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

Т


Потоки:

Оборудование:

В4 – В4– вода оборотная (подача);

Т7 – Т7– насыщенный водяной пар;

С1 – С1– исходная смесь;

D2 – D2– пары дистиллята;

D1 – D1– дистиллят;

К1 – К1– кубовый остаток;

В5 – В5– вода оборотная


КР – колонна ректификационная;

Д – дефлегматор;

К – кипятильник;

П – подогреватель;

Х – холодильник;

Р – распределитель;

Е1-3 – емкость;

Н – насос;

КО1-2 – конденсатоотводчик

Рисунок 7.17 – Схема ректификационной установки

непрерывного действия
арелку, на которую подают смесь, называют питающей. Питающая тарелка делит колонну на две части: верхнюю – укрепляющую (происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящим компонентом) и нижнюю – исчерпывающую (удаление из пара низкокипящего компонента). Поток пара, поднимающегося по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике, а поток жидкости, текущий по колонне сверху, – возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих паров в дефлегматоре. Дефлегматор находится выше колонны или внутри ее. Образующаяся в нем флегма стекает обратно на верхнюю тарелку колонны. Стекающая флегма непрерывно обогащается высококипящим компонентом, а поднимающиеся пары – низкокипящим компонентом. В результате выходящий из колонны пар состоит почти целиком из низкокипящего компонента. Часть конденсата этого пара в виде флегмы идет на орошение колонны, другую часть – дистиллят  отбирают как готовый продукт.


Конструкция ректификационных колонн аналогична абсорбционным колоннам. Ректификационные колонны также бывают насадочные, тарельчатые и пленочные.
7.2.5 Расчет ректификационной установки непрерывного

действия для разделения бинарных смесей
З


xF, xd, xw – cодержание ЛК в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно (мольные доли); х, у – рабочие

концентрации, (мол); GF, Gd, Gw – производительность колонны по исходной смеси, дистилляту и кубовому остатку соответственно (кмоль/с)

Рисунок 7.18 – К расчету ректификационных колонн
адача расчета сводится к определению основных размеров колонны (диаметра, высоты), характеристик и размеров элементов внутреннего устройства (тарелок, колпачков, насадки), материальных потоков и затрат тепла (рисунок 7.18).

При расчете ректификации принимается, что:

1) исходная смесь подается в аппарат при температуре кипения;

2) смесь бинарная А+В;

3) удельные теплоты парообразования примерно равны: rA = rB, (если бы rB > rA, то расход пара увеличился бы, т.к. при конденсации компонента В выделялось бы больше количества тепла, чем для испарения 1 кмоль компонента А);

4) процесс в колонне адиабатический;

5) куб колонны и дефлегматор не обладают разделяющими свойствами:

а) пар, подающийся из куба, равен составу кубовой жидкости;

б) состав дистиллята равен составу пара, приходящего в дефлегматор.

Порядок расчета:

а) определение равновесных зависимостей:

;

– представление справочных данных в форме таблиц;

– построение диаграмм состояния Р–х(у), t–х(у), х–у;

б) определение материальных потоков:

– по потокам

; (7.22)

– по легколетучему компоненту

; (7.23)

– для верхней части колонны

; (7.24)

, (7.25)

где D – количество паров, поднимающихся по колонне;

– уравнение рабочей линии верхней части колонны:

, (7.26)

где R – флегмовое число определяемое,

. (7.27)

Уравнение (7.26) представляет собой уравнение прямой

,

где ;

.

frame34

Прямая строится по двум точкам (рисунок 7.19). Первая точка лежит на диагонали квадрата с координатой х = хd. Вторая точка отсекает на оси y отрезок ОВ;

– для нижней части колонны:

. (7.28)

Удельный расход исходной смеси определится как

;

уравнение рабочей линии нижней части колонны:

, (7.29)

где f – количество питания, приходящееся на один кмоль дистиллята

.

