Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

Тепловой баланс.

растворения, но с обратным знаком.

Индексы н – начальное, к – конечное, ВП – вторичный пар, п – потери, ГК – конденсат греющего пара.

Запишем частный случай, рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаряемой влаги при постоянной температуре кипения:

W(HВП СВТКИП ) теплота на испарение растворителя при ТКИП

При небольшой степени концентрирования и хорошей изоляции выражение

(QКОНЦ QП ) мало и ей можно пренебречь.

Если предположить, что ТН ТКИП , то есть раствор поступает в аппарат при температуре кипения, то

W

пара необходимо больше на 1.05 1.15. Основная расчетная формула:

42

известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур ТП .

2.2.3 Температурные потери.

Обычно в выпарных установках известны давления греющего пара и вторичных паров, то есть их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов:

(4.81)

ТОБЩ связана с полезной разностью температур

здесь концентрационная температурная депрессия.

гидростатическая температурная депрессия.

гидравлическая температурная депрессия.

определяют как разницу температур кипения раствора и чистого

растворителя при p cosnst :

Таким образом, температура образующегося при кипении раствора вторичных паров ниже, чем температура кипения самого раствора, то есть часть температур теряется бесполезно.

характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением гидростатического давления. Обычно по высоте кипятильника определяют среднее давление, и для этого давления определяют среднюю температуру кипения раствора Тср .

Гидравлическая температурная депрессия связана с потерей давления насыщенных вторичных паров при прохождении через каплеотбойник и при движении по трубопроводам. При снижении давления падает температура насыщенного пара.

43

НГ(n 1) - энтальпия конденсата греющего пара.

Спомощью системы уравнений тепловых балансов для всех корпусов и уравнений баланса испаряемой жидкости определяют расход греющего пара в первом корпусе, расходы выпаренной воды в каждом корпусе и их тепловые нагрузки.

2.2.5 Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам.

где ТГ температура греющего пара в первом корпусе, Тбк температура вторичного пара, поступающего в барометрическую камеру.

2 способ. Суммарная поверхность теплообмена корпусов установки минимальна.

45

3 Массопередача

3.1 Общие сведения

В химической технологии широко распространены и имеют важное значение п р о ц е с с ы м а с с о п е р е д а ч и , характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем.

Виды процессов массопередачи. В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами:

А б с о р б ц и я — поглощение газа жидкостью, т. е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в жидкую. Обратный процесс выделения газа из жидкости называется д е с о р б ц и ей. Э к с т р а к ц и я (в системе жидкость — жидкость)— извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. При этом извлекаемый компонент исходного раствора переходит из одной жидкой фазы в другую.

Р е к т и ф и к а ц и я — разделение гомогенных жидких смесей путем многократного взаимного обмена компонентами между жидкой и паровой фазами, движущимися обычно противотоком друг к другу.

А д с о р б ц и я — поглощение компонента газа, пара или раствора твердым пористым поглотителем, т. е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс — д е с о р б ц и я проводится после адсорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Разновидностью адсорбции является ионный обмен — процесс разделения, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов электролитов.

5.Сушка — удаление влаги из твердых материалов главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.

6.К р и с т а л л и з а ц и я — выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости.

7.Р а с т в о р е н и е и э к с т р а к ц и я (в системе твердое тело — жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жидкую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обратный кристаллизации. Избирательное растворение, предназначенное для

47

извлечения того или иного компонента из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого, или в ы щ е л а ч и в а нием.

Подобно теплопередаче м а с с о п е р е д а ч а представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Как известно, при теплопередаче обменивающиеся теплом среды в большинстве случаев разделены твердой стенкой, в то время как массопередача происходит обычно через границу раздела соприкасающихся фаз.

Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной из фаз, называется массоотдач ей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое — вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество. Вещества, составляющие каждую из фаз, являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воздухом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества — аммиака.

К другой группе относятся процессы (например, ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными процессами.

