А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 10

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

1

де у;, ..., у і - мольні (об'ємні) частки компонентів парової суміші; р;, .., Рі - густина компонентів суміші відповідно при робочих умовах.

В'язкість пари індивідуальних речовин знаходять за експеримента­льним даними, що представлені у таблицях, або визначають за допомо­гою номограм [11, 12].

Зміну динамічної в'язкості газів (пари) залежно від температури най­частіше враховують формулою Сатерлзнда [11, 12]

( 273 + С Л Є "

Т+С

273

(3.11)

де а - в'язкість пари речовини при нормальних умовах (0 0С і Р = 760 мм рт. ст.); С -постійна Сатерлзнда, що враховує індивідуальні властивості пари речовини [11, с. 513].

Для визначення в'язкості пари деяких речовин залежно від темпера­тури побудована номограма, яка представлена у книзі [12, с.107].

Для наближених розрахунків динамічної в'язкості газових і парових сумішей використовують рівняння [11]

асм = Мсм/ і(Мг • у, ), (3.12)

де М;, Мсм - мольна маса окремих компонентів і їх суміші в цілому; уі - об'ємні частки компонентів парової суміші; а - відповідні динамічні коефіцієнти в'язкості парів окремих компонентів.

Питома теплота фазових переходів характеризує кількість тепла, виділюваного (або споживаного) при фазовому переході одиниці маси речовини. Величина питомої теплоти фазового переходу залежить від індивідуальних конститутивних властивостей речовини, тиску і темпе­ратури. У більшості випадків з підвищенням тиску і температури пито­ма теплота фазового переходу зменшується (див. додатки, табл. Д.11).

Кількість тепла, виділювана при переході 1 кг речовини з парової фази в рідку, називають питомою теплотою конденсації. При зворот­ному переході (випарюванні) 1 кг рідини в парову фазу потрібно затра­тити тепло, що дорівнює питомій теплоті випаровування, яка чисельно дорівнює теплоті конденсації. Питома теплота випаровування (конден­сації) - конститутивна властивість індивідуальної речовини.

Запропоновані методи розрахунку питомої теплоти випаровування [12, 15, 16]. Експериментальні значення питомої теплоти фазових пере­ходів рідин представлені в літературі [12].

Ентальпію (тепломісткість) пари індивідуальних речовин звичай­но визначають із урахуванням температури і тиску, як правило, енталь­пія парів збільшується з підвищенням тиску.

Ентальпію насиченої пари індивідуального компонента визначають у результаті підсумовування зміни ентальпій речовини при її плавленні, нагріванні до температури кипіння (випаровування), і питомої теплоти фазового переходу, при цьому

Ннп = Нр + Ги = Но + еж (іи - і0) + Ги, (3.13)

де Ннп, Но, - ентальпії насиченої пари і речовини при температурі плавлення відповід­но; сж - середня теплоємність рідини при нагріванні, Дж/кг; іо , іи - температури плав­лення і випаровування відповідно; ги - питома теплота випаровування рідини, Дж/кг.

Ентальпію суміші насиченої пари декількох речовин визначають на основі правила адитивності для   газових сумішей, при цьому

Нсм Нгхг , (3.14) 1

де Ні - ентальпія індивідуальних компонентів суміші, Дж/кг; х; - масова частка інди­відуальних компонентів суміші.

Рекомендації щодо розрахунку теплофізичних властивостей сумі­шей рідин і пари наводяться в спеціальній літературі [12, 15, 16 ].

3.3 Принцип простої (одноразової) дистиляції

Дистиляція базується на перерозподілі концентрації речовин між рі­дкою і паровою фазами відповідно до законів рівноваги. Якщо бінар­ний розчин, що складається з компонентів з різною летючістю, нагріти до певної температури, то над розчином утвориться парова фаза, що також містить обидва компоненти розчину. Але тому що пружність па­ри НКК при однаковій температурі завжди вища, ніж пружність пари ВКК, то відповідно вміст НКК у паровій фазі також буде більшим, ніж вміст ВКК у паровій фазі. Отже, при нагріванні ідеальної рідкої суміші парова фаза, що утворилася над розчином, завжди буде збагачуватися легколетючим компонентом. Після конденсації пари, що утворилася при кипінні, отриманий конденсат - дистилят також буде збагачений низькокиплячим компонентом порівняно з початковим розчином.