Уравнение (7.29) представляет собой уравнение прямой .

Первая точка лежит на рабочей линии для верхней части колонны при значении х=хF. Вторая точка лежит на диагонали квадрата с координатой х=хW (рисунок 7.20);

в) определение геометрических размеров:

– диаметр ректификационной колонны определяется из уравнения расхода

,

где w0 – фиктивная скорость газа, т.е. скорость, отнесенная к полному сечению колонны, м/с;

– высота ректификационной колонны с числом тарелок n и расстоянием между тарелками h (значение h=0,2 до 0,6 м);

– общая высота колонны;

– высота тарельчатой части;

hв и hн – расстояния над тарельчатой и подтарельчатой частями колонны;

г) определение оптимального флегмового числа R.

При увеличении значения числа R высота ОВ (см. рисунок 7.19) уменьшается, следовательно, рабочая линия для верхней части колонны смещается вниз, что приводит к уменьшению числа теоретических ступеней. То есть . При расход дистиллята , в этом случае колонна работает «на себя» – количество жидкости, поступающей в колонну, будет максимальным, так как нет отбора дистиллята и вся жидкость (флегма) возвращается в колонну.

П


Рисунок 7.21 – К определению оптимального флегмового числа
ри уменьшении флегмового числа разделение возможно только в колонне бесконечно большой высоты. При этом расходы теплоты в кубе и конденсаторе будут наименьшими. Следовательно, необходимо искать оптимальное флегмовое число (рисунок 7.21), что осуществляется с помощью технико-экономического расчета. Задача технико-экономического расчета – минимизировать функции затрат в зависимости от значения числа R.
7.2.6 Тепловой расчет колонны
Тепловой баланс ректификационной колонны представлен на рисунке 7.22.



Рисунок 7.22 – К тепловому

расчету ректификационной колонны

Теплота, затрачиваемая на проведение процесса ректификации, вносится в систему с теплоносителем в кипятильнике. Для проведения процесса ректификации необходимо подвести тепло для испарения флегмы, испарения дистиллята, нагрева кубового остатка от температуры кипения смеси до температуры кипения остатка.

Расход греющего пара на проведение процесса определяют из теплового баланса (Пр=Ух).

Приход теплоты:

Уход теплоты:

– с греющим паром Qгр.п.;

– с кубовым остатком Qкуб.;

– с исходным раствором Qисх.;

– со вторичным паром Qвт.п.;

– с флегмой Qф

– потери в окружающую среду Qпот..

Уравнение теплового баланса для ректификационной колонны:

(7.30)
7.2.7 Специальные методы ректификации
Разделение компонентов с близкими температурами кипения, относительные летучести которых близки к единице, сопряжено со значительными трудностями. Поэтому применяют специальные методы ректификации: экстрактивную и азеотропную ректификации. Сущность заключается в добавлении компонента, который способствует увеличению или уменьшению летучести.
7.3 Жидкостная экстракция
Жидкостная экстракция – это процесс извлечения одного или нескольких компонентов жидкой смеси другой жидкостью, не смешивающейся или ограничено смешивающейся с первой.

Две взаимно нерастворимые жидкости и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему.

Экстракция используется: при незначительном содержании извлекаемого компонента в смеси (при ректификации потребовалось бы большее количество тарелок); при близких температурах кипения компонентов смеси; при выделении термически нестойких веществ (процесс экстракции протекает при комнатной температуре).

Достоинства процесса экстракции: низкие энергетические затраты (извлечение компонентов проводится при комнатной температуре).

Недостатки экстракции: ввод в систему третьего компонента, что обусловливает его последующее выделение, а это приводит к увеличению материальных затрат.
7.3.1 Принципиальная схема процесса
Операции при проведении процесса экстракции (рисунок 7.23):

– контактирование исходной смеси с жидким растворителем –здесь происходит переход извлекаемого компонента через границу раздела из одной фазы в другую;

– отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.



