А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 9

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 

При прямотечійній абсорбції (див. рис. 2.11, б) газовий потік і абсор­бент рухаються паралельно в одному напрямку (наприклад, зверху дони­зу при низхідному потоці або знизу догори при висхідному потоці).

Прямоточну абсорбцію використовують в установках для поглинан­ня абсорбентом добре розчинних газів. Звичайно в таких установках не потрібно досягати високих концентрацій ПР у газі, що відводиться з установки, тому питома витрата абсорбенту в прямотечійних установка значно вища. Перевагою прямотечійних абсорберів є їхня невелика ви­сота, тому що в таких апаратах потрібна всього одна теоретична таріл­ка. Звичайно прямотечійну абсорбцію застосовують в установках сані­тарного очищення викидних газів, що відходять, при значних питомих витратах абсорбенту.

Змішана і перехресна течій взаємодіючих фаз при абсорбції спостері­гається на тарілчастих контактних пристроях, коли рідина рухається по тарілці від одного переливного пристрою до іншого, а газ барботує через шар рідини у вертикальному напрямку (на ситчастих і ковпачкових тарі­лках) або в напрямку руху рідини (на клапанних і струминних тарілках).

Ефективність взаємодії фаз на контактних елементах зі змішаною і пе­рехресною течією звичайно нижча ефективності протитечійних апаратів.

Установки з рециркуляцією рідини й газу. При необхідності під­вищити щільність зрошення або регулювати температурний режим у процесі абсорбції застосовують абсорбційні установки з рециркуляцією газу або рідини (абсорбенту) - див. рис. 2.12.

Рис. 2.12 - Схема абсорбційної установки з однократною рецир­куляцією абсорбенту:

а - схема установки;   б - зобра­ження процесу на у - х діаграмі:

1 - абсорбер; 2 - насос циркуля­ційний; 3 - теплообмінник

Схема абсорбції з рециркуляцією рідини передбачає повернення в абсорбер частини насиченого й охолодженого абсорбенту. У цьому ви­падку досягаються такі переваги процесу абсорбції: можливе зниження температури процесу за рахунок відведення в додатковому теплооб­міннику теплоти розчинення газу; збільшується щільність зрошення колони, що сприяє поліпшенню щільності зрошування насадки та збі­льшенню швидкості абсорбції (коефіцієнта масопередачі).

Важливим показником процесу абсорбції є кратність циркуляції, що характеризує об'ємне (або масове) відношення витрати циркулюючого абсорбенту до витрати свіжого абсорбенту.

Складемо рівняння матеріального балансу для процесу без рецирку­ляції та з рециркуляцією абсорбенту, при цьому одержали:

(2.44)

де Ь - витрата свіжого абсорбенту, кг/с; Ор - витрата циркулюючого абсорбенту, кг/с; хн, хк - концентрація ПР у свіжому та відведеному абсорбенті відповідно; хсм - концен­трація ПР в абсорбенті після змішування висхідного й циркулюючого потоків.

Якщо позначити відношення (Ь + Єр)/Ь = пц, підставити його в рів­няння (2.44) та розв'язати його щодо кратності циркуляції й концентра­ції рідини в точці змішування потоків, то отримаємо:

к хн)/(хк

(2.45)

=[хн + ц - 1)хк ] / Пц , (2.46)

де пц - кратність циркуляції абсорбенту, кг рідини / кг свіжого абсорбенту.

З урахуванням змінюваної кратності циркуляції абсорбенту можна виконати оптимізаційний розрахунок абсорбера [31].

Схеми абсорбційних установок з багатоступінчастою циркуляцією газу й абсорбенту подані в книгах [3, 14].

2.6 Послідовніть розрахунку процесу абсорбції

Технологічний розрахунок процесу фізичної абсорбції проводять у такій послідовності.