Для диффузионных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов распределяемого вещества. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, и в расчетах движущую силу проиессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций, подобно тому, как в процессах теплопереноса ее выражают разностью температур. Расчетные выражения движущей силы не одинаковы для процессов массоотдачи и массопередачи и будут рассмотрены ниже для каждого из этих процессов.

Процессы массопередачи с твердой ф а з о й отличаются специфическими особенностями переноса распределяемого вещества внутри твердой фазы. Поэтому закономерности массопередачи в системах с твердой фазой описаны отдельно.

Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальных ее компонентов. Эти процессы

48

большей частью обратимы, т. е. могут протекать в противоположных направлениях в зависимости от температуры, давления и других условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия.

Способы выражения состава фаз. Обычно количественный состав фаз выражают:

в объемных к о н ц е н т р а ц и я х , принимая за единицу массы 1 кг или 1 кмоль; объемная концентрация представляет собой число килограммов (или киломолей) данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (в кг/м3 или кмоль/м3); в в е с о в ы х и л и мольных долях, представляющих собой

отношение килограммов (или киломолей) данного компонента к массе всей фазы, выраженной общим числом килограммов или киломолей соответственно; 3)в о т н о с и т е л ь н ы х к о н ц е н т р а ц и я х , т. е. в виде отношения

килограммов (или киломолей) данного компонента, являющегося распределяемым веществом, к числу килограммов (или киломолей) компонента — носителя, количество которого остается постоянным в процессе массопередачи.

Весовые и мольные доли. Пусть имеется смесь, состоящая из компонентов А, В, ..., К, ..., N, весовые доли (или весовые проценты) которых в смеси ХА, хв, ..., хк, ..., XN и молекулярные веса равны МА, Мв, ..., Мк, ,.„ MN.

Число молей любого компонента, например компонента K, приходящееся на 1 кг смеси, составляет ~хк/Мк. Соответственно содержание этого компонента в смеси (в мол. долях)

(1)

Для обратного пересчета выразим весовые доли х компонентов через мольные доли х.

Массы отдельных компонентов, содержащихся в 1 кмоль смеси, составляют МaХА, Мвхв, ..., Мкхк, ..., MNxN, а общая масса 1 кмоль смеси:

Соответственно весовая доля K-го компонента:

(2)

Для двухкомпонентной (бинарной) смеси, состоящей из компонентов А и В, выражения (1) и (2) упрощаются. Если весовая доля одного из компонентов (например, компонента A) равна хд, его мольная доля хA и молекулярный вес МA, то содержание другого компонента (с молекулярным весом MB) будет (1 — ХА) или (1 — хA соответственно. Поэтому мольный состав смеси (по компоненту A)

49

(3)

и ее весовой состав по тому же компоненту

(4)

Объемная концентрация и весовые доли. Обозначим объемные концентрации компонентов в смеси через СА, св, ..., ск, ..., CN , кг/м3. Сумма ca+cb+…+cK+…+cN представляет собой массу-смеси в 1 м2 ее объема, или плотность р смеси. Соответственно весовая доля любого (например, K-го) компонента выражается через его объемную концентрацию с к следующим образом:

(5)

Относительные концентрации, весовые и мольные доли. Пусть X и Y выражают относительные весовые концентрации распределяемого компонента во взаимодействующих фазах Фх и Фу соответственно, т. е. количества его, приходящиеся на один килограмм носителя в каждой фазе.

Общая масса фазы, состоящей из распределяемого компонента и 1 кг носителя, призраком выражении концентрации равна (1 + X) кг (жидкая фаза) и (1 + Y) кг (газовая или паровая фаза).

Соответственно весовые концентрации х и у распределяемого компонента в фазах:

(6а)

где ∑Х и ∑К — сумма относительных весовых концентраций всех компонентов смеси (кроме носителя) в фазах Фх и Фу.

В случае выражения концентраций распределяемого компонента в мольных долях его относительные весовые концентрации определяются из следующих зависимостей:

(7а)

где М и Мн — молекулярный вес распределяемого компонента и носителя,

кг.

50