Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии - файл n1.doc

Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии
скачать (4601.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4602kb.04.12.2012 02:27скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

7.1.8 Тарельчатые аппараты



Представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, в которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещены горизонтальные перегородки – тарелки для развития поверхности контакта фаз.

Процесс массопереноса в тарельчатых колоннах осуществляется в газожидкостной среде, которая создается на тарелках. Следовательно, процесс проходит ступенчато, в отличие от насадочных колонн, в которых массоперенос происходит непрерывно.

По способу слива жидкости с тарелки, аппараты подразделяются на колонны с тарелками со сливными устройствами и без сливных устройств  «провальные» (рисунок 7.12).

В «провальных» тарелках отсутствуют переливные трубы. При этом одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку – «проваливание» жидкости.

Тарелки со сливными устройствами бывают колпачковые (рисунок 7.12а), ситчатые (рисунок 7.12б) и клапанные (рисунок 7.12в). Режимы работы тарельчатых колонн, как и насадочных, определяются скоростью газа.

Пузырьковый (барботажный) режим работы характеризуется небольшими скоростями газа, газ в виде отдельных пузырьков движется через слой жидкости.

Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда на тарелке образуется газожидкостная система  пена.

С




а – колпачковые тарелки; б – ситчатые тарелки; в – клапанные тарелки

Рисунок 7.12 – Типы тарелок с переливными устройствами
труйный (инжекторный)
режим возникает при дальнейшем увеличении скорости газа, который проходит через газожидкостной слой в виде газовых струй, не разрушаясь. Поверхность контакта намного меньше, чем в пенном режиме.
7.1.9 Расчет абсорберов
Исходные данные: расход газа G, его начальная и конечная концентрации, начальная концентрация абсорбента.

Определяются: расход абсорбента L, диаметр D абсорбера, высота абсорбера Н, его гидравлическое сопротивление ?Р.

7.1.9.1 Расход абсорбента определяется из уравнения материального баланса. Конечная концентрация абсорбента обычно не задана. Поэтому принимают ее как концентрацию поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с газом.

7.1.9.2 Диаметр абсорберов определяют по уравнению расхода:

, (7.15)

где w0 – фиктивная скорость газа, то есть скорость, отнесенная к полному сечению абсорбера, м/с.

7.1.9.3 Высота абсорберов определяется в зависимости от их типа:

– для насадочных с помощью уравнения массопередачи:

– по газовой фазе;
и

– по жидкой фазе,

где а – удельная поверхность, м23;

? – коэффициент смачиваемости насадки;

– для ступенчатых (тарельчатых) абсорберов в большинстве случаев определяют методом теоретической ступени (теоретической тарелки) и КПД колонны или методом построения кинетической кривой. Определение числа теоретических ступеней (теоретических тарелок) рассматривалось в разделе «Основы массопередачи».

Гидравлическое сопротивление абсорберов ?Р зависит от гидродинамических режимов, которые определяются скоростью газа и конструктивными особенностями аппарата. Оптимальную скорость определяют технико-экономическим расчетом, при этом рассматривая влияние скорости на гидравлическое сопротивление, диаметр и высоту аппарата.
7.2 Перегонка и ректификация
Перегонка – это процесс разделения жидких смесей путем их частичного испарения при кипении с последующей конденсацией образующихся паров.

Если парциальные давления компонентов, составляющих исходную смесь, различны, т.е. различна летучесть компонентов, то состав дистиллята будет отличаться от состава исходной смеси: в нем будет содержаться больше легколетучего (с большим парциальным давлением) компонента. Различают два вида перегонки: простую (дистилляция), сложную перегонку (ректификация).

Перегонка применяется для разделения и очистки сжиженных газов в химической, пищевой, фармацевтической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Перегонка проводится: под вакуумом (для термически нестойких или токсичных веществ), под атмосферным давлением, под избыточным давлением (сжиженный газ).
7.2.1 Физическая сущность процесса
Физической сущностью процесса перегонки является испарение и конденсация паров, скорости которых во многом определяются равновесными характеристиками в этой системе «жидкость – пар».

Жидкая смесь, состоящая из двух или более компонентов, нагревается до кипения (рисунок 7.13). При кипении смеси более летучий компонент переходит в газовую фазу.

