- •Гидравлика и теплотехника
- •Оглавление
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины 10
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы 22
- •3. Тепловые процессы и аппараты 118
- •4. Массообменные процессы и аппараты 162
- •5. Мембранные процессы 283
- •Условные обозначения
- •Введение
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины
- •1.1. Классификация основных процессов и аппаратов
- •1.2. Кинетические закономерности основных процессов
- •1.3. Общие принципы расчёта химических машин и аппаратов
- •1.4. Применение метода моделирования для исследования и расчета процессов и аппаратов
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы
- •2.1. Физические свойства жидкостей и газов
- •2.2. Основные уравнения покоя и движения жидкостей
- •2.2.1. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера для покоящейся жидкости
- •2.2.2. Практическое приложение уравнений гидростатики
- •2.2.3. Основные характеристики движения жидкостей
- •2.2.4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока
- •2.2.5. Режимы движения жидкостей
- •2.2.6. Турбулентный режим
- •2.2.7. Дифференциальные уравнения движения жидкости
- •2.2.8. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса
- •2.2.9. Уравнение Бернулли
- •2.2.10. Гидродинамическое подобие
- •2.2.11. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
- •2.2.12. Движение тел в жидкостях
- •2.2.13. Движение жидкостей через неподвижные пористые слои
- •2.2.14. Гидродинамика псевдоожиженных слоев
- •2.3. Перемещение жидкостей (насосы)
- •2.3.1. Классификация и области применения насосов
- •2.3.2. Параметры насосов
- •2.3.3. Насосная установка
- •2.3.4. Основное уравнение лопастных машин (уравнение Эйлера)
- •2.3.5. Характеристики центробежных насосов
- •2.4. Сжатие и перемещение газов (компрессоры)
- •2.4.1. Классификация компрессоров
- •2.4.2. Поршневые компрессоры
- •2.4.3. Теоретический и рабочий процесс в поршневом компрессоре
- •2.4.4. Производительность действительного поршневого компрессора
- •2.4.5. Роторные компрессоры
- •2.4.6. Принцип действия, классификация и устройство турбокомпрессоров
- •2.5. Процессы разделения неоднородных смесей
- •2.5.1. Классификация неоднородных систем и способов их разделения
- •2.5.2. Материальные балансы процессов разделения
- •2.6. Осаждение
- •2.7. Фильтрование
- •2.8. Перемешивание в жидких средах
- •3. Тепловые процессы и аппараты
- •3.1. Способы передачи теплоты
- •3.2. Тепловые балансы
- •3.3. Температурное поле и температурный градиент
- •3.4. Передача тепла теплопроводностью
- •3.5. Тепловое излучение
- •3.6. Конвективный теплообмен
- •3.6.1. Теплоотдача
- •3.6.2. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- •3.6.3. Подобие процессов теплообмена
- •3.6.4. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости
- •3.6.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- •3.7. Сложный теплообмен
- •3.8. Процессы нагревания, охлаждения и конденсации
- •3.9. Теплообменные аппараты
- •3.9.1. Классификация и типы теплообменных аппаратов
- •3.9.2. Расчет теплообменных аппаратов
- •3.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников
- •4. Массообменные процессы и аппараты
- •4.1. Основы массопередачи
- •4.1.1. Общие сведения о массообменных процессах
- •4.1.2. Основные расчетные зависимости массообменных процессов
- •4.1.3. Материальный баланс массообменных процессов
- •4.1.4. Движущая сила массообменных процессов
- •4.1.5. Модифицированные уравнения массопередачи
- •4.1.6. Основные законы массопередачи
- •4.1.7. Подобие процессов переноса массы
- •4.1.8. Связь коэффициентов массопередачи и массоотдачи
- •4.1.9. Массопередача с твердой фазой
- •4.2. Абсорбция
- •4.2.1. Равновесие при абсорбции
- •4.2.2. Материальный, тепловой балансы и кинетические закономерности абсорбции
- •4.2.3. Принципиальные схемы абсорбции
- •4.2.4. Конструкции колонных абсорбционных аппаратов
- •4.2.5. Десорбция
- •4.3. Перегонка жидкостей
- •4.3.1. Идеальные и неидеальные смеси
- •4.3.2. Простая перегонка
- •4.3.3. Ректификация
- •4.3.4. Ректификация многокомпонентных смесей
- •4.3.5. Тепловой баланс процесса ректификации
- •4.3.6. Специальные виды перегонки
- •4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов
- •4.4. Экстракция
- •4.4.1. Жидкостная экстракция
- •4.4.2. Равновесие при экстракции
- •4.4.3. Материальный баланс экстракции
- •4.4.4. Кинетические закономерности процесса экстракции
- •4.4.5. Принципиальные схемы процесса экстракции
- •4.4.6. Конструкции экстракторов
- •4.5. Адсорбция
- •4.5.1. Равновесие в процессах адсорбции
- •4.5.2. Промышленные адсорбенты
- •4.5.3. Конструкции адсорбционных аппаратов и методы проведения адсорбционно-десорбционных процессов
- •4.6. Сушка
- •4.6.1. Равновесие в процессах сушки
- •4.6.2. Конструкции сушилок и области их применения
- •4.6.3. Материальный и тепловой балансы сушки
- •Количество влаги, удаляемой в сушилке:
- •4.7. Кристаллизация и растворение
- •4.7.1. Общие сведения
- •4.7.2. Равновесие при кристаллизации
- •4.7.3. Кинетика процесса кристаллизации
- •4.7.4. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации
- •4.7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации
- •4.7.6. Кристаллизаторы
- •5. Мембранные процессы
- •5.1 . Процессы мембранного разделения смесей. Сущность процесса мембранного разделения смесей
- •5.2. Кинетика процессов мембранного разделения смесей
- •5.3. Влияние различных факторов на мембранное разделение
- •5.4. Мембраны
- •5.4.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны
- •5.4.2. Мембраны с жесткой структурой
- •5.4.3. Жидкие мембраны
- •5.5. Физико-химические основы мембранных процессов
- •5.6. Баромембранные процессы
- •5.7. Диффузионно-мембранные процессы
- •5.8. Электромембранные процессы
- •5.9. Термомембранные процессы
- •5.10. Расчет мембранных процессов и аппаратов
- •5.11. Мембранные аппараты
- •Библиографический список
- •Гидравлика и теплотехника
4.3.3. Ректификация
Достаточно высокую степень разделения однородных жидких смесей на составляющие компоненты можно достигнуть с помощью ректификации. Сущность процессов, из которых складывается процесс, можно представить на диаграмме (рис. 4.36).
Рис. 4.36. Изображение процесса разделения бинарной смеси ректификацией в диаграмме
Если нагреть исходную смесь состава до температуры кипения, можно получить пар, находящийся с жидкостью в равновесии (т.в). Конденсация этого пара дает жидкость состава, обогащенную НК ().
Последующий нагрев этой жидкости до температуры кипения Т2 приведет к получению пара (т.d), конденсация которого даст жидкость с еще большим содержанием НК –. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получать в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.
В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, состоящей из последовательно соединенных испарителей и конденсаторов. Недостатками такой установки являются большая металлоемкость и значительные потери тепла в окружающую среду.
Наиболее четкое, полное и экономичное разделение исходной смеси на компоненты лучше всего производить в ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися противотоком относительно друг друга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается НК, а жидкость – ВК. Многократный контакт фаз приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Таким образом, отсутствие равновесия при движении фаз с определенной скоростью относительно друг друга с многократным их контактом является необходимым условием проведения ректификации.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: атмосферном, повышенном (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах) и под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ).
Непрерывно действующиеректификационные установки наиболее широко распространены в процессах химической технологии. Рассмотрим сущность процесса ректификации на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси(рис. 4.37).
Рис. 4.37. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:
1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы;
5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята;
7 – холодильник остатка; 8 – сборник остатка; 9 – сборник дистиллята; 10 – насос
Колонна 1 снабжается вспомогательным оборудованием, в состав которого, например, входят: кипятильник 2, дефлегматор 3, делитель флегмы 4,подогреватель 5, холодильники 6, 7, сборники жидкостей 8, 9, насосы 10.
Для создания восходящего потока пара в колонне в нижней части её или в кипятильнике 2 подводится тепло для испарения жидкой смеси. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке.
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна , а ее температура –. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, при этом в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую тарелку пар поступает с содержанием НК ().