1. Формулюють основні вимоги до процесу абсорбції, при цьому задають склад висхідної газової суміші та продуктивність установки, назву та степінь вилучення цільового компоненту, умови роботи абсор­бера (температуру і тиск), характеристику абсорбенту (назву, склад та температуру), бажаний тип абсорбера (насадковий чи тарілчастий).

2. За практичними рекомендаціями вибирають технологічну схему абсорбційної (або абсорбційно-десорбційної) установки і описують принцип її роботи. Зображують розрахункову схему абсорбера й нано­сять на неї всі висхідні та потрібні розрахункові параметри процесу.

3. Розраховують та будують діаграму рівноваги для системи погли­нений компонент - абсорбент в робочих умовах процесу з урахуванням тиску в абсорбері та теплоти розчинення ПР у абсорбенті.

4. Розраховують рівняння матеріального балансу, визначають пито­му і робочу витрату абсорбенту, наносять рівняння робочої лінії проце­су на фазову діаграму рівноваги. Визначають об'ємну та масову витра­ту взаємодіючих фаз в робочих умовах процесу. Визначають локальну та середню рушійну силу процесу абсорбції.

5. Вибирають тип контактного пристрою та визначають робочу швидкість газу (пари) в вільному перетині абсорбера. Розраховують діаметр абсорбера, вибирають виконавчий діаметр відповідно з рядом стандартних циліндричних апаратів та уточнюють швидкість газу і рідини, щільність зрошення.

6. Розраховують коефіцієнти масовіддачі в фазах, коефіцієнти масо-передачі та визначають розрахункову поверхню масопередачі (висоту шару насадки або число контактних пристроїв - тарілок).

7. Визначають розрахункову висоту робочої частини абсорбера та проводять розрахунки гідравлічного опору колони в робочих умовах.

2.7 Десорбція

Процес зворотного виділення поглиненої речовини (ПР) з абсорбен­ту називають десорбцією. Десорбцію проводять як із метою виділення поглинених компонентів, так і для відновлення поглинальних власти­востей (регенерації) абсорбенту та для його повторного й багаторазово­го використання в абсорбційно-десорбційних установках [1, 3, 20].

У фізико-хімічному відношенні десорбція є процесом зворотним до абсорбції при однакових умовах (температурі, тиску та складі взаємо­діючих фаз) і відповідно при десорбції ПР переходить із рідкої фази в газову або парогазову фазу. Робоча лінія процесу десорбції на діаграмі рівноваги розміщується під кривою рівноваги, і її місце положення за­лежить від відношення масових витрат фаз рідина - пар.

З огляду на те, що при десорбції часто змінюються умови процесу, (температура й тиск), як правило, десорбція протікає значно швидше, ніж процес абсорбції, а число контактних елементів (число теоретичних тарілок) звичайно в десорбері менше, ніж в абсорбері.

Десорбцію проводять такими основними способами:

- нагріванням абсорбенту до заданої підвищеної температури, що знижує розчинність абсорбтиву й сприяє його переносу в парову фазу;

- зниженням тиску в апараті і одночасним нагріванням абсорбенту, що збільшує летючість газу (пари) поглиненої речовини;

- шляхом взаємодії потоку абсорбенту з потоком водяної пари, на­грітого повітря або інертного газу, що подаються в десорбер знизу.

Найбільшого поширення внаслідок своєї простоти при десорбції набу­ло нагрівання абсорбенту через теплообмінну поверхню, при цьому теп­лоносій і абсорбент розділені стінкою та не змішуються один з одним. Па­ра ПР, що виділяються при десорбції, не розбавляється водяною парою, що звичайно спостерігається при використанні гострої водяної пари, як теплоносія. Утворювана при десорбції газопарова суміш подається в кон­денсатор, у якому вона конденсується повністю або частково. При частко­вій конденсації звичайно відділяються водяний конденсат та відводиться неконденсована газова фаза поглиненого компонента. При повній конден­сації обох компонентів отриманий конденсат залежно від їхніх властивос­тей компонентів направляють на розділення: на відстоювання (при одер­жанні рідких компонентів, що не змішуються між собою,) або на ректифі­кацію (при утворенні однорідного бінарного розчину).