Этот компонент называется низкокипящим (НК) или легколетучим (ЛК). Паровая смесь, обогащенная паром лекголетучего компонента, направляется в конденсатор, и из конденсатора выходит жидкость, состав которой аналогичен составу конденсируемого пара – дистиллят. То есть в результате перегонки смесь разделяется на дистиллят и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

7


Рисунок 7.13 – Физическая сущность перегонки
.2.2 Равновесие в системе «жидкость – пар»

Рассматривая бинарные смеси, можно сказать, что в зависимости от взаимной растворимости компонентов различают смеси: с полной (неограниченной) растворимостью компонентов, с ограниченной растворимостью и с полной взаимной нерастворимостью. Кроме того, различают идеальные смеси и реальные. Идеальными называют смеси, компоненты которых при смешении не изменяют объема. Идеальные смеси следуют закону Рауля, согласно которому парциальное давление каждого компонента в паре пропорционально мольной доли этого компонента в жидкости.

, (7.16)

где РА – давление насыщенного пара компонента А при tкип раствора, Па.

Соответственно, для компонента В закон Рауля запишется

. (7.17)

Одновременно с этим, согласно закону Дальтона, общее давление пара над раствором равно сумме парциальных давлений его компонентов:

. (7.18)

Помимо этого, в соответствии с законом Дальтона парциальное давление компонента А пропорционально его мольной доле в паре

, (7.19)

где П – общее давление пара над смесью.

Объединив уравнения (7.17) и (7.19), получим

. (7.20)

Заменив общее давление в уравнении (7.20) на выражение (7.18) и поделив числитель и знаменатель на давление насыщенного пара компонента В, получим

, (7.21)

где – относительная летучесть компонентов смеси.

В условиях перегонки значение ? > 1 связывает содержание компонента А в жидкости и паре при равновесии. Чем больше ?, тем легче разделить смесь перегонкой. Если , то такую смесь разделить перегонкой невозможно.

Рассматривая далее бинарные системы, в соответствии с правилом фаз Гиббса видим, что число степеней свободы равно 2. То есть из трех параметров, определяющих состояние системы (давление, температура, концентрация), один равен константе. При этом возможны варианты фазовых диаграмм, представленных на рисунке 7.14.

Реальные жидкие смеси характеризуются теплотами смешения компонентов, изменением объемов при смешении и т.д. Диаграммы фазовых равновесий для реальных растворов строят на основе экспериментальных данных. Для реальных смесей отклонение от закона Рауля может быть либо положительным, либо отрицательным.
7


Рисунок 7.14 – Диаграммы равновесия в системе

«жидкость  жидкость»
.2.3 Ректификация

Ректификация – это процесс разделения жидких смесей путем многократного противоточного взаимодействия жидкости и пара, не находящихся в термодинамическом равновесии.

По принципу действия ректификация бывает периодическая и непрерывная.

7.2.3.1 Физическая сущность процесса

Рассмотрим непрерывно действующую ректификацию бинарных систем.

В ректификационной колонне (рисунок 7.15) снизу движутся пары, а сверху навстречу парам подают жидкость, представляющую собой почти чистый низкокипящий компонент (флегма).

На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт (рисунок 7.16). При этом из пара конденсируется преимущественно высококипящий компонент, а из флегмы испаряется преимущественно низкокипящий компонент. В результате этого составы пара и жидкости изменяются, приближаясь к равновесным. Пар становится богаче низкокипящим компонентом, а жидкость насыщается высококипящим компонентом. Пар конденсируют в конденсаторе. Часть этого конденсата идет в виде флегмы на орошение колонны, а другую часть – дистиллят отбирают как готовый продукт. Жидкость, выходящую из нижней части колонны, называют кубовым остатком.



Рисунок 7.15 – Схема процесса ректификации




Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей – верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью. Исходная смесь F подается в среднюю часть колонны и в результате процесса делится на две части: часть, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), – дистиллят D, и часть, обедненную НК, – кубовый остаток W.
frame31

7.2.4 Описание схемы процесса непрерывной ректификации



Ректификацию обычно проводят в установках непрерывного действия. Для проведения ректификации колонны должны быть снабжены дополнительным оборудованием (рисунок 7.17).
1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации