технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
?, x = ? W, x W F, x F ? ? P Фи количество поднимающегося пара составляет G= P•R+P=P(R+1). (В укрепляющей части колонны количество стекающей жидкости равно количеству флегмы Фа состав пара на выходе из колонны равен составу подаваемой на орошение флегмы кн Подставляя значения L, G, y к, x н в уравнение (15.5), получим после преобразования 1 + + + = R x x R R y P . (Зависимость (20.19) является уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны. Подставляя в уравнение x=x P , получим y=x P , те. на диаграмме y–x (рис. 20.10) рабочая линия укрепляющей колонны проходит через лежащую на диагонали точку a с абсциссой x P . Из уравнения (20.19) видно, что тангенс угла наклона рабочей линии 1 tg + = ? R R , а отрезок, отсекаемый на оси ординат, составляет. Считая величину R известной, откладываем на оси ординат отрезок B и соединяем прямой конец отрезка (точку d) сточкой Из точки, отвечающей заданному составу исходной жидкости проводят вертикаль до пересечения с линией ad в точке b. Отрезок ab – рабочая линия укрепляющей части колонны Количество поднимающегося пара постоянно во всей колонне. Это количество пара образуется в кубе и поступает в дефлегматор, откуда часть Ф возвращается в колонну в виде флегмы, а остальная часть P отводится в виде дистиллята. Таким образом Ф. (Отношение количества флегмы к количеству дистиллята (называется флегмовым числом. Следовательно, количество флегмы Рис. 20.9. Материальный баланс ректификационной установки 1 – колонна – куб 3 – дефлегматор 5 2 Подставляя значения L, G, y н , x кв аналогичное уравнению (15.5): ? ? ? ? ? ? ? + = ? ? x G L y получим после преобразований x R f R y 1 1 1 + ? + + + = . (Зависимость (20.21) представляет собой уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны. Согласно допущению (20.21) находят на диаграмме y–x точку c как пересечение диагонали диаграммы и вертикали, восстановленной из точки, соответствующей составу кубовой жидкости x w . Соединяя точку с сточкой, принадлежащей одновременно рабочим линиям укрепляющей и исчерпывающей частям колонны, получим линию bc, представляющую собой рабочий отрезок исчерпывающей части колонны. Минимальное и действительное флегмовое число При изменении флегмового числа будет изменяться положение рабочих линий. При бесконечном флегмовом числе (те. Фи тогда P ? 0, значит, весь сконденсированный пар возвращается в колонну в качестве флегмы и колонна работает на себя) с фиксированным значением НК в дистилляте x P отрезок B будет такими тогда рабочая линия ab ?c совпадает с диагональю диаграммы. Если уменьшать флегмовое число, рабочая линия укрепляющей колонны будет поворачиваться около точки a (рис. 20.10). При этом рабочая линия исчерпывающей части колонны последовательно займет положение abc, ab ??c и т.д. Исчерпывающая часть колонны. В ней количество стекающей жидкости L больше количества флегмы Ф на количество исходной жидкой смеси Обозначая F P f = – число питания, найдем для исчерпывающей части колонны Ф + F=P(R + f). (Составы поступающего в колонну пара и вытекающей из нее жидкости с учетом принятых допущений равны составу остатка н = x к = x W (Рис. 20.10. Построение рабочих линий на диаграмме y–x 5 2 Так как рабочая линия не может пересекать линию равновесия и теоретически может только касаться ее, предельное положение рабочей линии укрепляющей части колонны будет ab ???. При этом рабочая линия на оси ординат отсекает максимальный отрезок, которому соответствует минимальное флегмовое число Из уравнения рабочей линии укрепляющей части тангенс угла наклона, с одной стороны, равен min min + = ? R R , (ас другой стороны, по диаграмме x y x l b al ? ? = ??? = ? * tg . (Совместно решая уравнения (20.23) и (20.24) относительно, получим y y x R ? ? = * * min , (где * F y – состав пара, равновесный с Действительное флегмовое число д, при котором работает колонна, должно находиться в пределах R min и R= ?. Оптимальный выбор действительного флегмового числа представляет собой сложную задачу и определяется из технико-экономического анализа. Затраты на проведение процесса ректификации состоят из капитальных и эксплуатационных затрат. При увеличении флегмового числа с R min до бесконечности рабочая высота колонны, пропорциональная числу теоретических ступеней изменения концентрации (рис. 20.11), возрастает от бесконечности до H min : а б Рис. 20.11. Изображение рабочих линий при а – R min , б – С другой стороны, однако, диаметр колонны при минимальном флегмовом числе будет минимальным, так как количество поднимающихся паров по колонне (R min +1) ? G min , 5 2 а при флегмовом числе, равном бесконечности, количество паров стремится: ( ) [ ] ? = + = ? ? 1 lim R P G R , т.е. диаметр колонны должен быть бесконечным. Поэтому зависимость капитальных затрат от флегмового числа имеет минимум (кривая 2, рис. 20.12). Эксплуатационные расходы, определяемые расходом теплоносителя, возрастают прямо пропорционально величине R, так как с увеличением R возрастает количество жидкости, которое необходимо испарить в кипятильнике. При R= ? требуется испарить максимально возможное количество жидкости. Следовательно, в этом случае расход греющего пара наибольший (кривая 1, рис. где ? – коэффициент избытка флегмы. Оптимальное значение этого коэффициента колеблется ориентировочно в пределах ч. Тепловой баланс Как правило, тепловой баланс ректификационной колонны составляется для определения количества тепла, которое необходимо подвести в куб колонны для испарения жидкости. С учетом потерь тепла в окружающую среду распишем приходные и расходные статьи тепла (рис. Приход тепла : с теплоносителем в кипятильнике – Q кип , с исходной жидкостью – Q F с флегмой – Q Ф =Фi Ф Расход тепла : с парами, выходящими из колонны – с кубовым остатком – потери в окружающую среду – Q пот = (5 ч7 %) Q кип Зависимость суммарных затрат от флегмового числа изображается на рис кривой 3. Этому минимуму суммарных затрат соответствует оптимальное значение действительного флегмового числа – R опт В связи со сложностью проведения технико-экономического расчета для определения R опт выбор флегмового числа проводят приближенно, а именно задаются отношением действительного флегмо- вого числа к минимальному, (Рис. 20.12. Зависимость затратна ректификацию от R опт : 1 – эксплуатационные расходы – капитальные затраты – общие затраты на ректификацию 5 3 0 G, i ?, i G ? W, i ? F, i Q F W Q G Q ? Q ??? Q F W ???? 1 Как правило, флегма поступает в колонну при температуре ее кипения, тогда энтальпия пара составляет i G = Ф +Ф где Ф – мольная теплота испарения флегмы, Дж/кмоль. При этом разность i G Ф = Фи уравнение (20.28) примет вид: Q кип =P (R+1)r Ф +P(i Ф – i F ) +W(i W – i F )+ пот. (В справочной литературе обычно приводятся значения теплоемкостей и теплот испарения только для чистых веществ, поэтому для смесей пользуются правилом аддитивности = л x + т (1–x), r = r л + r т где л, т – мольные теплоемкости НК и ВК соответственно, Дж/кмоль•град; r л, r т – теплоты испарения НК и ВК, Дж/кмоль; x – мольная доля НК. В дефлегматоре происходит частичная или полная конденсация паров, поступающих из колонны. При частичной конденсации в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров, требуемая для образования флегмы, а остальная– отводится из дефлегматора в парообразном состоянии в качестве дистиллята. Тепловая нагрузка дефлегматора Q деф в этом случае составляет: Q деф = Ф – Ф) Ф. (При полной конденсации в дефлегматоре конденсируются все поступающие в него пары. Часть полученного конденсата возвращается в колонну в виде флегмы, другая – отводится в Таким образом, Q кип +Fi F + Фi Ф = Gi G + WI W + пот. (Подставляя в уравнение (20.27) значения и Ф, по формулам (20.13), (20.17), (20.18), решая его относительно Q кип , получим Q кип =PR (i G – Ф – i F ) + + W (i W – i F )+ пот (В уравнении (20.28) член Ф) расход тепла на испарение