Варто враховувати, що використання теплових процесів при десорб­ції пов'язане з підвищеними енерговитратами (при нагріванні) та відве­денням тепла в навколишнє середовище (при конденсації), що призво­дить до теплового забруднення навколишнього середовища.

Більш ефективною (але іноді потребуючою додаткових витрат) є де­сорбція з одночасним нагріванням абсорбенту й зниженням тиску в десорбері. Цей спосіб особливо вигідний у випадку, коли процес абсор­бції проводять при підвищеному тиску, а регенерацію абсорбенту про­водять при атмосферному тиску, використовуючи теплоносії з порівня­но невисокими температурами кипіння. Саме такий спосіб десорбції часто використовують у газороздільних установках при регенерації аб­сорбентів - амінів і гліколей. Якщо зниження тиску й нагрівання в десорбері зробити в декілька ступенів, то цей захід в газороздільних установках дозволяє виділити декілька частково збагачених фракцій окремих компонентів. Наприклад, на першому ступені зниження тискувиділяються етан-етиленові фракції, на другому ступені - пропанові фракції, на третьому - бутан-пентанові фракції.

Десорбцію в потоці інертного газу (найчастіше повітря) проводять у випадку, коли ПР може бути відділений від інертного газу з допомо­гою конденсації в поверхневих конденсаторах, охолоджуваних водою або захолодженим розсолом з холодильних установок.

Десорбцію в потоці гострої водяної пари проводять в тому випадку, коли поглинений компонент не розчиняється у воді й не конденсується в конденсаторі, охолоджуваному повітрям або водою.

Розрахунок процесу десорбції проводять аналогічно розрахунку процесу абсорбції за допомогою діаграми фазової рівноваги (розчинно­сті компоненту в абсорбенті) з огляду на робочу температуру й тиск в адсорбері. Необхідно мати на увазі, що концентрація ПР в абсорбенті після десорбції повинна відповідати вимогам до висхідного абсорбенту.

Використання комплексних абсорбційно-десорбційних установок дозволяє реалізувати замкнений цикл, у якому абсорбент за допомогою насосів циркулює між абсорбером і десорбером, при цьому помітно знижуються втрати абсорбенту, трудо- і енерговитрати.

На газопереробних заводах для більш повного вилучення із природ­ного газу широкої фракції вуглеводнів усе ширше використовують низькотемпературні абсорбційно-десорбційні установки, що працюють при температурах мінус 20-40 °С під тиском 3,5 - 4,5 МПа.

Це дозволяє більш повно вилучити легкі вуглеводні складу С3 + С5, використовуючи холодильні установки із пропановим циклом охоло­дження, збільшити ступінь відпарювання поглинутих компонентів зни­женням тиску в десорбері, збільшити степінь використання рекуперати­вного теплообміну, підвищити температуру низу десорбційної колони.

Запитання і вправи для самоконтролю

1. У яких випадках застосовують процеси абсорбції? У чому полягає фізична сут­ність процесів абсорбції й десорбції?

2. Нарисуйте принципову схему абсорбційно-десорбційної установки й розкажіть принцип її роботи.

3. Якими основними законами описують умови рівноваги між фазами при абсорбції?

4. Які основні фактори та як впливають на умови рівноваги в процесах абсорбції?

5. Які речовини застосовують як абсорбенти, які вимоги пред'являють до абсорбентів?

6. Назвіть основні стадії процесу абсорбції. Які стадії процесу абсорбції такими, що лімітують процес в цілому?

7. Що є рушійною силою процесу абсорбції, як визначити величин локальної й серед­ньої рушійної сили процесу?

8. Як розраховують швидкість окремих стадій масовіддачі при абсорбції?

9. Які бувають гідродинамічні режими взаємодії фаз при абсорбції?

10. Як розраховують коефіцієнти масопередачі у фазах при абсорбції?

