Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

.

Рис. 15.22. Схема материальных и тепловых потоков для выделенной части установки непрерывной ректификации

Выразим расходы флегмы Ф и пара G через расход дистиллята D и флегмовое число R (15.35), (15.36), сгруппируем слагаемые, относящиеся к кипятильнику в левой части уравнения, а остальные в правой, отнимем и прибавим слагаемое

DI'Ф, обозначим тепловую нагрузку кипятильника (количество тепла,

передаваемого от греющего пара кипящей жидкости за единицу времени) Qкип , тогда из (15.46) получим

Алгебраическая сумма второго, третьего и четвертого слагаемых невелика. Нетрудно показать с использованием (15.33), что она равна нулю при допущении о возможности записи удельной мольной энтальпии жидкой смеси, находящейся в равновесии с паром, через энтальпии чистых легколетучего I'л и труднолетучего I'т компонентов на линии насыщения при фиксированном давлении в виде

Потери тепла в окружающую среду при наличии тепловой изоляции, обычно, невелики и составляют 3-5% от полезной нагрузки кипятильника

101

пол

Qп кп Qкип кп 003. 0.05 (15.50)

С учетом выше сказанного тепловая нагрузка кипятильника может быть приближенно найдена

Таким образом затраты тепла на испарение в кипятильнике пропорциональны

расходу пара G, а при фиксированном расходе дистиллята (D=const) - флегмовому числу R. Суммарный расход тепла для проведения процесса ректификации включает еще тепло, необходимое для подогрева исходной смеси в подогревателе 6 (рис. 15.19), однако последняя величина не зависит от флегмового числа и может быть найдена из теплового баланса, составленного для подогревателя. Кроме того, необходим определенный расход охлаждающего агента, обычно воды, используемого в дефлегматоре и холодильниках дистиллята и кубового остатка, который находится из тепловых балансов, составленных для соответствующих аппаратов. Экономия тепловых затрат может быть достигнута путем предварительного нагрева исходной смеси за счет тепла, отводимого от кипятильника, дефлегматора, холодильников дистиллята и кубового остатка. Кроме того это тепло может использоваться для других производственных нужд.

5.4.3 Выбор флегмового числа

Для проведения процесса ректификации, в отличие от абсорбции, рабочие линии должны располагаться ниже линии равновесия, так как легколетучий компонент переходит из жидкой фазы в паровую. Это условие накладывает ограничение на флегмовое число, от величины которого зависит расположение рабочих линий. При уменьшении флегмового числа рабочих линий перемещаются вверх, что приводит к уменьшению движущейся силы процесса. В предельном случае при R=0 уравнение рабочей линии верхней части колонны, как это следует из (15.37), принимает вид y xD , что соответствует горизонтали АЕ (рис. 15.23а). Это и понятно, так как при R=0 расход флегмы

равен нулю (Ф=0), следовательно, отсутствует орошение верхней части колонны и пары проходят по ней без взаимодействия с жидкостью не меняя своей концентрации (y yD xD ). Разумеется, такой режим работы колонны не рационален, так как верхняя часть колонны при этом не участвует в массообмене. На практике с такой ситуацией сталкиваться не приходится ибо ректификацию применяют для высокой степени разделения исходной смеси, а это значит, что по условию xD существенно выше xF и соотношение между ними, а также y x таково, что требует для достижения необходимой степени разделения нескольких теоретических тарелок в верхней части колонны. Это приводит к ограничению на флегмовое число, которое должно быть больше некоторого минимального значения (R Rmin ). Минимальное флегмовое число (как и минимальный расход абсорбента в процессе абсорбции) находится из

102

Рис. 15.23. Расположение рабочих линий при различных значениях флегмово-го числа и определение числа теоретических тарелок в нижней Nтн и верхней Nтв частях колонны

Проанализируем влияние флегмового числа на число теоретических тарелок Nт, необходимых для требуемой степени разделения исходной смеси. Воспользуемся для определения Nт графическим способом (см. раздел 13.7.3), заключающимся в вписывании прямоугольных ступеней между рабочими и равновесной линиями. Вписывание ступеней можно начинать как из точки С (нижнее сечение колонны), так и из точки А (верхнее сечение). Количество ступеней, расположенных между точками А и Е соответствуют числу теоретических тарелок в верхней части колонны Nтв, а между точками СЕ - в нижней части Nтн. Число теоретических тарелок обычно округляют до целого значения в большую сторону. Общее число теоретических тарелок в колонне Nт Nтв Nтн . Как видно из рисунка 15.23 Nт , R Rmin и Nт Nт min , R . Итак, число теоретических тарелок, а пропорционально им и число действительных тарелок N из (13.222), стремится к бесконечности при стремлении флегмового числа к минимальному значению, а это значит, что к бесконечности будет стремиться и высота колонны по (13.213). С другой стороны, при стремлении флегмового числа к бесконечности число теоретических тарелок и высота колонны будут минимальными, но зато к бесконечности будет стремиться расход пара в колонне по (15.36), а это приведет к бесконечно большим диаметру колонны и затратам на испарение жидкости в кипятильнике. Таким образом, предельные случаи явно не реализуемы и должна решаться задача выбора оптимального значения флегмового числа. В качестве критерия оптимальности обычно используют суммарные затраты на изготовление и функционирование ректификационной установки.

