книги / Процессы и аппараты химической технологии. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2

Контрольные вопросы

1.Порядок выполнения работы.

2.Физическая и химическая абсорбция. Требования, предъявляемыекабсорбентам.

3.Способы выражения состава фаз.

4.Равновесие в процессе абсорбции, влияние температуры

идавления на равновесие, правило фаз.

5.Константа фазового равновесия, законы Генри и Дальтона. Равновесная линия на диаграмме y–x.

6.Материальный баланс процесса абсорбции; уравнение рабочей линии и изображение процесса на диаграмме y–x.

7.Основное уравнение массопередачи для различных фаз, физический смысл и размерность коэффициента k.

8.Определение коэффициента массопередачи по коэффициентам массоотдачи, их влияние на коэффициент k.

9.Средняя движущая сила процесса, ее расчет.

10.Методы расчета абсорберов.

11.Конструкции абсорберов.

12.Конструкции тарелок. Виды и характеристики насадок.

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИСПЫТАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Цели работы:

–знакомство с устройством и принципом работы тарельчатой колонны;

–определение числа теоретических тарелок (ступеней изменения концентрации);

–расчет опытного и теоретического коэффициентов полезного действия тарелок.

Сведения из теории

Вхимической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности для разделения жидких гомогенных смесей на технически чистые продукты широко применяют процесс ректификации. Данный процесс основан на различной летучести компонентов, которые составляют смесь, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в противоточных вертикальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Наибольшее распространение в промышленном производстве получили тарельчатые колонные аппараты с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими типами тарелок. Несколько реже используются насадочные колонны с насадками различного типа.

Вректификационной колонне противотоком – навстречу друг другу – проходят неравновесные по составу потоки пара

ижидкости. Поток пара движется в колонне по направлению снизу вверх, а жидкость стекает в направлении сверху вниз. На каждой из тарелок, расположенных внутри колонны, пар и жидкость вступают в контакт. По причине отсутствия равновесия между

22

жидкостью и паром на тарелке происходит процесс массообмена (обмен компонентами), в результате которого составы пара и жидкости изменяются, приближаясь к равновесным. Пар становится богаче наиболее летучим низкокипящим компонентом (НКК), а жидкость – менее летучим высококипящим компонентом (ВКК). В процессе ректификации одновременно протекают два противоположных процесса:

1)переход НКК из жидкой фазы в паровую;

2)переход ВКК из паровой фазы в жидкую.

Вэтом состоит принципиальное отличие процесса массообмена при ректификации от других массообменных процессов.

Вконечном итоге пар, выходящий из верхней части колонны, представляет собой практически чистый НКК, который далее конденсируют в специальных конденсаторах – дефлегматорах. Часть конденсата возвращается обратно на орошение колонны и называется флегмой, а другая часть, называемая дистиллятом, отводится в виде готового продукта или полупродукта для других производств.

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята носит название флегмового числа и является одним из важнейших технологическихпараметровработыректификационныхустановок.

Из нижней части колонны отводится сравнительно чистый ВКК, который также может служить конечным продуктом ректификации.

Восходящий поток пара в колонне образуется за счет кипячения жидкости в обогреваемом кубе-испарителе. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Концентрации получаемых продуктов разделения зависят от многих факторов, в том числе от числа тарелок, эффективности их работы, от величины флегмового числа и др.

Впромышленности используют ректификационные установки непрерывного и периодического действия. В непрерыв-

23

ных ректификационных установках жидкую смесь, которую требуется разделить, непрерывно подают в среднюю часть колонны на так называемую питающую тарелку. В установках периодического действия весь объем разделяемой жидкости загружается в куб перед пуском колонны в работу.

На приведенной принципиальной схеме тарельчатой колонны (рис. 2.1) процесс ректификации протекает следующим образом: на нижнюю тарелку из куба поступает паровая фаза, а сверху стекает жидкая фаза в виде смеси разделяемой жидкости и флегмы. Жидкая и паровая фазы имеют состав, определяемый мольной долей НКК (кмоль НКК / кмоль смеси).