11. Від яких факторів залежить швидкість процесу масопередачі при абсорбції?

12. Запишіть рівняння матеріального балансу процесу абсорбції. Як впливає на процес абсорбції питома витрата абсорбенту?

13. Запишіть рівняння робочої лінії процесу абсорбції. Що описує рівняння робочої лінії процесу абсорбції, які фактори і як саме впливають на її положення?

14. Які схеми установок використовують у процесах абсорбції, у чому їхні переваги?

15. Hapиcуйme й розкажШь, як ^ацює абсорбційиа уcmaиoвкa з рєщркуляцією aбcopбeиmу, у чому їїnepeвaгu й ждолжи?

16. Які npo^cu иaзuвaюmь дecopбцiйиuмu, у чому тлягає їxия фізичиа cуmиicmь, з якою мemoю i'x вuкopucmoвуюmь?

РОЗДІЛ 3

ДИСТИЛЯЦІЯ І РЕКТИФІКАЦІЯ ОДНОРІДНИХ БІНАРНИХ РОЗЧИНІВ

3.1 Загальні відомості про процеси дистиляції і ректифікації

У харчовій, нафтохімічній, хімічній і багатьох інших галузях промисловості часто виникає необхідність розділяти складні однорідні рідкі суміші - розчини на окремі чисті компоненти або на фракції, зба­гачені окремими компонентами. Характерними прикладами таких про­цесів є розділення водно-спиртових розчинів, органічних сполук, нафти на окремі продукти і фракції, зрідженого повітря або зрідженого при­родного газу на окремі корисні компоненти [1, 3, 20, 29, 32].

Для розділення складних однорідних рідких сумішей на індивідуа­льні компоненти або окремі збагачені фракції широкого поширення набули процеси дистиляції і ректифікації.

Дистиляцією (від лат. сНяШІаИс)) називають процес розділення рідкої однорідної суміші на окремі фракції шляхом часткового випаровування рідини і конденсації пари, що при цьому утворилася. У результаті про­ведення процесу випаровування і конденсації пари одержують збагаче­ну легкокиплячим компонентом (ЛКК) рідину - дистилят і збагачену висококиплячим компонентом (ВКК) частину рідкої суміші, що не ви­парувалася - кубовий залишок. У вітчизняній літературі, як аналог методу дистиляції, часто використовують термін перегонка - процес перерозподілу компонентів між рідкою і паровою фазами при зміні параметрів процесу (складу рідини, температури і тиску).

Перегонка вперше була використана алхіміками для очищення рідин і одержання з вина етилового спирту, а затим вона набула дуже широ­кого застосування як метод первинної переробки нафти.

Дистиляцію звичайно використовують для попереднього, відносно грубого методу розділення рідкої суміші на окремі фракції, збагачені деякими компонентами. Залежно від складу вихідної суміші і вимог до продуктів розділення розрізняють просту (одноразову) і складну - ба­гаторазову дистиляцію. Проте, використання дистиляції не дозволяє одержувати практично чисті речовини [29, 32].

Більшого поширення в різноманітних технологіях розділення склад­них однорідних розчинів набула ректифікація.

Ректифікацією називають процес розділення рідких сумішей на практично чисті компоненти шляхом застосування методу багаторазо­вої (багатоступінчастої) протитечійної дистиляції, проведеної в ректи­фікаційній колоні. Застосування ректифікації дозволяє одержувати практично чисті речовини високого ступеня чистоти і навіть розділяти рідкі суміші ізотопної складу (наприклад, ректифікацією виділяти з рідкого водню дейтерій, або виділяти із простої води важку воду та ін.).