Рисунок 7.23 – Физическая сущность процесса экстракции
Физическая сущность процесса заключается в следующем: исходная смесь, состоящая из компонентов А и В (А – извлекаемый компонент; В – растворитель I), перемешивается с экстрагентом (С – растворитель II). В результате образуется эмульсия, состоящая из компонентов А, В и С. Полученная гетерогенная смесь (эмульсия) разделяется на экстракт (А+С) и рафинат, из которого полностью удален экстрагируемый компонент (А+В). Далее экстракт (А+С) разделяется на целевой компонент А и экстрагент С, возвращаемый для повторного использования.
7.3.2 Выбор экстрагента
Оптимальным является экстрагент, обеспечивающий минимум капитальных и эксплуатационных затрат.

Требования, предъявляемые к экстрагенту:

– высокая селективность (избираемость);

– плотность, отличная от плотности первого растворителя В, (?А ? ?В);

– минимальная взаимная растворимость в растворителе исходного раствора;

– минимальная токсичность, низкая коррозионная активность, доступность, дешевизна, пожаро-, взрывобезопасность.

В качестве экстрагентов наиболее часто используют: органические кислоты, соли органических оснований, нейтральные растворители (спирт, вода). Если используют воду, то процесс называется выщелачиванием.
7.3.3 Равновесие в системе «жидкость  жидкость»
Система состоит из двух фаз и трех компонентов. Согласно правилу фаз Гиббса (К+2=Ф+N) количество компонентов К=3, количество фаз Ф=2, следовательно число степеней свободы N=1.

При проведении процесса температура не изменяется, а изменение давления в подобной системе практически не оказывает влияния на ход процесса. Поэтому в ней можно изменять концентрацию одной из фаз без нарушения равновесия.

При этом

,

где у – концентрация компонента А в растворителе С;

х – концентрация компонента А в растворителе В.

То есть данной концентрации распределяемого вещества х в одной фазе в состоянии равновесия соответствует определенная концентрация у* вещества в другой фазе.

Равновесие в системе определяется законом распределения Нереста: При Т=const соотношение между концентрациями компонентов в двух жидкостях при равновесии постоянно: или для идеальных растворов: .

Вещество распределяется между двумя жидкостями в отношении m, не зависящем от его количества.

При полной взаимной нерастворимости участвующих в процессе фаз каждая из фаз будет представлять двухкомпонентный раствор. Тогда, откладывая равновесные составы по осям координат х-у при постоянных температуре и давлении, можно получить плоскую фазовую диаграмму, причем линия равновесия будет прямой, выходящей из начала координат.

На практике вышеуказанная равновесная зависимость не является прямой линией, поскольку вещества являются частично взаиморастворимыми. Такие системы называются реальными. Величина m определяется для каждого конкретного случая опытным путем.

Для реальных растворов существуют два варианта:

– полная нерастворимость В и С; экстракт и рафинат – двойная система, и линия равновесия при постоянной температуре представляет собой кривую, которая называется изотермой экстракции (рисунок 7.24). Равновесная кривая называется биноидальной;

– фазы В и С ограниченно растворимы, следовательно, появляется тройная система и линия равновесия представится на треугольной диаграмме (рисунок 7.25).

В


Рисунок 7.24 – Изотерма

экстракции


Рисунок 7.25 – Кривая равновесия на треугольной диаграмме




ершины равностороннего треугольника соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на сторонах АВ, ВС и АС соответствует составу двухкомпонентных растворов. Каждая точка на площади внутри диаграммы соответствует составу трехкомпонентного раствора (тройной смеси). Содержание компонента в точке N определяется проведением прямых, параллельных противоположной стороне. Процессы смешения и расслаивания на диаграмме изображаются прямыми, соединяющими исходные и конечные растворы. Количество исходного раствора и экстрагента можем определить по диаграмме

(7.31)
7.3.4 Кинетика экстракции
Кинетические закономерности процесса определяются основными законами массопередачи. При экстракции происходит массообмен между жидкими фазами и распределяемое вещество переходит из одной жидкости в другую. Для развития поверхности фазового контакта одну из жидкостей диспергируют до капель. Процесс переноса вещества при экстракции представляет собой перенос вещества из сплошной фазы к поверхности капли; перенос вещества через поверхность капли; распределение вещества внутри капли. Диффузионное сопротивление может быть как в сплошной фазе, так и в самой капле. Интенсивность процесса переноса вещества определяется положениями:

– чем больше размер капель, тем больше интенсивность массопередачи в каплю, т.е. создаются более благоприятные условия для возникновения конвективных потоков;

– поверхностно-активные вещества снижают перенос вещества в каплю, т.е., адсорбируясь на поверхности, они уменьшают конвективные потоки;

– существенное влияние на интенсивность переноса в системе «жидкость – жидкость» оказывают процессы с изменением размера капель, т.е. обновление поверхности контакта фаз при слиянии и дроблении.
7.3.5 Принципиальные схемы экстракции
7


Рисунок 7.26 – Схема однократной экстракции
.3.5.1 Однократная (одноступенчатая) экстракция представляет собой наиболее простой процесс, схема которого представлена на рисунке 7.26.

Данный процесс может быть периодическим и непрерывным. Недостатком этого процесса является низкая степень извлечения, поэтому на практике часто используют многократную экстракцию.

7.3.5.2 Многократная (многоступенчатая) экстракция

Схема многократной экстракции с перекрестным током растворителя изображена на рисунке 7.27.


Рисунок 7.27 – Схема многоступенчатой экстракции при

перекрестном токе растворителей

Исходный раствор последовательно перемещается через несколько экстрактов, в каждом из которых он обрабатывается свежим растворителем. Это позволяет увеличить степень извлечения компонентов из обрабатываемого раствора.

Недостатки: увеличенный расход экстрагента.

С

Рисунок 7.28 – Схема многоступенчатой экстракции при

противоточном токе растворителя
хема многократной экстракции с противоточным током растворителя изображена на рисунке 7.28.

Достоинства: высокая производительность; получение противотоков заданного качества.

7.3.5.3 Другие виды экстракции

а) непрерывная противоточная (проводится в колонных аппаратах)

Достоинства: низкие капитальные затраты; высокая степень извлечения;

б) экстракция с двумя экстрагентами;

в) экстракция с флегмой, цель которой  увеличение смачиваемости насадки и увеличение извлекаемого компонента на последней тарелке.
7.3.6 Классификация экстракторов
Экстракционные аппараты классифицируют по разным признакам.

По принципу взаимодействия контактирующих фаз экстракционные аппараты можно разделить на два класса: работающие с непрерывным контактом фаз или со ступенчатым контактом фаз.

По расположению аппарата экстракторы подразделяются на вертикальные, горизонтальные и центробежные.

Важнейшим признаком классификации экстракторов является отсутствие или наличие подвода энергии извне. Экстракторы бывают без подвода внешней энергии (насадочные, тарельчатые, полые) и с подводом внешней энергии (роторно-дисковые, пульсационные, центробежные, вибрационные).
7.3.7 Расчет экстракторов
Целью расчета экстракторов является определение необходимого количества экстрагента, количества и концентрации экстракта и рафината.

Порядок расчета экстракционных аппаратов такой же, как и других массообменных аппаратов:

1) определение условий равновесия;

2) составление материального баланса;

3) определение движущей силы;

4) расчет коэффициентов массопередачи: КХ, КУ;

5) определение диаметра и высоты аппарата.

Расчет может проводиться как аналитически, так и графически (треугольная диаграмма).
7.3.8 Способы повышения интенсивности процесса
Рассмотрим основное уравнение массопередачи (формула (7.12)):

.