Рис. 2.1. Схема массообмена на тарелке

24

На тарелке 1 жидкость содержит x1 низкокипящего компонента. При соприкосновении этой жидкости с восходящим потоком пара c мольной долей НКК y0 происходит массообмен. В результате этого процесса из паровой фазы в жидкую поглощается преимущественно ВКК, а из жидкой фазы в паровую переходит преимущественно НКК. Содержание НКК в паре составит y1, а в предельно возможном случае будет соответствовать равновесному составу (y1*), причем y1* y1 x1 . Этот пар проходит

через отверстия вышележащей тарелки 2 и контактирует с находящейся там жидкостью, содержащей x2 НКК. На тарелке 2 аналогично происходит массообмен с преимущественным поглощением из паровой фазы в жидкую ВКК и выделением из жидкой фазы в паровую НКК. В результате паровая фаза дополнительно обогатится НКК и содержание его составит y2, а в предельно возможном случае будет соответствовать равновесному составу (y2*), причем y2* y2 x2.

Жидкая фаза, последовательно перетекая с вышележащей тарелки на тарелку, расположенную ниже, постепенно обедняется НКК. При многократном повторении процессов испарения и конденсации, т.е. при соответствующем числе тарелок, можно получить в верху колонны практически чистый низкокипящий компонент, а в низу колонны – остаток жидкости в виде высококипящего компонента.

В теоретическом плане каждая тарелка колонны является ступенью изменения концентрации. Состав пара при выходе с такой тарелки соответствует равновесному составу жидкости при ее входе на эту же тарелку. Теоретически число тарелок равно числу ступеней изменения концентрации для каждого случая ректификации. Тарелка, на которой жидкость полностью перемешана и достигается состояние равновесия массообменных процессов, носит название теоретической тарелки. Коэффициент полезного действия теоретической тарелки принимается равным 100 %.

25

При осуществлении процесса ректификации на практике пар на тарелке не достигает равновесного состояния. В связи с этим число требуемых реальных тарелок всегда будет больше теоретического числа ступеней изменения концентраций.

Теория процесса ректификации основывается на результатах исследований соотношения между составами жидкости и пара при равновесных состояниях. Эти соотношения имеют наиболее простую структуру для случая идеальных растворов, компоненты которых растворяются друг в друге без каких-либо химических взаимодействий.

Идеальные растворы подчиняются закону межфазного равновесия Рауля:

где рA* – парциальное давление НКК А в парогазовой смеси над жидкостью в условиях равновесия; PA – давление насыщенного

пара чистого компонента А, которое является однозначной функцией температуры; x – мольная доля НКК А в жидкости, кмоль А/кмоль смеси; рВ* – парциальное давление ВКК В в паро-

газовой смеси над жидкой смесью в условиях равновесия; PВ –

давление насыщенного пара чистого компонента В, которое является однозначной функцией температуры.

Общее давление смеси паров (П) над жидкостью равно сумме парциальных давлений компонентов этой смеси:

Согласно уравнениям Клапейрона и Дальтона парциальное давление компонента смеси определяется выражением рA* П уA , тогда

26

где уA – мольная доля компонента А в парогазовой смеси. Подставляя значение рA* и П из уравнений (2.1) и (2.3)

в (2.4), получаем равновесную мольную долю компонента в парогазовой смеси:

Для анализа процессов ректификации удобно пользоваться диаграммой у–х (рис. 2.2), которая выражает зависимость между y* и x. Эта зависимость y* f x соответствует уравне-

нию (2.5). В дополнение к линии равновесия на диаграмме у–х строится вспомогательная диагональ.

Рис. 2.2. Равновесная диаграмма у–х для бинарной смеси

Значение концентрации x может быть определено из урав-

нения (2.3):

27

По известной мольной доле НКК в жидкости х с применением диаграммы у–х, представленной на рис. 2.2, возможно определить равновесное значение y* (мольную долю НКК в паре), соответствующее известному х, и наоборот.