Саме на цій властивості розчинів утворювати при нагріванні парову фазу, збагачену легколетючими компонентами, заснований принцип простої (одноразової) перегонки - дистиляції.

Як відзначалося раніше, летючість пари компоненту є величиною, що характеризує пружність пари індивідуальної речовини залежно від її концентрації в розчині і температури.

Закон Рауля. Для ідеальних розчинів летючість компонента пропо­рційна мольній концентрації цього компонента в розчині і дорівнює

= X, (3.15)

де кі - коефіцієнт пропорційності, що враховує зміну летючості пари чистого розчин­ника залежно від мольної частки компонента в розчині за певної температурт і тиску над розчином; Х1 - мольна концентрація компонента в розчині.

Для ідеальних розчинів при невисокому тиску летючість пари ком­понента звичайно замінюють її парціальним тиском, відповідно коефі­цієнт пропорційності було представлено тиском насиченої пари чисто­го компонента, при цьому одержали рівняння [5, 20, 29, 40]

г Рі = Р X,, (3.16)

де Р* - тиск (пружність) насиченої пари чистого компонента над розчином за певної температури.

Рівняння (3.16) є математичною формою опису закону Рауля, запро­понованого (1886 р.) стосовно до ідеальних розчинів.

Відповідно до закону Рауля, парціальний тиск пари індивідуального компонента над розчином за певної температури прямо пропорційний пружності насиченої пари і мольній концентрації компонента в розчині.

Отже, у відповідності з рівнянням (3.16), парціальний тиск пари компонента в ідеальному розчині за певної температури змінюється лінійно залежно від концентрації та досягає максимальної величини в чистому компоненті (Хі = 1,0). Лінії, що відображають залежність пар­ціального тиску пари компонента над розчином від його концентрації в розчині при різних температурах розчину, називають ізотермами.

3.4 Фазова рівновага в бінарних системах рідина - пара

Розглянемо умови фазової рівноваги в бінарній системі пара - ріди­на, що знаходиться в закритій посудині 1 (див. рис. 3.1) при температу­рі її, при цьому мольна концентрація НКК у рідині дорівнює Ха1, відповідно вміст ВКК у рідині складає Хь1 = (1 - Ха1).

Рис. 3.1 - Схема установки простої дистилля-ції для пергонки бінарного розчину:

Потоки:  А - дистилят;  В - кубовий залишок; С - гріюча пара; Д - конденсат гріючої пари;

1 - куб-випарник; 2 - конденсатор; 3 - збірник дистиляту

Розчинений компонент А бінарної сис­теми є легколетючим, відповідно компо­нент В є важколетючим, при цьому залеж­ності тисків (пружності) насиченої пари над розчином від температури розчину (і;) на діаграмі П - і відбива­ються відповідними кривими для компонентів розчину (див. рис. 3.2).

У результаті нагрівання розчину над ним утворюється парова фаза, що містить Уа1 мол. часток НКК та УЬі = (1 - Уаі) мол. часток ВКК. Загальний тиск пари компонентів над розчином дорівнює П.

Відповідно до закону Рауля, парціальний тиск НКК компонента А в паровій фазі над розчином пропорційний пружності насиченої пари і

мольній концентрації Ха цього компонента в розчині

Ра=Ра Ха, (3.17)

де ра - парціальний тиск компонента А в паровій фазі; Ра - тиск насиченої пари компонента А (пружність пари) за даної температури.

Рис. 3.2 - Тиск насиченої пари деяких компонентів розчину залежно від температури:

1 - діетиловий ефір; 2 - ацетон; 3 - метиловий спирт; 4 - етиловий спирт; 5 - мурашина кислота; 6 - вода; 7 - оцтова кислота

90   100   110 120

Температура, °С

записавши

Подібним чином, закон Рауля для висококиплячого компонента, отримали

рь=Рь Хь = р ; (1" Ха), (3.18)

де рь - парціальний тиск компонента В у паровій фазі над розчином при температурі розчину ї1; Рь, - пружність насиченої пари компонента В при тій же температурі; Ха, Хь - концентрація НКК та ВКК у розчині відповідно, мол. частки.

Загальний тиск пари над розчином, відповідно до закону Дальтона, дорівнює сумі парціальних тисків пари індивідуальних компонентів, і отже

П = Ра+РЬ . (3.19)

Одночасно, відповідно до наслідку з закону Дальтона, парціальний тиск компонента в газовій (паровій) фазі пропорційний загальному тис­ку та його концентрації в суміші, і отже

Раа П , (3.20)

Рь = Уь П = (1 - Уа)П , (3.21)

де Уа, Уь, - концентрація компонентів А і В у паровій фазі над розчином, мол. частки; П - загальний тиск пари над розчином.

Розв'язавши рівняння (3.20) відносно Уа з врахуванням залежності (3.17), одержали

Р Р

у =Е± = ^х . (3.22)

Підставивши в рівняння (3.19) формули (3.17) і (3.18) для бінарного розчину, одержали залежність

П = Ра Ха+Ръ(1-Ха). (3.23) Розв'язавши залежність (3.23) відносно концентраціїХа, знайшлип

Підставивши в рівняння (3.22) залежність (3.23), отримали РР X

¥а~ПХа ~ .

(3.24)

(3.25)

РаХа + (1 " Ха )Р„

Теоретичні залежності (3.24) і (3.25) установлюють взаємозв'язок між рівноважними концентраціями низькокиплячого компонента в рідині і паровій фазі одночасно з урахуванням температури розчину, пружності насиченої пари компонентів і загальним тиском у системі, і отже ці залежності є рівняннями рівноваги у системі бінарний розчин -парова фаза.

На основі цих рівнянь для конкретної бінарної системи будують графіки рівноважних залежностей у різних системах координат.

На рис. 3.3 представлена діаграма в координатах тиск - концентра­ція (П - X) для ідеального бінарного розчину.

Лінії АВі і А2В2 побудовані на основі законів Рауля і Дальтона у відповідності з рівнянням (3.23) та показують зміну загального тиску пари над бінарним розчином при різних температурах кипіння розчину залежно від концентрації НКК у розчині, при цьому Т2 > Ті.

Лінії, що враховують зміну зага­льного тиску пари над розчином залежно від концентрації компонентів у розчині та отримані при постійній температурі кипіння розчину, нази­вають ізотермами.

Рис. 3.3 - Діаграма залежності тиск -концентрація - X) для ідеальної суміші:

А]В] - ізотерма для температури Ті; А2В2 - изотерма для температури Т2

 

, і

Рм=Рьї(1-ХаіУ

^Рь2(1-Хаі)

Якщо побудувати ряд ізотерм, а потім задати певний зовнішній тиск пари над розчином (наприклад, тиск ПД то можна помітити, що зада­ний тиск досягається при температурі кипіння розчину Ті (точка 1) або при температурі кипінні розчину Т2 (т. 2). У першому випадку (для т. 1) концентрація НКК у розчині більша, ніж у другому випадку (для т. 2), тобто Хі > Х2.

Звідси випливають досить важливі висновки для складних однорід­них ідеальних розчинів: 1) температура кипіння бінарного розчину буде тим нижчою, чим вища концентрація НКК у розчині; 2) тиск пари над розчином зростає більшою мірою за рахунок збільшення кон­центрації НКК у розчині.

У реальних бінарних розчинах спостерігаються відхилення від тео­ретичних розрахункових залежностей, установлених на основі закону Рауля, і тому реальні ізотерми бувають опуклими або ввігнутими [29]. 3.5 Діаграми рівноваги бінарних розчинів

В однорідному розчині, що складається із двох взаємнорозчинних компонентів, незалежно змінюваними параметрами є концентрація і температура. Залежно від властивостей компонентів і температури в паровій фазі над розчином створюється певний загальний тиск пари.

Відповідно до правила Гіббса, така система має два ступені вільнос­ті, тобто за двома відомими змінними параметрами (наприклад, за пев­них концентрації і температури розчину) третій параметр повинен уста­новитися мимовільно з урахуванням фізико-хімічних властивостей компонентів. У результаті варіювання властивостей основних (і залеж­них від них) параметрів системи рідкої фази відповідно до законів рів­новаги також будуть установлюватися певні фізико-хімічні і термоди-фузійні параметри системи в паровій фазі.

На основі законів термодинамічної рівноваги для багатьох бінарних розчинів побудовані діаграми рівноваги, як при варіюванні основних, так і похідних параметрів системи. Для бінарних розчинів відомі такі діаграми рівноваги: тиск - концентрація (П - X); температура - концен­трація рідкої і парової фаз (Т - X- У); фазова діаграма відносно конце­нтрацій речовин у паровій і рідкій фазах (У - X); теплова діаграма ента­льпія - концентрація (I - X); комбінована діаграма (I - Т- X) та ін.

Найбільш часто в практичних розрахунках використовують такі діа­грами фазової рівноваги: температура - концентрація речовини в фазах в координатах (Т - X - У), а також діаграми в координатах У - X (кон­центрація речовин у паровій та рідкій фазах).

Як правило, такі діаграми будують на основі експериментальних да­них, а в деяких випадках - на основі розрахункових залежностей.

На рис. 3.4 а представлена діаграма в координатах температура (Т) -концентрація компонентів у рідкій (X) і паровій (У) фазах відповідно для трьох різних тисків пари над розчином, при цьому П3 > П2 > П1.

Нижня крива Тьі - Аі - ТаІ (див. рис. 3.4 а) називається лінією кипіння та показує зміну температури кипіння бінарного розчину при атмосфе­рному тиску (ПІ) залежно від концентрації НКК у суміші. Точка ТЬІ ви­значає температуру кипіння чистого ВКК; т. ТаІ відбиває температуру кипіння чистого НКК; т. АІ відбиває температуру кипіння рідкої бінар­ної суміші з концентрацією Ха= 30% мол. НкК, що відповідає концент­рації ВКК у розчині Хь = (100 - 30) = 70% мол.

Верхня примежова крива ТЬІ - ВІ - ТаІ показує вміст НКК у паровій фазі над розчином відповідної концентрації та називається лінією кон­денсації пари. Поле між лініями кипіння і конденсації є двофазною обла­стю, у якій одночасно існують рідка і парова фази. Процес випаровуван-ня-конденсації протікає у двофазній області при постійній температурі.

Рис. 3.4 - Діаграми рівноваги для ідеальних бінарних розчинів:

а - залежність температур кипіння розчиу і конденсації пари (У) від концентра­ції розчину (X) в координатах Т - X - У при різних тисках П3 > П2 > П1; Ь - діаграма рівноваги У - X для різних тисків: 1 - ПІ; 2 - П2; 3 - П3

Наприклад, для т. АІ, що визначає температуру кипіння рідини з концентрацією Хі = 30% НКК, процес конденсації пари відбувається по ізотермі - лінії АІ - ВІ, концентрація НКК у паровій фазі визначається положенням т. ВІ і відповідно дорівнює УІ = 63% мол. НКК,.

Подібним чином для системи, що знаходиться під тиском П2 > ПІ, температура кипіння розчину такої ж концентрації для т. А2 (Хі = 30% НКК) вища, ніж у першому випадку. Процес випаровування - конден­сації відбувається по ізотермі А2 - В2. Концентрація НКК у паровій фазі визначається положенням т. В2 і відповідно дорівнює У2 = 55% мол. НКК. Відзначимо, що при збільшенні загального тиску пари над розчи­ном і підвищенні температури його кипіння, одночасно знижується концентрація НКК у паровій фазі.

На основі діаграми Т - X - У будують діаграму рівноваги бінарної системи в координатах У - X (див. рис. 3.4 б).

Положення ліній рівноваги визначається пружністю пари і концент­рацією компонентів, що входять до складу бінарного розчину, а також загальним тиском пари над розчином. Як бачимо з рис. 3.4 б залежність концентрації НКК у паровій фазі від його вмісту в рідкій фазі та від зага­льного тиску пари над розчином проявляється в більш явному вигляді: для меншого тиску (ПІ < П2) крива рівноваги 1 знаходиться вище кри­вої 2. Отже, при зниженні тиску над розчином підвищується в першу чергу пружність пари низькокиплячого компонента над розчином, що збільшує його летючість і вміст у паровій фазі, тим самим полегшується процес розділення бінарної суміші методами дистиляції і ректифікації.

Дані щодо фазової рівноваги у бінарних розчинах при атмосферному тиску наведені в табл. Д.12 (див. додатки).

Якщо рівноважна лінія для бінарного розчину при певному вмісті НКК у суміші перетинає допоміжну лінію - діагональ, то точку перетину називають азеотропною точкою, а суміш відповідної сполуки називають азеотропом. В азеотропній точці зміст компонентів суміші в паровій і рідкій фазах рівні, отже азеотропна суміш не може бути розділена на окремі компоненти звичайними методами дистиляції. Поділ азеотропних сумішей досягається спеціальними методами перегонки (зниженням тис­ку над розчином, додаванням у систему третього компонента та ін.)

3.6 Дистиляційні методи розділення розчинів

Існує багато різних дистиляційних методів розділення однорідних бінарних і складних багатокомпонентних розчинів, але через обмеже­ний об'єм даної книги розглянемо тільки деякі з них.

Дистиляцією поділяють бінарні і багатокомпонентні розчини та залежно від властивостей поділюваної суміші застосовують одноразову і багаторазову дистиляцію, дистиляцію з дефлегмацією і фракціонуван­ням, дистиляцію у струмі водяної пари або інертного газу, та ін.

Відзначимо, що дистиляційні методи розділення сумішей переважно застосовують тоді, коли компоненти суміші помітно відрізняються між собою пружністю пари і температурами кипіння, а також до одержува­них продуктів (фракцій) не пред'являються високі вимоги щодо обме­ження концентрацій окремих компонентів.

Одноразову (однократну) дистиляцію (перегонку) проводять у пері­одичному або безперервному режимі, при цьому вихідну суміш заван­тажують у перегінний куб і нагрівають через теплообмінну поверхню гарячим теплоносієм - насиченою водяною парою, гарячими рідинами або топковими газами. При нагріванні частина низькокиплячих компо­нентів випаровується, пара НКК надходить у поверхневий конденсатор і конденсується при охолоджуванні, після конденсації рідина поступає в збірник конденсату. Склад продуктів (дистиляту і кубової рідини) визначається заданою кінцевою температурою википання суміші.

Якщо рідка суміш багатокомпонентна, то проводять фракційну дис­тиляцію, при цьому у міру підвищення температури кипіння суміші конденсат, що утворюється, відводять в окремі збірники дистиляту. В такому разі в кожному з наступних збірників одержують фракції, що містять продукти википання у певному діапазоні температур. По закін­ченні процесу кубовий залишок зливають із перегінного куба та заван­тажують у нього нову порцію поділюваної суміші.

Процес простої перегонки також проводять у напівбезперервному режимі, при якому в перегінний куб подають окремими порціями або з певною витратою вихідну суміш, а з куба відводять певну кількість кубового залишку. Ступінь поділу вихідної суміші і чистоту одержува­ного дистиляту звичайно підвищують дистиляцією із застосуваннямдефлегмації - часткової конденсації пари та поверненням частини кон­денсату - флегми у перегінний куб.. У цьому випадку в конденсаторі в першу чергу конденсуються пари ВКК, збагачена ними флегма повер­тається назад у перегінний куб. Залишкова пара, звичайно збагачена низькокиплячим компонентом, конденсується в окремому конденсато-рі-холодильнику і продукт відводиться в збірник дистиляту.

Дистиляцію в струмі водяної пари застосовують для поділу суміші компонентів, що киплять при високих температурах і не розчиняються у воді (наприклад, жирних кислот, нафти, ефірних масел та ін.).

Після нагрівання початкової суміші глухою парою в перегінному кубі усередину куба через барботер у рідку суміш подають гостру (пе­регріту або насичену) водяну пару. Пару, що утворюється та збагачена НКК, направляють у конденсатор-холодильник, дистилят затим надхо­дить у збірник, де нерозчинні одна у другій рідини різної густини роз­діляють відстоюванням та зливають в окремі ємності - сховища.

Багаторазова дистиляція застосовується для одержання досить концентрованих дистиляту або кубового залишку, якщо вміст одного з компонентів у вихідній суміші незначний. При необхідності одержати НКК високої концентрації використовують метод багаторазового час­ткового випаровування і повної конденсації пари. У результаті процесу у хвостовому збірнику одержують дистилят з високим вмістом НКК.

Якщо необхідно одержати досить чистий ВКК, то використовують метод багаторазової часткової конденсації і повного випаровування. У результаті кожного процесу випаровування і часткової конденсації пари у рідині поступово збільшується концентрація ВКК, у підсумку у хвостовому збірнику отримують рідину з високим вмістом ВКК.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв