Расшифровка маркировки, область применения (агрессивное воздействие среды, давление, температура)

• Название: Расшифровка маркировки, область применения (агрессивное воздействие среды, давление, температура)
• Анкор: otvety_Gos_moi.docx
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 7.79 Mb.
• Имя файла: otvety_Gos_moi.docx
• Тип: Расшифровка; #4905
• страница: 19 из 25

49 Простая перегонка, материальный баланс простой перегонки. Схемы фракционной и ступенчатой перегонки, перегонки с частичной дефлегмацией.

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре или на различии температур кипения компонентов смеси при одном и том же давлении. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности, которой характеризуется летучесть компонентов жидкой смеси.

В простейшем случае исходная смесь является бинарной, состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, соответственно, имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим компонентом (ВК). Эту жидкость называют остатком, а жидкость, полученную в результате конденсации паров, – дистиллятом или ректификатом.

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различаются между собой. Используется простая перегонка обычно для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т. п.

Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.

В периодически действующей установке для фракционной перегонки (рисунок 1) исходную смесь загружают в перегонный куб 1, снабженный змеевиком для обогрева, и доводят до кипения. Пары отводят в конденсатор-холодильник 2. Фракции дистиллята поступают через смотровой фонарь 3 в отдельные сборники 4—6. По окончании операции остаток сливают из куба, после чего в него вновь загружают разделяемую смесь.



1 – перегонный куб; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – смотровой фонарь; 4-6 – сборники фракций дистиллята

Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени t содержитсяLкг перегоняемойсмеси, имеющей текущую концентрацию х (по низкокипящему компоненту). Масса НК в жидкости в этот момент равнаLx.

Пусть за бесконечно малый промежуток времени dt испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе уменьшится на величику dx. При этом образуются dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию у* количество НК в паре будет равно dLy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L—dL), кг, а ее концентрация будет (х—dx). Тогда материальный баланс по НК выразится уравнением:

Lx = (L — dL) (х — dx) + dLy*

Раскрывая скобки и пренебрегая произведением dLdx, как бесконечно малой величиной второго порядка, после разделения переменных получим:

dL/L = dx /( y* — х).
Это дифференциальное уравнение должно быть проинтегрировано в пределах изменения массы жидкости в кубе от начальнойL = F до L — W(гдеF— масса исходной смеси, или питания, W— масса остатка) и соответствующего падения ее концентрации от x_F до x_Wза всю операцию перегонки:

(1)

Вид функции у* = f (х) определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения, проводят графически — путем построения зависимости 1 /(у*—х) от х.

Для ряда значений х в пределах от x_F до x_w находят из диаграммы у—х равновесные им значения у* и по размеру площади под кривой, ограниченной абсциссами x_F и x_W определяют (с учетом масштабов диаграммы) значение искомого интеграла.

По уравнению. (1), зная массы F загруженной в куб смеси и ее состав x_F, а также заданный состав остатка х_W, находят массу остатка W. Масса перегнанной жидкости составляет F—W.

Средний состав (х_р)_ср получаемого дистиллята рассчитывают из уравнения материального баланса по низкокипящему компоненту



Расчет простой перегонки обычно имеет целью определить массу жидкости, которую необходимо перегнать, для того чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава.

Простая перегонка с дефлегмацией. Для повышения степени разделения смеси перегонку осуществляют, дополнительно обогащая дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 (рисунок) поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно 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.



1 – перегонный куб; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор-холодильник; 4-6– сборники, 7- штуцер.

50 Непрерывная ректификация бинарной смеси, материальный и тепловой балансы, рабочая линия ректификации, построение рабочей линии для укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны, минимальное и рабочее флегмовое число.

Ректификациейназывается диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, который осуществляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

Для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами используют процесс ректификации, который широкоприменяется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, кислородной, пищевой и других отраслях промышленности.

Отбираемый с верху колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом (или дистиллятом), — а снизу колонны W, обогащенный ВКК, — остатком (или нижним продуктом).

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания, или эвапорационным пространством, часть ректификационной колонны,находящаяся выше ввода сырья — верхней, концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья — нижней, отгонной или исчерпывающей. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт — теоретической тарелкой.

Сущность ректификации как явления удобно рассматривать на примере работы колонны применительно к разделению бинарной смеси. Схема ректификационного агрегата показана на рис.1а, ей соответствует диаграмма t – х,у для разделяемой смеси (рисунок. 1б). Колонну 1 будем считать адиабатической: она хорошо изолирована в тепловом отношении, так что потери тепла в окружающую среду практически отсутствуют. В нижней части колонны находится куб 2 с обогревающим устройством. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3.

Схематизируем явления, происходящие при ректификации. При нагревании исходной смеси состава x_о до температуры кипения t₀ образуется пар, находящийся в равновесии с жидкостью. При его конденсации образуется жидкость (конденсат) состава x₁= y₀, которая обогащена НК. Нагрев эту жидкость до температуры t₁ и сконденсировав образовавшиеся пары, получим конденсат состава x₂= y₁, причем x₂>x₁, т.е. жидкость еще больше обогащена НК.

Таким образом, повторяя многократно процессы испарения и конденсации паров, можно получить жидкость, практически состоящую из одного НК. Параллельно этому в нижней части колонны (в кубе) получаем жидкость обогащённую ВК.



Рисунок 1 - Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз:

а) схема ректификационного агрегата (1 – колонна, 2 – обогревающее устройство, 3 – конденсатор);

б) процесс ректификации на диаграмме t – x,y. G_V – выход паров в дефлегматор, G_R – подача флегмы на орошение колонны, G_Д – отбор дистиллята.
Для анализа работы ректификационной колонны необходимо составить материальные балансы потоков. Уравнения последних имеют следующий вид:

-для всей колонны

F=Д+W

-по потокам фаз

G_F=G_Д+G_W

G_F+G_R=G_V+G_W;

- по количеству НК:

G_F·х_F=G_Д·y_Д+G_W·х_W.



Относительный отбор остатка составит:



Процесс ректификации связан с обменом тепловой энергией между паром и жидкостью и если не учитывать потери тепла в окр. среду тепловой баланс можно записать по формуле:

Q_F+Q_B = Q_D+Q_W+Q_d

Q_F– тепло с сырьем; Q_B – тепло входит в низ колонны через кипятильник; Q_D - отводится из колонны парами ректификата; Q_W– отводится жидким остатком; Q_d - отводится хладагентом.

Отдельные составляющие: Q_F = F(1-e)·h_tF + F·e·H_tF= F·h_F

е – массовая доля отгона.е = D/F=W/F.

51. Насадочные и тарельчатые колонные аппараты, виды насадок и тарелок. Полые распылительные колонны, применяемые для абсорбции и экстракции. Пленочные абсорберы.

Тарельчатые колонны применяют при рабочем давлении выше атмосферного. Разделение на тарелках более эффективно, чем на насадках. Масса тарельчатой колонны меньше насадочной. Используется при расчете фундамента и несущей способности опорных конструкций. В тарельчатой колонне можно предусмотреть люки, лазы для чистки контактирующих массообменных устройств. Насадочные колонны приходятся разбирать полностью. Система, содержащая твердые вещества, также разделяется в тарелке колонны. В насадочной колонне эти твердые вещества могут забивать свободное пространство насадок. В тарельчатых колоннах свободное сечение больше, поэтому твердые вещества могут проходить свободно. Тарельчатые колонные применяются , если при разделении системы происходит большая отдача теплоты. В тарельчатых колонных отвести тепло можно с помощью промежуточного охлаждения, а также подавать жидкость вовнутрь колонны.

Насадочные колонны применяют при атмосферном давлении и вакууме. Также применяются при разделении при условиях низкого давления, при сильно пенящихся системах. Пена накапливаясь на тарелке, может подняться на выше лежащую тарелку и может произойти захлебывание. Для систем, вызывающих коррозию металла также применяют насадки, при этом их изготавливают из коррозионно-стойкого материала (керамика или пластмасса). При использовании насадочных колонн с большим диаметром эффективность разделения снижается. Все большую популярность приобретает использование чередование тарелок и насадов.