В соответствии с правилом Трутона на тарелке из жидкости испаряется столько же молей НКК, сколько конденсируется молей ВКК. Это объясняется примерным равенством мольных теплот испарения НКК и ВКК. Следовательно, общие молярные потоки паровой и жидкой фаз по высоте колонного аппарата остаются постоянными.

Это постоянство молярных потоков позволяет установить зависимость между составами пара (y) и жидкости (x) в любом произвольно взятом горизонтальном сечении ректификационной колонны.

Материальный баланс по НКК для части колонны, расположенной выше точки ввода жидкой исходной смеси, определяется выражением:

где GV – количество паров, поднимающихся в колонне снизу вверх,

кмоль/c; y – мольная доля НКК в паре; GR – количество флегмы, стекающей в колонне сверху вниз, кмоль/c; x – мольная доля НКК вофлегме; Gд – количество дистиллята, выводимого из верхней частиколонны,кмоль/с;xд –мольнаядоляНККвдистилляте.

Из выражения (2.7) следует, что для любого поперечного сечения колонны периодического действия мольная доля НКК в паровой фазе может быть определена по следующему уравнению:

Это выражение представляет собой зависимость между действительными (неравновесными) составами пара и жидко-

28

сти, контактирующих друг с другом в любых межтарельчатых сечениях колонны периодического действия.

По причине того, что GV и GR для всех горизонтальных сечений колонны являются постоянными, уравнение (2.8) представляет собой уравнение прямой линии, которую обычно назы-

вают рабочей линией.

возможно построить рабочую линию процесса ректификации. В случае, когда колонна работает «на себя» (без выдачи

дистиллята), Gд = 0, GV GR и уравнение рабочей линии принимает вид y x. Рабочая линия в этом случае изображается бис-

сектрисой координатного угла.

Пользуясь совокупностью кривой равновесия и уравнения рабочей линии, можно последовательно определять равновесные составы жидкости и пара (x* и y*) по всей высоте колонны и в результате определить минимальное число тарелок, необходимое для той или иной заданной степени разделения исходной жидкости.

Данную задачу возможно решать графическим методом с использованием диаграммы y–x. Примерный вид такой диаграммы, построенной для колонны периодического действия в случае ее работы «на себя», представлен на рис. 2.3.

Линия 1 – кривая равновесия, которая строится по уравнению (2.5) или по опытным данным; прямая линия 2 (диагональ диаграммы) – рабочая линия. Примем, что на диаграмме y–x заданный состав жидкости в кубе обозначен xW (соответственно равновесный состав пара, выходящего из куба, yW), а требуемый состав дистиллята xд.

Проведем сечение с1 – с1 (см. рис. 2.1) под тарелкой 1 и определим в этом сечении состав жидкости x1, стекающей в куб. Этот состав можно найти аналитически, решая уравнение рабочей линии, или графически по диаграмме y –x (см. рис. 2.3). Для

29

графического определения x1 следует провести из ординаты yW горизонталь до пересечения в точке a1 с рабочей линией. Абсцисса x1 этой точки будет представлять состав жидкости на тарелке 1 в допущении, что жидкость на ней полностью перемешана, т.е. ее состав во всех точках данной тарелки одинаков.

Рис. 2.3. Диаграмма y–x для колонны периодического действия

Зная состав жидкости на тарелке 1, можно найти равновесный состав пара, выходящего после контакта с этой жидкостью, в сечении c2 – c2. Он отобразится на диаграмме ординатой y1 линии равновесия, соответствующей абсциссе x1. Состав жидкости в сечении c2 – c2, а следовательно, и состав жидкости на тарелке 2 колонны опять находим по уравнению рабочей линии, т.е. проводим из ординаты y1 горизонталь до пересечения с рабочей линией. Абсцисса x2 точки пересечения a2 будет представлять состав жидкости на тарелке 2.

Для определения необходимого числа тарелок такое построение нужно продолжить до момента, пока не будет достигнута тарелка, состав жидкости на которой будет равен заданному составу дистиллята или несколько больше xд.

30