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем паре на тарелку выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моля НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав и содержит больше НК, чем на первой (). Эта жидкость кипит при более низкой температуре (). Контактируя с ней, пар составачастично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав, и т.д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку колонны почти чистым НК.
Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом, например, водой, и получаемая жидкость делится на два потока дистиллят – целевой продукт и флегму, которая направляется в верхнюю часть колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой практически чистый НК. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК. Снизу колонны часть ВК выводится остатком в виде целевого продукта, а другая часть поступает на испарение в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, поступающая на питающую тарелку колонны. Обычно смесь предварительно подогревают в подогревателе исходной до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части колонны наибольшее укрепление паров, т.е. обогащение их НК. Поэтому эта часть колонны называется укрепляющей. В нижней части необходимо максимально удалить из жидкости НК, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. В соответствии с этим эту часть колонны называют исчерпывающей.
Периодически действующие ректификационные установки применяются в производствах небольших масштабов.
Схема периодически действующей установки приведена на рис. 4.38. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3.
В дефлегматоре богатые легколетучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 1. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.
После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (это можно установить по температуре кипения жидкости), остаток сливают, загружают куб исходной смесью и операцию повторяют.
Сравнивая периодически действующую колонну с ректификационной колонной непрерывного действия, следует отметить, что первая колонна работает, подобно верхней части непрерывнодействующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб выполняет роль исчерпывающей части.
Рис. 4.38. Схема установки
периодической ректификации:
1 – куб; 2 – насадочная ректификационная колонна;
3 – дефлегматор; 4 – делитель
флегмы; 5 – холодильник;
6 – сборники дистиллята
Допущения, принимаемые для расчета процессов ректификации. Мольные теплоты испарения компонентов бинарной жидкой смеси обычно близки по величинам, в отличие массовых, которые существенно различаются между собой. В этой связи количества и составы фаз при анализе и расчете процесса наиболее удобно выражать в мольных величинах. В соответствии с этим расходы фаз наиболее целесообразно выражать в молях, а составы – в мольных долях НК.
Примем следующие допущения, мало искажающие результаты, но существенно упрощающие расчет.
1. Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипениядля всех жидкостей является приближенно постоянной. Для смеси, состоящей изкомпонентов:
,
или при ,
.
Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется 1 кмоль НК, т.е. количество паров (в кмолях), поднимающихся по колонне постоянно ().
2. Состав пара , удаляющегося из колонны в дефлегматор, равен составу дистиллята. При этом допускается, что укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации паров можно пренебречь и принять, где– состав дистиллята в паровой фазе.
3. Состав пара , поднимающегося из кипятильника в колонну, равен составу жидкости, стекающей в кипятильник из нижней части колонны. Принимая, пренебрегают исчерпывающим действием кипятильника, т.е. изменением состава фаз при испарении в нем жидкости.
4. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.
Кроме того, в расчетах принимают, что смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке.
Для составления материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия обозначим: – количество смеси, поступающей на ректификацию;и– количество получающегося дистиллята и остатка соответственно;,,– содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и остатке соответственно (мольн. доли).
Материальный баланс процесса разделения:
для всей смеси
;
для легколетучего компонента в смеси
.
Из этих равенств обычно вычисляют неизвестные количества дистиллята и остатка:
;
.
Уравнения рабочих линий. Материальный баланс ректификации по летучему компоненту может быть выражен общим для всех массообменных процессов равенством
.
Пусть количество взаимодействующих паров составляет , а жидкости –. Тогда, согласно принятым обозначениям, расход пара, расход жидкости для верхней части ректификационной колонны –для нижней части аппарата –, где– флегмовое число,– число питания. Таким образом, для верхней и нижней частей аппарата уравнения материального баланса имеют вид:
; (4.44)
. (4.45)
Для произвольного сечения верхней части аппарата, где рабочие концентрации и, и верха, где концентрацияи, из уравнения (4.45) получим
(4.46)
или
. (4.47)
Для произвольного сечения нижней части аппарата, где рабочие концентрации и, и низа, где концентрацияи, из уравнения (4.45) найдем
или
. (4.48)
Уравнения (4.47) и (4.48) являются уравнениями прямых линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей ректификационного аппарата.
Кроме того, из уравнения (4.44) для сечения, соответствующего вводу исходной смеси (), и верхней части аппарата (,) получаем
,
откуда
.
Положения линий рабочих концентраций в диаграмме зависят не только от состава исходной смеси, но также от ее тепловых параметров. Возможны следующие случаи питания исходной смесью: 1)при температуре ниже, чем температура кипения; 2) при температуре кипения; 3) смесью насыщенного пара и жидкости; 4) насыщенным паром; 5) перегретым паром.
Рассмотрим наиболее распространенный случай питания аппарата жидкой смесью при температуре кипения. В этом случае возможны два предельных положения рабочих линий (рис. 4.39): 1-3´для верхней и 3-2 для нижней части колонны.
Первое положение соответствует бесконечно большому флегмовому числу, при котором отрезок, отсекаемый на оси ординат рабочей линией верхней части колонны, , и, следовательно, изменение рабочих концентраций в аппарате отвечает уравнениюи обе рабочие линии лежат на диагонали диаграммы. В этих условиях аппарат работает без отбора дистиллята и кубовой жидкости. Как следует из рисунка, бесконечно большому флегмовому числу соответствует максимальная движущая сила.
Рис. 4.39. Расположение рабочих линий и равновесия с вариантом питания колонны исходной смесью при температуре кипения
Второе предельное положение рабочих линий (1-3´´-2) соответствует пересечению их на равновесной кривой в точке 3´´. Очевидно, что в этой точке движущая сила равна нулю, т.е.и, следовательно, ректификационный аппарат должен иметь бесконечно большую поверхность фазового контакта. Флегмовое число при этом имеет наименьшее значение:
,
где – состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью, поступающей на ректификацию.
Положение рабочих линий 1-3-2 соответствует рабочему состоянию ректификационной аппаратуры. Точка 3, очевидно, может приближаться либо к верхнему пределу 3´´, либо к нижнему 3´. Соответственно этому изменяются флегмовое число и движущая сила процесса.
Поскольку проведение процесса ректификации связано с испарением жидкости и соответствующими затратами тепла, можно сформулировать одно из важнейших правил ректификации: с уменьшением флегмового числа и, следовательно, затрат тепла на проведение процесса уменьшается движущая сила и наоборот.
Периодически действующиеустановки, в свою очередь, подразделяются на установки, работающиев условиях режима постоянного флегмового числа, и установки, работающиев условиях, обеспечивающих постоянный состав дистиллята.
Для обеспечения постоянного состава дистиллята процесс ректификации необходимо проводить при непрерывно изменяющемся флегмовом числе: минимальном в начале процесса и максимальном в конце. По мере отгонки летучего компонента концентрация его в кубе уменьшается до , проходя через ряд промежуточных значений,и т.д. Определение положения точек а, б и т.д. (рис. 4.40а), характеризующих соответствующее флегмовое число, возможно путем подбора, а именно: их положение должно отвечать равенству чисел единиц переноса для границ концентраций,и т.д. в пределах концентраций.
Очевидно, что проведение процесса ректификации периодическим методом при режиме практически затруднительно, поскольку для этого требуется непрерывное и строго программное изменение питания колонны парами и флегмой. Поэтому этот режим ректификации в промышленности применяют очень редко.
Широко распространен процесс ректификации, проводимый периодическим методом в условиях поддержания постоянного флегмового числа. Этот процесс для малотоннажных производств наиболее предпочтителен даже в сравнении с процессом непрерывной ректификации. Это преимущество заключается в том, что разделение смеси из любого числа компонентов возможно при помощи одного ректификационного аппарата.
При постоянном флегмовом числе наклон рабочих линий не зависит от концентраций (рис. 4.40б).
Пусть в первый момент ректификации концентрация летучего компонента в кубовой жидкости составляет , а дистилляте. По мере течения процесса концентрация летучего компонента в кубовой жидкости будет уменьшаться и принимать значения,и т.д., вплоть до конечного значения. Соответственно будет уменьшаться и концентрация летучего компонента в дистилляте:,,и т.д. В итоге процесса будет получен дистиллят среднего состава в пределахи остаток состава.
По ряду значений флегмовых чисел, отвечающих различным концентрациям летучего компонента в жидкости, можно установить зависимость и путем графического интегрирования найти среднее флегмовое число:
.