3.2 Деякі властивості бінарних розчинів та їхньої пари

Дистиляцію та ректифікацію використовують для переробки рідких сумішей - розчинів, що складаються з декількох компонентів, частково або повністю взаємно розчинних. У найпростішому випадку рідкий розчин, що складається із двох рідких компонентів, називають бінар­ним. Якщо компоненти суміші повністю взаємно розчинені одна у дру­гій в будь-яких масових відношеннях, то такий розчин називають ідеа­льним. Рідкі однорідні розчини, що містять кілька розчинених компо­нентів, називаються багатокомпонентними. Звичайно вважають, що утворення ідеальних розчинів відбувається без хімічної взаємодії ком­понентів, без зміни їх об'єму і без теплових ефектів розчинення.

Найважливішою характеристикою будь-якого розчину є його хіміч­ний та компонентний склад, що включає назву хімічних речовин, які входять до складу розчину, а також їх вміст у розчині - концентрацію.

Через малий обсяг даної книги обмежимося розглядом рівноважних співвідношень для бінарних розчинів. Детально про розділення багато­компонентних розчинів викладено в монографіях [28, 32].

Концентрація компонентів суміші. Склад бінарного розчину зви­чайно виражається багатьма способами, але найбільш зручно в практи­чних розрахунках користуватися мольною та масовою концентрацією компонентів у складі суміші. Мольну частку компонента А в рідкій фазі звичайно прийнято позначати через Ха, мольну частку цього ж компо­нента в паровій фазі позначають через Уа.

Мольна частка компонента в суміші показує, яка частина даного компонента, що виражена через його мольну масу, належить саме цьо­му компоненту, при цьому для багатокомпонентного розчину:

N N N

Ха =   к   а    , ХЬ =   к   Ь     , Хс =   к   С     , (3.1)

2>,

1 1 1

де Ха , Хь, .Хс... - мольна частка компонентів А, В, С відповідно, які перебувають у складі розчину; Na , N , - число молів компонентів А, В, С, які перебувають у складі розчину; к - число компонентів, з яких утворений розчин.

Масова частка компонента у складі розчину показує, яка частина загальної маси суміші належить даному компоненту, при цьому

та =-^~,       ™Ь =-^~,       тс = -с-, (3.2)

1 1 1

де та, ть, тс - масова частка компонентів А, В, С відповідно, що перебувають у складі розчину; Оа, Оь, Ос - маса компонентів А, В, С відповідно, що перебувають у складі всієї суміші, яка складається з к компонентів.

У подальших розрахунках масову частку окремих (індивідуальних) компонентів у складі маси всієї суміші будемо позначати через Хі і уі для рідкої або парової фази відповідно.

Між масою компонента і його мольною часткою в складі всієї сумі­ші існує певний зв'язок. Так, число молів окремого певного компонента пов'язане з його масою залежностями

N = О*-, .............N - с, (3.3)

де Ма ,     Мі - молекулярна маса окремого компонента суміші відповідно.

Загальне число молів у складі багатокомпонентної суміші дорівнює

( с Л

її \ Мі)

На основі рівнянь (3.3) і (3.4) мольна частка індивідуального компо­нента в суміші пов'язана з масою й молекулярною масою часток інди­відуальних компонентів залежностями

ґ

мі

ґ

м

(3.5)

Масові частки компонентів у розчині пов'язані з мольними частками співвідношеннями

хм.

хьмь

)

(3.6)

Для бінарних сумішей концентрація одного компонента в суміші повністю визначає вміст іншого компонента, тому що т* + ть = 1 і від­повідно ть = 1 - та, тоді рівняння (3.5) і (3.6) записують у спрощеному вигляді, при цьому масова частка компонента А становить [1, 3, 11, 14]

х* =-МХ-, (3.7)

маха + Мь (1 - X. ) відповідно мольна частка цього компонента в суміші дорівнює:

(3.8)

+

Мь

Аналогічні залежності одержані для перерахування концентрацій компонентів у паровій фазі, та на підставі законів фазової рівноваги встановлено зв'язок між концентраціями речовини у фазах залежно від температури і тиску.

Існують і інші способи вираження концентрацій у складних систе­мах, що докладно викладені в літературі [11, 20, 22].

