3. Правило фаз гиббса применение к процессам массообмена

В процессах массообмена контактирующие фазы обмениваются веществом и энергией. При этом обе фазы стремятся достичь состояния равновесия, при котором скорости перехода вещества из одной фазы в другую становятся одинаковыми. Составы находящихся в равновесии фаз будут сосуществовать неизменными как угодно долго. При равновесии во всех частях системы должны быть постоянными давление и температура, так как в противном случае будут протекать процессы массо - и теплоообмена между различными частями системы.

Система может быть гомогенной, если свойства всех ее частей одинаковы и изменяются непрерывно от точки к точке. Система может быть гетерогенной, если две или более гомогенных систем разделены поверхностями раздела.

Фаза - гомогенная часть системы, отделенная поверхностью раздела от других ее частей. Фаза может твердая, жидкая и газообразная. Поскольку газы (пары) смешиваются в любых соотношениях, газовая (паровая) фаза может быть только одна. Твердых и жидких фаз в системе может быть несколько. Кроме того, каждая фаза системы состоит из компонентов - химических веществ, наличие которых необходимо и достаточно для характеристики составов и свойств каждой фазы. Так при разделении нефти перегонкой или ректификацией система состоит из двух фаз - паровой и жидкой. При этом каждая фаза может включать десятки (узкие бензиновые фракции, газообразные продукты) и сотни (исходная нефть, мазут и др.) компонентов.

Для равновесных систем выполняется правило фаз Гиббса, которое математически записывается следующим образом:

( 5 )

где Lчисло степеней свободы системы;n число компонентов;Nчисло фаз.

Число степеней свободы системы - это число независимых переменных (температура, давление, концентрация компонентов), которые можно произвольно в определенных пределах изменять, не изменяя равновесие системы.

В равновесной системе (L = 0) число сосуществующих фаз не может быть более n+2.

Для двухфазных систем, число степеней свободы системы равно числу компонентов (L = n). Поэтому для многокомпонентных систем (характерных для нефтепереработки) число степеней свободы может быть весьма велико.

4 Сущность процесса ректификации

Известны различные подходы и способы по обоснованию технологии перегонки и ректификации, а также принципов выбора конструкции аппарата для разделения бинарной смеси.

В качестве примера рассмотрим разделение бинарной смеси бензол-толуол. Известны состав и свойства компонентов исходной смеси. Проведем серию экспериментов. Поместим в перегонную колбу (рисунок 4.1) жидкость с известным составом (бензола 40 % и толуола 60%), при этом необходимо из этой смеси получить конденсат с составом бензола 99,9 % и толуола 0,01%.

После постепенного испарения и конденсации (рисунок 4.1) определим состав конденсата, получилось бензола 85% и толуола 15%. Т.е. достаточно хорошая степень разделения компонентов при постепенном испарении не достигается. Данная конструкция неприемлема на практике.

Принцип однократного испарения (конденсации) реализуется в пустотелом аппарате, называемом газосепаратор или пароотделитель (рисунок 4.1), полученный состав конденсата является неприемлемым (бензола 65% и толуола 35%), однако конструкция аппарата является более удачной по сравнению с предыдущим аппаратом.

Повторим несколько раз процессы однократного испарения и конденсации, поставив серию таких аппаратов (рисунок 4.1). При этом достигается желаемые составы паровой и жидких фаз, но масса конденсата незначительна по сравнению с массой исходной смеси. Также при этой технологии более громоздкое и дорогое аппаратурное оформление.

Все предыдущие недостатки реализуются в одном аппарате, который включает процессы многократного испарения и конденсации на каждой ступени контакта, называемыми тарелками. На любой тарелке колонны происходит контакт между парами, поднимающимися на эту тарелку и жидкостью, стекающей на эту тарелку (рисунок 4.2)

Очевидно, изменение состава фаз будет происходит в том случае, если будет градиент концентраций и температур. Поскольку давление в колонне постоянно, то это условие будет выполняться, если температура потока жидкости будет меньше, чем температура паров. Наименьшая температура должна быть в верхней части колонны, а наибольшая в нижней части колонны. При контакте этих потоков происходит изменение состава фаз до равновесных. В нижней части колонны необходим подвод тепла, а верхней необходимо охлаждение.

Контактирование встречных потоков фаз осуществляется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые составы продуктов колонны. Этот процесс называется ректификацией, и колонна называется ректификационной. Верхняя часть будет концентрационной или укрепляющей, а нижняя часть отгонной или исчерпывающей, место ввода сырья в колонну называется питательной секцией.

Рис.4.1. Основные виды процессов испарения и конденсации:

I—процессы испарения; а—постепенное; б — однократное (ОИ); в—многократное;II— процессы конденсации; а — постепенная; д - однократная (OK);

в — многократ­ная; 1, 1' — испаритель; 2, 2' ~ конденсатор; 3 — приемник; 4, 4' — испаритель; 5, 5' — разделительный сосуд (сепаратор).

В зависимости от назначения колонны могут быть полными, которые имеют концентрационную и отгонные секции, или неполными: укрепляющая колонна не имеет отгонной секции, а отгонная колонна - концентрационной секции. Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, а в сложной колонне число отбираемых продуктов более двух.

Таким образом, обосновали конструкцию аппарата для разделения бинарной смеси и необходимо доказать расчетными методами, что этот аппарат является приемлемым.

Рис.4.2. Схема ректификационной колонны.