины и аппараты..." / Калишук_ПиАХТ_Ч

7)произвести расчет диаметра аппарата, поперечного сечения, определить объемный расход, рабочую скорость, в зависимости от работы аппарата;

8)предварительно выбрать конструкцию аппарата;

9)рассчитать высоту контактной части аппарата;

10)рассчитать гидравлическое сопротивление аппарата;

11)конструктивные расчеты;

12)тепловые расчеты.

Перегонка и ректификация

Общие сведения

Перегонка – процесс разделения гомогенных жидких смесей, компоненты которых отличающиеся температурой кипения, осуществляемый путем частичного испарения исходной смеси с последующей конденсацией. При этом жидкий продукт, получаемый из пара и называемый дистиллятом, будет обогащен НК, а не испаренная жидкость, которая называется остатком или кубовым остатком, обогащена ВК. Данное определение характерно для простой перегонки. Простая перегонка используется для грубого предварительного разделения смесей при условии значительного отличия их температур кипения и их компонентов.

Ректификация разновидность перегонки, т.е. процесс разделения гомогенных жидких смесей растворов, компоненты которых отличаются температурой кипения, за счет многократного или непрерывного взаимодействия неравновесных жидкой и паровой фаз, компоненты которых являются компонентами исходной разделяемой смеси, осуществляемый при противоточном движении фаз. При этом жидкая фаза обогащена ВК за счет его конденсации из паровой фазы, а паровая фаза обогащена НК за счет его испарения из жидкой. Конденсируясь, ВК выделяет тепло, за счет этого тепла из жидкой фазы испаряется НК. При проведении ректификации на одном конце аппарата жидкость сразу обогащена ВК, а на другом конце аппарата обогащена НК. Конденсируя паровую фазу, получают дистиллят. При проведении ректификации может быть достигнуто четкое разделение. Ректификация по сравнению с перегонкой имеет низкое энергопотребление. При описании процесса перегонки и ректификации составы фаз принято выражать через содержание в них НК. x – молярная доля НК в жидкой фазе, y – молярная доля НК в паровой фазе.

Равновесие в системе пар – жидкость

Для бинарных смесей по правилу фаз Гиббса С=2, т.е. при постоянном давлении для этой системы однозначно будут связаны между собой температура и состав жидкой фазы, температура и состав паровой фазы. При постоянном давлении данные по равновесию могут быть описаны х-у диаграммой и t-х-у диаграммой. Могут быть получены аналитические расчеты при наличии данных по летучести данной смеси.

Рассмотрим диапазон температур tкип,НК…tкип, ВК. Если система считается подчиненной закону Рауля, то данные по равновесным составам

давление насыщенного пара НК при определенной температуре; общее давление.

С использование понятия относительной летучести равнение закона Рауля для описания условий равновесия для бинарных систем имеет следующий вид

(

относительная летучесть.

Относительная летучесть – это отношение давления насыщенного пара НК и давления насыщенного пара ВК.

x-y-диаграмма и t-x-y-диаграмма.

Для идеальной смеси используются законы Рауля и Дальтона, и тогда уравнение равновесной линии имеет следующий вид.

(

Для большинства смесей характерно отклонение от закона Рауля. Более корректными считаются данные из справочника.

Азеотропные смеси – смеси такого состава, для которых в условиях равновесия состав пара и жидкости будет одинаков. Азеотропная смесь перегонкой и ректификацией не разделяется. Существуют смеси с нижней точкой азеотропа и с верхней точкой азеотропа.

Для смесей с нижней точкой азеотропа характерно, что при азеотропном составе температура кипения смеси ниже, чем температура кипения чистого НК. x- y-диаграмма и t-x-y-диаграмма.

Для смесей с верхней точкой азеатропа температура кипения азеотропной смеси выше, чем температура кипения ВК.

x-y-диаграмма и t-x-y-диаграмма.

Следует учитывать, что относительная летучесть компонентов зависит не только от природы смеси, но и от температуры, при которой будет проводиться процесс, а температура будет зависеть от давления. Для некоторых смесей относительная летучесть повышается с повышением температуры, а для некоторых снижается. Проводя процесс перегонки, ректификации можно добиться лучших условий разделения, чем выше летучесть, тем лучше условия разделения. Проводя процесс при пониженных температурах можно получить эффективность близкую к 100%.

Простая фракционная перегонка

Метод не широко распространен. Встречается на стадия первичной переработки.

Установка представляет собой аппарат емкостного типа с устройством для нагрева (змеевиковый теплообменник).

1-перегонный куб

2-конденсатор

3,4,5-сборники фракций Перегонный куб связан с конденсатором с помощью трубопровода, по нему

отводится дистиллят. Установка работает в периодическом режиме. В перегонный куб загружается определенное количество смеси. Смесь подогревают и она

зависимости от ее состава в сборники. После того как исходная смесь истощена из куба сливают остаток.

Содержание НК в кубе уменьшается, соответственно уменьшается его

−количество жидкости в кубе; содержание НК в жидкой и паровой фазах.

Пределы интегрирования.

L изменяется от количества исходной смеси F до количества кубового остатка W. xF и xW – содержание НК в исходной смеси и остатке.

∫∫

∫

( конкретная для каждого случая, поэтому уравнение аналитически не решается.

Средний состав дистиллята.

с

Перегонка эффективна, если большая относительная летучесть компонентов и целевой продукт не требует особой очистки.

Многократная перегонка используется для получения дистиллята с высоким содержанием НК.

Перегонка может осуществляться с дефлегмацией, т.е. возвратом части дистиллята в виде орошения (флегмы) обратно в прежний куб. За счет этого более полно извлекается НК, четкость разделения повышается.

При перегонке осуществляется введение острого пара в смесь. Таким образом перегоняются высококипящие смеси. При этом понижается температура кипения смеси, однако увеличивается расход тепла. Компоненты разделяемой смеси должны быть нерастворимы в воде.

Ректификация

Процесс разделения жидких растворов, компоненты которых различаются температурами кипения и летучестью, на продукты, обогащенный НК и ВК. Осуществляется при противоточном взаимодействии паровой и жидкой фаз. При этом взаимодействии пар частично конденсируется, преимущественно из него конденсируется ВК. За счет выделившегося тепла жидкость частично испаряется, причем в паровую фазу переходит НК. Процесс подобен многократной перегонке, однако гораздо менее энергоемкий, более высокопроизводительный. Ректификационные установки могут быть периодически действующими и непрерывными.

Схема непрерывно действующей установки.

1-колонна; 2- тарелка питания; 3-подогреватель; 4-насос; 5-емкость для подачи исходной смеси; 6-испаритель; 7-холодильник; 8-насос; 9-дефлегматор; 10сборник; 11насос для откачки дистиллята.

В ректификационной установке происходит обмен компонентами между жидкостью и паром (1 моль на 1 моль). Согласно правилу Трутона для идеальных жидкостей молярные теплоты испарения равны. y растет снизу вверх (пар), х падает сверху вниз (жидкость). Флегма – это подаваемый в колонну дистиллят, который обогащает дополнительно пар НК. Тарелка, на которую поступает исходная смесь (питание)- питающая. Часть от низа до питающей тарелки – исчерпывающая, от питающей тарелки до верха – укрепляющая.

Материальный баланс ректификационной установки

молярный расход исходной смеси;

−молярный расход кубового остатка;

−Молярный расход дистиллята; молярный расход флегмы;

молярная доля НК в исходной смеси; молярная доля НК в кубовом остатке; молярная доля НК в дистилляте.

Для установки в целом.

(

Получаем уравнение рабочей линии верхней части колонны.

Для низа колонны расход пара:

(

Расход жидкости

(

где f – число питания.

После преобразований, учитывая что ,

Рабочие линии имеют общую точку на x-y-диаграмме на вертикали xF. Построение рабочих линий.

1.Наносим на диаграмму линию равных концентраций y=x (диагональ).

5.Соединяем точки K и B прямой, отмечаем точкуC (пересечение KB с вертикалью xF). CB – рабочая линия верха колонны.

6.Учитывая, что точка C общая для верха и низа колонны, соединяем точки A, C. AC – рабочая линия низа колонны.

Видно, что при увеличении флегмового числа рабочие линии удаляются от линии равновесия, т.е. движущая сила процесса растет.

Минимальное флегмовое число.

Минимальное флегмовое число в том случае, если рабочие линии касаются линии равновесия. Чаще всего касание – в точке концентрации питания xF. При этом в этом случае концентрация НК в паре равновесна xF, т.е.yF* . Подставим в уравнение рабочей линии верха колонны вместо текущих концентраций координаты точки С и получим, что

Технико-экономическое обоснование оптимального флегмового числа и размеров ректификационной колонны

При минимальном флегмовом числе движущая сила в точке ввода питания равна 0, средняя движущая сила стремится к 0. При этом необходимо для заданного разделения иметь бесконечное число ступеней контакта. Следовательно, объем аппарата (капитальные затраты) стремятся к бесконечности. При небольшом увеличении флегмового числа от Rmin резко возрастает движущая сила, высота аппарата резко уменьшается, а поперечное сечение возрастает пропорционально расходу паров через колонну, т.е. ( Объем (капитальные затраты) уменьшается. При значительном превышении R над Rmin рабочие линии приближаются к линии равновесных концентраций, движущая сила асимптотически приближается к максимуму. При рабочие линии совпадают с линией x=y. В этом случае высота аппарата практически не уменьшается. Линия КЗ сначала спадает вниз, затем пройдя через минимум, начинает подниматься вследствие роста объема аппарата.

График зависимости З=f(β).

Второй важнейшей статьей затрат при ректификации являются энергозатраты. Подавляющую часть их составляют затраты тепла на создание восходящего потока паров в колонне, ( Поэтому линия затрат, связана с потреблением тепла на графике монотонно возрастающая, близкая к прямой. Если не учитывать другие виды затрат, то усреднено общие (приведенные) затраты ПЗ на ректификацию можно оценить как ПЗ=ЭТ+КЗ. Минимум этих затрат соответствует оптимальным флегмовому числу и размерам ректификационной колонны. Приближенно можно оценить оптимальное

тепловая мощность дефлегматора. Конструкции ректификационных колонн.

Основные типы: тарельчатые и насадочные, реже пленочные и роторные. Насадочные и тарельчатые колонны похожи по устройству на абсорберы. Однако колонны обязательно снабжены испарителем и дефлегматором. Испарители и дефлегматоры в основном выносные, они более ремонтопригодны, обеспечивают лучшие условия теплообмена. Схемы тарельчатых колонн представлены ранее. В отличие от абсорбционных они имеют дополнительные штуцера.

Тарельчатая колонна. Насадочная колонна. Тарельчатые колонны.

Применяют для разделения под повышенным и атмосферным давлением, при невысоком вакууме. Выше, чем у насадочных гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны.

Применяются для агрессивных сред, при больших относительных расходах питания f, при проведении процесса под вакуумом, меньшее гидравлическое сопротивление.

Порядок расчета ректификационной колонны

1.Материальный баланс.

2.Установление условий равновесия и определение Rmin.

3.Расчет оптимального флегмового числа, получение уравнений рабочих

линий.

4.Установление распределения температур, концентраций по колонне, определение расхода.

5.Выбор конструкции контактных устройств, расчет рабочей скорости и диаметра колонны.

6.Определение высоты колонны (числа тарелок, высоты насадки).

7.Расчет гидравлического сопротивления.

8.Расчет уравнений теплового баланса.

9.Расчет штуцеров колонны.

Специальные виды ректификации

При разделении многокомпонентных (более 2 компонентов) систем в первую очередь разделяют смесь по ключевым компонентам (имеющим, как правило наибольшее содержание). Затем полученные смеси подвергают еще разделению в других колоннах, постадийно выделяя из них чистые компоненты.

К специальным видам ректификации относят азеотропную, экстрактивную, солевую, а также молекулярную дистилляцию.

При азеотропной ректификации в смесь добавляют компонент образующий с одним из компонентов азеотропную смесь. Причем в результате этого температура будет сравнительно низкая. Это способствует отводу ее в виде дистиллята, улучшает разделяемость. Чистый кубовый остаток.

При экстрактивной ректификации добавляют компонент, связывающий один из компонентов и образующий при этом труднокипящую смесь. Это облегчает разделение первичной смеси и, как правило, в чистом виде получают дистиллят.

При солевой ректификации в смесь вводят растворимый в одном из компонентов нелетучий компонент. Эффект, как при экстрактивной ректификации.

Молекулярную дистилляцию проводят при глубоком вакууме (менее 0,1 Па остаточное давление).

Сушка

Общие сведения

Удаление влаги из твердых пастообразных материалов – сушка – зачастую повышает их потребительские качества, позволяет уменьшить транспортные и складские затраты.

Влагу удаляют механическими способами: отжигом, фильтрованием, отстаиванием, центрифугированием. Более полное удаление влаги достигается за счет ее испарения при подводе тепла. Предварительно влага может удаляться механически, окончательно тепловой сушкой.

Тепловая сушка может быть естественной на открытом воздухе и искусственной – в специальных сушильных установках.

Термическая сушка – сложный тепло-массообенный процесс, который связан с подводом тепла, переносом влаги внутри материала к поверхности и от поверхности в окружающую среду.

По способу подвода тепла сушку делят на:

1.конвективную – тепло подводится за счет контакта материала с нагретым газом;

2.контактную (кондуктивную) – при передаче тепла к материалу через твердую разделяющую стенку;

3.радиационную – передача тепла ИК-лучами;

4.диэлектрическую – нагрев за счет токов высокой частоты;

5.сублимационную – в глубоком вакууме подводят тепло к замороженному материалу.

Наиболее распространены первые два метода сушки.

Формы связи влаги с материалом. Технико–экономическое обоснование метода удаления влаги

Влага может быть связана с материалом механическими, физикохимическими и химическими силами. В зависимости от размера пор, в которых она удерживается силами поверхностного натяжения, влагу делят на макро- и микрокапиллярную. С уменьшение размеров пор возрастают удельные силы, удерживающие влагу. Поэтому макрокапиллярную влагу сравнительно несложно удалить механическими методами (если допускается подвергать материал, изделие механическим воздействиям). Чтобы удалить микрокапиллярную влагу, нужно прикладывать большие усилия к материалу, в результате чего он может быть поврежден с одной стороны. С другой стороны велики затраты энергии, поэтому ее следует удалять за счет испарения, тепловой сушкой. Механическую связанную влагу называют еще несвязанной, свободной или поверхностной (скорость испарения ее равна скорости испарения жидкости при эквивалентных условиях).

Физико-химическая влага делится на адсорбционную и осмотическую. Адсорбционная влага удерживается на поверхности материала и внутри его пор в виде одного – двух слоев молекул адсорбционными силами. Осмотическая влага находится внутри клеток материала (влага набухания). Удаляется тепловой сушкой.

Химическая влага образует химические соединения с молекулами материала (кристаллогидраты). Удаляется при проведении химических реакций, при прокаливании.