Массоперенос в процессе жидкостной экстракции существенно ускоряется вследствие обновления поверхности контакта фаз при дроблении или коалесценции капель, что происходит практически во всех экстракционных аппаратах. Значительное влияние на массообмен оказывают поверхностные явления на границе раздела фаз. Вследствие градиента межфазного поверхностного натяжения возникает движение близко расположенных к границе раздела фаз слоев жидкости в направлении возрастания поверхностного натяжения, приводящее к развитию межфазной турбулентности. Последнее приводит к ускорению массопереноса. Поверхностно-активные вещества (примеси) создают дополнительное сопротивление массопереносу на границе раздела фаз.
Вопросы для самоконтроля
1. Раскройте принцип процесса абсорбции. Для решения каких задач применяют этот процесс?

2. Как составляется материальный баланс абсорбции? Раскройте понятие рабочей и равновесной линий данного процесса.

3. Составьте тепловой баланс абсорбции.

4. Что называют минимальным и оптимальным расходом абсорбента?

5. Дайте классификацию абсорбционных аппаратов.

6. Раскройте принцип действия насадочных колонн.

7. Каков порядок расчета абсорберов?

8. Приведите примеры схем установок с однократным и многократным использованием абсорбента.

9. Раскройте принцип ректификации. Изобразите схему ректификационной колонны и укажите на ней потоки жидкости и пара.

10. Сформулируйте законы Рауля и Дальтона.

11. Изобразите схему установки непрерывной ректификации бинарной смеси.

12. Составьте материальный баланс ректификационной колонны для разделения бинарной смеси.

13. Напишите уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны.

14. Составьте тепловой баланс ректификационной колонны.

15. Как определяется оптимальное флегмовое число?

16. Раскройте сущность процесса жидкостной экстракции. Покажите схемы проведения процесса, области применения.

17. Поясните треугольные диаграммы и построение равновесных кривых.

18. Раскройте основы кинетики процесса экстракции, покажите лимитирующие стадии процесса.

19. Опишите принципиальные схемы экстракции.

20. Раскройте принцип расчета экстракторов.

21. Раскройте принципы интенсификации жидкостной экстракции.

МОДУЛЬ 8. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

С УЧАСТИЕМ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ
К группе массообменных процессов с участием твердой фазы относятся сушка, адсорбция, кристаллизация и ионный обмен.

Сушка – процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазу. Применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.

Кристаллизация – процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затвердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава).

Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.

Растворение и экстрагирование (выщелачивание) – извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества из твердого пористого материала. Применяют для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.

Особенностью всех перечисленных процессов является нестационарность процесса и многообразие элементарных механизмов массопередачи в твердом теле. При данном типе массообмена перенос массы во внешней фазе (жидкость, газ, пар) осуществляется конвективной и молекулярной диффузией, а в твердой фазе механизм переноса обусловлен многообразием твердых пористых материалов. Элементарные виды переноса в твердом пористом материале: молекулярная и конвективная диффузии.

Молекулярная диффузия вещества в матрице твердого тела – обмен местами атомов с вакантными узлами кристаллической решетки либо обмен местами двух соседних атомов. Молекулярная диффузия может быть свободной и кнудсеновской. Свободная диффузия молекул в капиллярах возникает в достаточно широких порах, радиус которых больше длины свободного пробега молекул. Стесненная, или кнудсеновская, диффузия возникает в случае, когда движение молекул определяется столкновениями со стенками пор.

Наряду со свободной и стесненной диффузией в объеме пор существует и диффузионный поток по их поверхности – термодиффузия, поскольку молекулы и в адсорбированном состоянии находятся в тепловом движении. Термодиффузия описывается законом Фика:

, (8.1)

где D – коэффициент эффективной диффузии, коэффициент массопроводности (справочная величина), м2/с.

Конвективная диффузия вещества в каналах возникает под действием разности температур и давлений по длине поры. Конвективный перенос возникает, когда длина свободного пробега молекул значительно меньше радиуса поры.
1   2   3   4   5   6   7   8


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