НАСАДОЧНЫЕ АППАРАТЫ, колонные аппараты, предназначенные для интенсификации тепло- и массообмена и обеспечения однородных гидродинамич. условий проведения хим.-технол. процессов. С этой целью часть объема Н.а. заполнена слоями твердых тел разл. размеров и формы-неподвижными и подвижными насадками, к-рые служат для создания развитой пов-сти контакта между взаимодействующими потоками в гетерог. системах, гл. обр. газ (пар)- жидкость.

В Н.а. неподвижная насадка засыпается на опорные решетки, имеющие отверстия для стока жидкости и прохождения газа (рис. 1). Жидкость подается на насадку сверху при помощи спец. распределит.устройств. По всей высоте насадки равномерное распределение жидкости невозможно, что объясняется т.наз. пристеночным эффектом-большей плотностью загрузки насадки в центр. части аппарата, чем около его стенок, вследствие чего жидкость стремится растекаться в направлении от центра к периферии. Для предотвращения этого и улучшения смачивания насадки ее зачастую укладывают не сплошь на всю высоту, а отдельными слоями (секциями) высотой 1,5-3,0 м и под каждым из них, кроме нижнего, размещают направляющие устройства.

Газ и жидкость движутся, как правило, противотоком; в промети используют также Н.а. с прямоточным (нисходящим) движением фаз при высокой скорости газа (до 10 м/с). В слое насадки жидкость стекает по ее элементам гл. обр. в виде тонкой пленки, и пов-стью контакта фаз является в осн. смоченная пов-сть насадки, поэтому Н.а. можно рассматривать как разновидность пленочных аппаратов. При перетоке жидкости с одного элемента насадки на другой жидкая пленка разрушается, и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит в виде струй и капель через расположенные ниже элементы насадки, а нек-рое кол-во задерживается в ней вследствие смачивания пов-сти и скопления в узких каналах, образуемых соприкасающимися насадочными телами, что приводит к увеличению гидравлич. сопротивления и снижению эффективности массообмена.



РИС. 1. Насадочный аппарат: 1-неподвижная насадка; 2-опорные решётки; 3,4- соответственно распределители и перераспределители жидкости.

взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. Положение слоя взвешенных элементов фиксируется ниж. (опорной) и верх. (ограничительной) решетками. В аппаратах с неск. слоями насадки верх.решетка нижерасположенного слоя служит опорой для вышеразмещенного. Высота слоя насадки в неподвижном состоянии (без газового потока) 0,2-0,3 м, расстояние между решетками 1-1,5 м. Для улучшения контакта между газом и жидкостью в аппаратах большого диаметра пространство между решетками разделяют вертик. перегородками на прямоугольные или секторные отсеки. С целью улучшения распределения жидкости и уменьшения брызгоуноса предложены конич. аппараты, в к-рых сечение возрастает по ходу газа. Аппараты с подвижной насадкой могут функционировать при больших скоростях газа без захлебывания и обеспечивают более высокий коэф. массопередачи, однако характеризуются большим гидравлич. сопротивлением, значит.брызгоуносом и износом насадочных тел.

Для эффективной работы Н.а. насадки должны удовлетворять след.осн. требованиям: иметь большую пов-сть, хорошо смачиваться орошающей жидкостью, оказывать малое гидравлич. сопротивление газовому потоку, равномерно распределять орошение, быть стойкими к хим. воздействию газа и жидкости, обладать малой материалоем-костью и высокой мех. прочностью, иметь невысокую стоимость. Насадочные тела изготовляют обычно из металлов, стекла, керамики, пластмасс, дерева и загружают в аппараты навалом (нерегулярные насадки) либо укладывают или монтируют в определенном порядке, в частности в жесткую структуру (регулярные насадки).

Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, полусфер, седел и др. (рис. 2). Наиб.распространены кольца Рашига с высотой, равной диаметру. Известны модификации этой насадки с лучшими характеристиками, напр. кольца Палля и Лессинга. Среди седловидных насадок особенно широко применяют седла Берля, а также насадки Инталлокс. В лаб. условиях используют насыпные сетчатые насадки типа колец Барада, пластмассовые розетки Теллера, насадки из проволочных геликоидов. В ряде случаев применяют кусковые насадки из кокса, кварца и т. д. Для аппаратов с подвижной насадкой, как правило, используют полые или сплошные шары из полиэтилена и др. пластмасс, а также из пористой резины.

Регулярные насадки в отличие от нерегулярных характеризуются низким гидравлич. сопротивлением и более высокой пропускной способностью. Простейшая регулярная насадка-хордовая, представляющая собой ряд деревянных брусьев, закрепленных на нек-ром расстоянии друг от друга. Плоскопараллельная насадка изготовляется в виде набираемых из металлич. листов пакетов, обычно устанавливаемых один на другой "крест-накрест". Сетчатые насадки м.б. пакетными (типа Зульцера и др.) и складчатыми, напр. в виде кубиков. Значительно проще в изготовлении, монтаже и эксплуатации рулонные сетчатые насадки типа Гудлоу, Стедмена и т. п., выполненные из сетчатых лент спец. плетения либо из гофрированной сетки, к-рая скатана в рулон диаметром, равным диаметру аппарата. Использование таких насадок позволяет существенно снизить влияние пристеночного эффекта и упростить сборку Н.а.

Н.а. обладают высокими разделительной способностью смесей на компоненты и производительностью, а также сравнительно низким гидравлич. сопротивлением, просты в изготовлении, надежны в работе. Недостатки: трудность отвода теплоты, выделяющейся при контакте взаимод. потоков, и плохая смачиваемость насадки при малых плотностях орошения. Н.а. широко применяют в лаб. практике, хим. и смежных отраслях пром-сти для проведения хим, и массообменныхпроцессов, сепарации брызг из газовых потоков и т.д.

ТАРЕЛЬЧАТЫЕ АППАРАТЫ, массообменные вертикальные колонные аппараты, снабженные расположенными одна над другой поперечными перегородками, или тарелками, с помощью к-рых по высоте колонны осуществляется многократный дискретный контакт газа (пара) с жидкостью. Организованное движение фаз на тарелках м. б. прямо-, противо- или перекрестноточным, а также смешанным при общем противотоке фаз по колонне (газ либо пар поднимается вверх, жидкость стекает вниз).

Эффективность тарелок любых конструкций в значит. степени зависит от способов контактирования фаз наих пов-сти. Различают барботажный и струйный гидродинамич. режимы работы тарелок. В барботажном режиме на тарелках поддерживается слой жидкости (сплошная фаза), через к-рый барботирует восходящий поток газа (дисперсная фаза), распределяясь в жидкости пузырьками (см. также Барботирование). С повышением нагрузок по газу происходит инверсия фаз, при к-рой в сплошной (газовой) фазе распределена в виде капель и струй дисперсная (жидкая) фаза; такой режим наз. струйным.

Аппараты с барботажными тарелками. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные (рис. 1), а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного тока благодаря равномерно распределенным на плато тарелок их элементам (отверстиям, колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств (переливных и приемных карманов); задержка жидкости задается высотой переливной перегородки (10-100 мм). Своб. сечение (суммарная площадь всех отверстий или щелей) для прохода газа составляет 1-30%, а площадь, занимаемая переливными устройствами, - ок. 20% от площади поперечного сечения колонны. На провальных тарелках реализуется противоточный контакт фаз.

Скорость газового потока на каждой тарелке должна быть такой, чтобы жидкость не "проваливалась" через отверстия (щели) на нижележащую тарелку; для предотвращения снижения эффективности массопереноса должны отсутствовать также байпасные (не контактирующие с газом) потоки жидкости по плато тарелок.