ответы. процессы и аппараты. 1 вопрос. Виды процессов массопередачи
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
Простая перегонка с дефлегмацией. Для повышения степени разделения смеси перегонку осуществляют, дополнительно обогащая дистиллят путем дефлегмации. Пары из перетонного куба 1 (рисунок 22) поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно высококипящий компонент (ВК), и получаемая жидкость (флегма) сливается в куб. Пары, обогащенные НК, направляются в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборниках 4—6. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка. Последний удаляется из куба через штуцер 7.  Рисунок 22-Схема установки для простой перегонки с дефлегмацией: 1-перегонный куб; 2-дефлегаматор; 3-конденсатор-холодильник; 4-6-сборники; 7-щтуцер для удаления остатка; 8-смотровой фонарь Перегонка в токе носителя. Понижение температуры кипения разделяемой смеси может быть достигнуто не только при перегонке под вакуумом, но также путем введения в эту смесь дополнительного компонент- носителя (водяного пара или инертного газа). Перегонка с водяным паром. Если компоненты исходной смеси нерастворимы в воде, то ее используют в качестве дополнительного компонента, который вводят в куб обычно в виде острого пара. При перегонке высококипящих веществ, нерастворимых в воде, с водяным паром температура кипения смеси должна быть ниже температуры кипения воды при данном давлении. Таким образом, при давлении, равном 1 атм., температура перегонки будет ниже 100оС. Этим способом обычно разделяют (или очищают от примесей) смеси веществ, кипящих при температурах, превышающих 100оС, что и обусловливает необходимость подачи воды в куб в виде острого перегретого пара (рисунок 23). Исходная смесь загружается в куб 1, обогреваемый глухим паром через рубашку. Внутрь куба через барботер 2 подается острый пар. Пары, образующиеся при испарении смеси, направляются в конденсатор-холодильник З. Образующийся здесь конденсат через смотровой фонарь 4 поступает на разделение в сепаратор 5. Снизу сепаратора через гидравлический затвор удаляется, например, вода, а сверху— отогнанный, не растворимый в воде более легкий компонент, который сливается в сборник 6.  Рисунок 23-Схема установки для перегонки с водяным паром: 1-куб с паровой рубашкой; 2-барботер для острого пара; 3-конденсатор-холодильник; 4-смотровой фонарь; 5-сепаратор; 6-сборник продукта Перегонка с инертным газом. При перегонке смесей вместо водяного пара иногда используют инертные газы, например, азот, двуокись углерода и др. Перегонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет более значительно снизить температуру испарения разделяемой смеси, чем при перегонке в токе водяного пара, где это снижение ограничено температурой его конденсации. Вместе с тем, присутствие инертного газа в парах, поднимающихся из куба, приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи в конденсаторе-холодильнике и соответственно — к значительному возрастанию поверхности теплообмена. Кроме того, конденсация парогазовых смесей часто сопровождается туманообразованием. Это весьма затрудняет разделение смесей и вызывает заметный унос конечного продукта с инертным газом. Равновесная перегонка. Этот вид перегонки применяется в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности в основном для предварительного (перед ректификацией) разделения сложных смесей, содержащих летучие компоненты. Исходная смесь нагревается и однократно испаряется в трубчатой печи 1, показанной на рисунке 24 (D-количество пара). До конца процесса пары длительно соприкасаются с неиспарившейся жидкостью и приходят в равновесие с ней. После достижения конечной температуры смесь пара и жидкости через дроссельный вентиль 2 направляется в сепаратор 3, где образовавшиеся пары отделяются от неиспарившейся жидкости. В таком процессе не достигается четкого разделения смеси. Поэтому получаемые продукты обычно подвергаются последующей ректификации.  Рисунок 24-Схема установки для равновесной перегонки: 1-трубатая печь; 2-дроссельный вентиль; 3-сепаратор Вопрос 24. Материальный баланс простой перегонки. Расчет графический Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени τ содержится L кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию x (по низкокипящему компоненту). Масса НК в жидкости в этот момент равна Lx. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dτ испарится dL кг смеси, и концентрация жидкости в кубе уменьшится на величину dx. При этом образуются dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию y*; количество НК в паре будет равно dLy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L-dL), кг, а ее концентрация будет (x-dx). Тогда материальный баланс по НК выразится уравнением:  Раскрывая скобки и пренебрегая произведением dLdx, как бесконечно малой величиной второго порядка, после разделения переменных получим:  Это дифференциальное уравнение должно быть проинтегрировано в пределах изменения массы жидкости в кубе от начальной L=F до конечной L=W (где F-масса исходной смеси, или питания, и W-масса остатка) и соответствующего падения ее концентрации от  до  за всю операцию перегонки: В результате интегрирования получим:  (50)Вид функции  определяются формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирования правой части уравнения (50) проводят графически-путем построения зависимости  от x. Для ряда значений x в пределах от до находят из диаграммы y-x равновесные им значения  и по размеру площади под кривой, ограниченной абсциссами и , определяют значение искомого интеграла.По уравнению (50), зная массы F загруженной в куб смеси и ее состав , а также заданный состав остатка , находят массу остатка W. Масса перегнанной жидкости составляет F-W.Средний состав (  )ср получаемого дистиллята рассчитывают из уравнения материального баланса по низкокипящему компоненту: Откуда  (51)Расчет простой перегонки обычно имеет цель определить массу жидкости, которую необходимо перегнать, для того чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава. Вопрос 25. Непрерывная ректификация. Организация процесса Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным (как показано на рисунке 25), либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх. Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1>х1. Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов. На второй тарелке жидкость имеет состав х2, содержит больше НК, чем на первой (х2>х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны. Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости. Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем. На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке. Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей. В дефлегматор 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случаем часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике б направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая-остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.  Рисунок 25-Схема непрерывно действующей ректификационной установки: 1-ректификационная колонна (а-укрепляющая часть; б-исчерпывающая часть); 2-кипятильник; 3-дефлегматор; 4-делитель флегмы; 5-подогреватель исходной смеси; 6-холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7-холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9-сборники; 10-насосы. Вопрос 26. Материальный баланс ректификации Пусть, согласно схеме на рисунке 26, в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой мол.долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята P кмоль, его состав мол.долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, причем ее состав равен составу дистиллята ( мол. Долей). Снизу колонны удаляется W кмоль остатка состава мол. долей НК.Тогда уравнение материального баланса колонны будет:  Поскольку  , то (52)Соответственно материальный баланс по НК:  (53) Рисунок 26-К составлению материального баланса ректификации: 1-колонна; 2-куб; 3-дефлегматор Вопрос 27. Тепловой баланс ректификации Для колонны непрерывного действия (рисунок 27) с учетом потерь тепла в окружающую среду имеем:  Кроме известных величин, в выражении для количеств тепла входят: l,  ,  ,  -энтальпии соответственно паров, выходящих из колонны, исходной смеси, флегмы и остатка. Таким образом, уравнение теплового баланса:  (54)Подставляя вместо Q их значения и учитывая, что ,  и  , получим: (55)Решая уравнение (55) относительно  , находим расход тепла в кипятильнике: )+ (55a)Из уравнения теплового баланса (55а) видно, что тепло, подводимое в кипятильник, затрачивается на испарение дистиллята  , испарение флегмы  , нагревание остатка до температуры кипения  , а также на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.Флегма из дефлегматора поступает в колонну при температуре ее кипения. Поэтому энтальпия выходящих из колонны паров  , где  -теплота испарения флегмы.Потери тепла в окружающую среду обычно выражают в долях тепла, подводимого в кипятильник, то есть принимают  , где при наличии хорошей тепловой изоляции коэффициент  .Делая соответствующие подстановки в уравнение (55а), окончательно получим:  (56) Рисунок 27-К составлению теплового баланса ректификации: 1-колонна; 2-кипятильник; 3-дефлегматор Вопрос 28. Аппаратурное оформление непрерывной и периодической ректификации Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций, основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов. В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций. Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от-абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами—кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией. Кипятильник, или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны (рисунок 28, а). Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости. В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси Поэтому объем куба должен быть в 1,3—1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром. Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре его располагают‚ либо вне колонны, либо непосредственно над колонной (рисунок 28,а), чтобы обеспечить большую компактность установки. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы. В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне (рисунок 28, а) или ниже верха колонны (рисунок 28,б) для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.  Рисунок 28-Варианты установки дефлегматора: а-на колонне; б-ниже верха колонны; 1-дефлегматор; 2-колонны; 3-насос |