5.5 Периодическая ректификация

Основной отличительной особенностью периодической ректификации по сравнению с непрерывной является нестационарность данного процесса и периодический способ его проведения. Это вызывает дополнительные сложности расчета и эксплуатации периодических установок, а также меньшую их производительность, что обуславливает меньшую их распространенность в промышленности. Определенные преимущества периодической ректификации проявляются при разделении смесей: а) с малыми расходами - в этом случае проведение процесса имеет смысл лишь после их накопления; б) многокомпонентных - периодически действующая установка позволяет осуществлять процесс в одной колонне, в то время как для его проведения в непрерывной требует количества колонн на единицу меньше числа компонентов; в) с изменяющимся качественным и количественным составом. Периодическую ректификацию проводят, обычно, одним из двух способов:

при постоянном флегмовом числе R=const; при постоянном составе дистиллята xD=const.

104

Периодическая ректификация при постоянном флегмовом числе может осуществляться в установке, изображенной на рис. 15.27.

Исходная смесь в количестве F состава xF заливается в куб-испаритель 1, обогреваемый, обычно, водяным паром. В нем она нагревается до температуры кипения и закипает. Образовавшиеся пары с расходом G поднимаются по колонне 2 и конденсируются в дефлегматоре 3. Полученный конденсат

разделяется в делителе 4 на флегму с расходом Ф и дистиллят с расходом D. Флегма поступает на орошение колонны, а дистиллят, охлаждаясь в холодильнике 5, собирается в сборниках 6. Пары, поднимаясь по колонне и контактируя с флегмой, обогащаются легколетучим компонентом, а жидкость, стекая вниз - труднолетучим. Как уже отмечалось, основной особенностью процесса периодической ректификации является его нестационарность.

При проведении процесса кубовая жидкость с течением времени обедняется легколетучим компонентом, т.е. xW t - уменьшается. Соответственно со временем будет уменьшаться доля легколетучего компонента в поднимающихся парах, а при постоянном флегмовом числе и в дистилляте (xD t - уменьшается). Обычно, дистиллят собирают в несколько сборников в

виде фракций со средними составами xD1 xD2 xD3 . Процесс заканчивается при достижении заданного состава куба xWк , кубовый остаток в количестве Wк , охлаждаясь в холодильнике 7, сливается в сборник 8. Затем процесс может возобновляться.

Изображение процесса периодической ректификации при постоянном флегмовом числе на y-x диаграмме приведено на рис. 15.28. Поскольку ввод питания в колонну отсутствует, то расходы жидкости и пара по высоте колонны не изменяется, что обуславливает единственную рабочую линию, соответствующую рабочей линии верхней части колонны непрерывного действия (15.37). Отличие будет заключаться в уменьшении состава дистиллята с течением времени xD t , что приведет к параллельному переносу рабочей линии вниз для каждого последующего момента времени. В случае периодической ректификации с использованием встроенного кипятильника можно считать состав пара, поднимающегося из куба на нижнюю тарелку, равновесным с

105

3

G, yD (t)

Рис. 15.27. Схема установки периодической ректификации: 1 - куб-испаритель; 2 - ректификационная колонна; 3 - дефлегматор; 4 - делитель флегмы; 5 - холодильник дистиллята; 6 - сборники дистиллята; 7 - холодильник кубового остатка; 8 - сборник кубового остатка.

составом кубовой жидкости y1 y xW t , т.е. куб-испаритель будет соответствовать одной теоретической ступени изменения концентрации. Количество теоретических ступеней изменения концентрации, обеспечиваемых ректификационной колонной, в течение всего процесса можно считать неизменным, что позволяет определять состав дистиллята по известному составу куба и наоборот xD f xW . Если пренебречь количеством смеси, находящейся в самой колонне 2, то для начального момента времени, при котором отбирается первая порция дистиллята, состав куба соответствует

уравнением (15.37), до пересечения с горизонталью, соответствующей теоретической ступени обеспечиваемой кубом, вертикаль для которой восстанавливается из точки xF ,0 . Между рабочей и равновесной линиями вписываются прямоугольные треугольники, определяющие количество теоретических ступеней Nк, которые должна обеспечит колонна для осуществления заданной степени разделения (от xF до xD0 ). Общее количество теоретических ступеней ректификационной установки (колонна + куб) будет равно Nту Nтк 1. Построение рабочих линий для последующих моментов

106

времени удобнее начинать с верха колонны, проводя рабочие линии из точекxD t , y xD t , заканчивающихся после вписывания Nтк ступеней. Концентрация кубовой жидкости xW t определяется вписыванием еще одной теоретической ступени, соответствующей кубу колонны. Так графическим способом получают зависимость xD f xW , которую можно аппроксимировать полиномом или другой функцией для последующего использования в уравнениях (15.62).

5.6 Ректификация многокомпонентных смесей

Рассмотрение ректификации многокомпонентных смесей начнем с непрерывного процесса. Задача разделения n-компонентной исходной смеси на практически чистые компоненты (четкое разделение) может быть решена в установке, содержащей n-1 простую колонну. Простой называется колонна, в которой осуществляется один вход исходной смеси и два выхода продуктов разделения - дистиллята и кубового остатка. Если колонна содержит дополнительные вводы питания и выходы продуктов, то она называется сложной. В сложной колонне может решаться задача разделения исходной смеси на отдельные фракции определенного состава, отбираемые в различных точках по высоте колонны. Наиболее часто последняя задача решается в нефтепереработке ибо, во-первых, добиться четкого разделения нефти, содержащей более тысячи компонентов, практически невозможно, в этом, зачастую, нет необходимости.

Рассмотрим четкую ректификацию на примере трехкомпонентной смеси, летучесть компонентов которой уменьшается от первого к третьему. Возможны две схемы установки, состоящих из двух простых колонн, изображенные на рисунке 15.32. В первой из них (вариант а) наиболее летучий компонент 1 собирается в дистилляте первой колонны, а два других 2 и 3 - в кубовом остатке. Затем этот остаток разделяется на практически чистые компоненты во второй колонне. Во втором варианте установки б)практически чистый компонент 3 собирается в кубовом остатке первой колонны, а смесь более летучих 1 и 2 в дистилляте. Затем эта смесь разделяется во второй колонне.

2+3 3 3 2

а) б)

107

Рис. 15.32. Схемы установок четкой ректификации трехкомпонентной смеси с последовательным соединением колонн по потокам кубового остатка а) и дистиллята б) : 1, 2, 3 - номера компонентов, расположенных в порядке их летучести.

С увеличением числа компонентов смеси количество вариантов соединения колонн быстро возрастает.

Основными особенностями расчета колонны для непрерывного разделения многокомпонентной смеси являются следующие:

Нельзя задавать в качестве исходных данных концентрации всех компонентов в дистилляте и кубовом остатке, так как в этом случае число уравнений математической модели колонны будет превышать количество неизвестных (см. разделы 13.8.3, 13.8.4). Можно задать концентрации лишь одного компонента, называемого ключевым, в дистилляте хD1 и кубовом остатке хW1. Концентрация остальных компонентов в продуктах разделения определяются решением уравнений, составляющих математическую модель колонны; Состав исходной смеси, в общем случае, не совпадает с составами жидкости и пара ни в одном сечении колонны. Это обуславливает необходимость решения проблемы оптимального по высоте колонны уровня ввода питания; Изменение концентрации компонентов, обладающих промежуточными

летучестями, по высоте колонны может проходить через максимумы и минимумы (см. рис. 15.33).

6 Экстракция.

Экстракцией в широком смысле называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или тв. тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов).

В результате взаимодействия фаз получают экстракт – раствор извлечённых веществ в экстрагенте и рафикат – остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалён экстрагируемые компоненты.

Устройство экстракционных аппаратов.

108

В зависимости от вида контакта между жидкими фазами, экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают:

-ступенчатые, где изменение состава фаз происходит скачкообразно, от ступени к ступени, из которых состоит аппарат;

-дифференциально-контактные, в которых изменение состава фаз приближается к непрерывному. Обычно в экстракторах для создания возможно большей поверхности контакта фаз и, соответственно, для увеличения скорости массопередачи одна из жидкостей (дисперсная фаза) распределяется в другой жидкости (сплошная фаза) в виде капель.

Вместе с тем по принципу организации процесса все экстракторы могут быть разделены на периодические действующие и непрерывно действующие.

6.1. Ступенчатые экстракторы.

Экстракторы этого типа относятся к числу старейших экстракционных аппаратов. Каждая ступень экстрактора состоит из смесителя, где жидкости перемешиваются до состояния, возможно более близкого к равновесному, и отстойника, где происходит отделение экстракта от рафината. В пределах ступени фазы движутся прямотоком друг к другу, но установка в целом, работает при противоточном движении фаз.

Лёгкая фаза подаётся всмеситель первой ступени, куда параллельным токомпоступает тяжёлая фаза из отстойника следующей ступени. После смешения фазы расслаиваются в отстойнике в ступени, из котороготяжёлая фаза отводится как конечный продукт, а лёгкая направляется во вторую фазу. Здесь она смешивается со свежей тяжёлой фазой и отделяется от нее в отстойнике второй ступени. Перемещение и смешение жидкостей можетпроизводиться не только с помощью механических мешалок, но и посредством насосов, инжекторов и другими способами. Разделение фаз можно осуществлять не только в гравитационных отстойниках, но и в аппаратах центробежноготипа (гидроциклоные центрифуги).

Достоинства: достигается интенсивное взаимодействие между фазами. Приспособлены для обработки жидкостей при эначительно отличающихся объёмных расходах фаз. Возможность эффективного применения для процессов экстракции, требующих большого числа ступеней. Требуют меньшей высоты помещения.

Недостатки: занимают большую площад, чем колонные аппараты. Медленное отстаивание жидкости, что нежелательно при обработке дорогостоящих, взрывоопасных или легковоспламеняющихсявеществ. Наличие мешалок с приводом усложняет конструкцию.

6.2. Дифференциально-контактные экстракторы.

Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь устройства для ввода лёгкой и тяжёлой фаз. В верхней отстойной зоне капли сливаются и образуют слой лёгкой фазы, которая отводится сверху колонны.

109

Тяжёлая фаза поступает через трубы и движется в виде сплошной фазы сверху вниз. Удаляется из колонны через гидравлический затвор, с помощью которого достигается полное заполнение жидкостью корпуса.

Полочные колонные экстракторы представляют собой колонны с тарелками – перегородками различных конструкций. Перегородки имеют форму либо чередующихся дисков и колец, либо глухих тарелок с закраинами и сегментными вырезами, либо форму дисков с вырезами.

Достоинство: интенсивность массопередачи в полочных колоннах несколько выше, чем в распылительных.

К гравитационным экстракторам (без подвода внешней энергии) также относятся насадочные и сетчатые колонные экстракторы. Существуют также экстракторы с подводом внешней энергии.

Экстракторы с выносными пульсаторами применяются наиболее часто. Достоинства: пульсации способствубт лучшему дроблению диспергируемой фазы на капли и соответственно увеличению поверхности контакта фаз, интенсивному их перемешиванию, а также увеличению времени пребывания диспергируемой фазы и её задержки в колонне. Ряд исследований показали, что возрастание

эффективности под действием пульсаций достигается благодаря увеличению поверхности контакта фаз.

Недостаток: коэффициент массопередачи несколько уменьшается из-за продольного перемешивания.

6.3. Центробежные экстракторы.

Использование центробежных сил является эффективным средством улучшения не только смешения, но и раздела фаз.

Жидкости поступают поднапором с противоположных концов в каналы быстро вращяющегося вала, на котором закреплён ротор. Внутри ротора размещена спиральная перегородка. Между её витками противотоком друг к другу движутся лёгкая и тяжёлая фазы. Тяжёлая – от оси к периферии ротора, а лёгкая

– от переферии к оси. Обе фазы перемешиваются, проходя сквозь отверстия спиралей, и разделяются в каналах под действием центробежных сил. Достоинства: Компактны и сочетаят значительную производительность с высокой интенсивностью массопередачи. В них можно эффективно обрабатывать жидкий с небольшой разностью плотностей. Отличаются малой удерживающей способностью и коротким временем пребывания жидкостей в аппарате. Применяют для экстракции легко разлагающихся веществ, н-р антибиотиков.

Недостатки: Неприменимые для экстракции, сопровождаемой химической реации, когда требуется длительное время контакта фаз.

К конструкции аппаратов, в которых проводят процессы растворения и выщелачивания,предъявляются следующие основные требования:

-высокая удельная производительность, характеризуемая выходом раствора с единицы рабочего объёма аппарата;

-возможно более высокая концентрация получаемого раствора;

110