Процеси розділення рідких сумішей методами дистиляції і ректифі­кації засновані на різних фізико-хімічних властивостях індивідуальних компонентів та різниці сил їх міжмолекулярної взаємодії.

Ха =

ХЬ =

Найбільш значущими властивостями компонентів однорідної рідкої суміші є різниця в фізико-хімічних властивостей компонентів, темпера­турах кипіння і пружності (летючості) пари компонентів при однакових температурі і тиску в системі.

Сили міжмолекулярної взаємодії компонентів суміші. Бінарний роз­чин характеризується тим, що молекули компонентів мають різний хімічний склад, різний діаметр, рівномірно розподілені в об'ємі розчину і певним чином вступають у міжмолекулярні взаємодії. Якщо сили вза­ємодії між молекулами компонента А дорівнюють силам взаємодії між молекулами речовини В, та дорівнюють силам взаємодії молекул А і В між собою, тобто /а = /ь = /аЬ, то така рідка суміш є ідеальною, а компо­ненти суміші взаємно розчині одна у другій у будь-яких відношеннях.

Якщо співвідношення між силами молекулярної взаємодії між ком­понентами суміші не відповідають попередній умові, то можуть утво­рюватися розчини із частковою розчинністю компонентів, частково або повністю розшаровані.

Летючість пари компонентів. Процеси розділення бінарних розчи­нів засновані на різній летючості пари індивідуальних компонентів роз­чину при однаковій температурі, а також на різниці між температурами кипіння індивідуальних хімічних речовин, що утворюють розчин.

Речовину, що входить до складу розчину і має низьку температуру кипіння щодо іншої речовини, звичайно називають низькокиплячим ком­понентом (НКК), іншу речовину при цьому називають висококиплячим компонентом (ВКК). Як правило, при однаковій температурі НКК має більш високу пружність пари і одночасно є легколетючим компонентом (ЛЛК) відносно іншої речовини, що має меншу пружність пари при однаковій температурі, та є важколетючим компонентом (ВЛК). Зви­чайно, у бінарному розчині низькокиплячий компонент (НКК) є одноча­сно і легколетючим компонентом (ЛЛК), в той час як другий компонент залишається висококиплячим і важколетючим відносно першого.

Відносною летючістю компонентів називають відношення пружно­сті пари НКК (ЛЛК) до пружності пари ВКК (ВЛК) при однаковій тем­пературі, при цьому ал = РА/РВ. Для розділюваних методами дистиляції розчинів чим більший коефіцієнт відносної летючості пари компонен­та, тим легше розділяється суміш.

Температуру кипіння індивідуальних речовин звичайно визначають за експериментальним даними з урахуванням тиску над рідиною.

Звичайно рідина закипає, коли пружність її насиченої пари відпові­дає загальному тиску. Температуру кипіння рідин при атмосферному тиску знаходять за таблицями [12, 21] або графіками [11], але також існують наближені формули для розрахунків температури кипіння [16].

Густина і в'язкість пари. Густину пари індивідуальних компонентів визначають на основі рівняння Клапейрона - Менделєєва, вважаючи, що пара речовини є складовою газової фази, і отже має такіж властиво­сті, що підкоряються законам ідеального газу:

Т() Р     М       273,15 • Р

Р = Р0 — =---1-, (3-9)

0 ТР0    22,4 (273,15 + ї1) Р0

де ро, р - густина пари речовини при нормальних і робочих умовах відповідно; М- мольна маса речовини, кг/кмоль; Т0 , Т- температура пари при нормальних і робо­чих умовах відповідно, К; Р0 , Р - тиск пари при нормальних і робочих умовах відпові­дно, Р0 = 760 мм рт. ст. = 1,013105 Па = 0,1013 МПа.

Густину суміші пари різних речовин з достатньою точністю визна­чають відповідно з правилом адитивності, при цьому [11, 12]

п

Рсм = Р1 ^ у1 + Рі ^ у2 + -.. = X Р ^ Уі , (3-10)

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 


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