флегмы, член) – расход тепла на испарение дистиллята, член W(i W –i F ) – нагрев тепла на нагревание кубового остатка. Энтальпию жидкостей Фи можно выразить в виде произведения соответствующих мольных теплоемкостей на температуры жидкостей: i Ф = Ф Ф i W = C W t W ; i F = C F Рис. 20.13. Схема потоков для теплового баланса – колонна – кипятильник – дефлегматор 5 3 виде дистиллята. Тепловая нагрузка дефлегматора при полной конденсации такая: Q деф = ФР – Ф) =P (R+1) Ф (Определение количества тепла, переданного в дефлегматоре, необходимо для определения количества охлаждающей воды. Периодическая ректификация Как отмечалось выше, входе процесса периодической ректификации по мере отбора дистиллята концентрация НК в кубовой жидкости непрерывно падает. Несмотря на это, процесс можно осуществить так, что состав отбираемого дистиллята будет оставаться постоянным. Возможен также второй вариант периодической ректификации, характеризующийся проведением процесса при постоянном флегмовом числе. Рассмотрим оба варианта. Отбор дистиллята постоянного состава Процесс периодической ректификации при постоянной флегме в течение всего процесса заключается в том, что, так как флегмовое число и число единиц переноса (или число теоретических ступеней) являются величинами постоянными, а наклон рабочей линии, равный R/(R+1), не зависит от концентрации и тоже остается постоянным, строят рабочую линию так, чтобы вписывалось заданное число теоретических ступеней контакта, а затем смещают параллельно своему первоначальному положению (при неизменной эффективности процесса) рабочую линию до заданного конечного состава в кубе ( ) ? W x (риса. В связи с этим изменяется во времени состав дистиллята от н (при начальном составе в кубе x F ), x , x P P ?? ? вплоть до конечного значения ( ) ? P x b b a a b? a? b? b?? a?? b?? b??? a??? b??? y y x W x ?? W x ? W x F x ?? P x ? P (x P ) ? x W x ?? W x ? W x F x P x x a б Рис. 20.14. Изображение рабочих линий процесса периодической ректификации а – при R=const, б – при x P = Состав жидкости в кубе вначале процесса выражается мольной долей x F , по окончании процесса эта доля равна x W , что обозначено 5 3 на диаграмме (рис. б. По мере отбора дистиллята, содержащего больше легколетучего компонента x P , чем жидкость в кубе, состав последнего непрерывно обедняется. Отсюда следует, что при желании удержать постоянный состав дистиллята надлежит все время увеличивать флегмовое число R, изменяя наклон рабочей линии, так как эффективность колонны, выраженная числом единиц переноса (или числом теоретических ступеней), остается неизменным. Обычно расчет выполняют графическим способом при известной концентрации исходной смеси и эффективности колонны. Строят рабочую линию так, чтобы между линией равновесия и искомой рабочей линией вписывалось определенное количество теоретических ступеней. Точка пересечения рабочей линии и диагонали диаграммы дает значение возможно полученного дистиллята и значение флегмового числа. Затем, принимая произвольно ряд больших значений R, строят для каждой из них рабочую линию и вписывают между ней и линией равновесия заданное число теоретических тарелок, определяя тем самым меняющееся во времени значение легколетучего компонента в кубе. Среднее флегмовое число для всего процесса определяется методом графического интегрирования x W F Rdx x x R 1 cp . (В результате получается дистиллят, средний состав которого находится по уравнению ) ? ? = F W x x P W F P dx x x x x 1 cp . (20.33) 20.7. Ректификация многокомпонентных смесей В промышленности приходится иметь дело с ректификацией многокомпонентных смесей чаще, чем с ректификацией бинарных смесей, и тем не менее процесс ректификации многокомпонентных смесей изучен относительно мало. Причиной этого является большое число степеней свободы в многокомпонентных системах. Как было показано ранее, при ректификации двухкомпонентных смесей и установлении общего давления и мольной доли одного компонента в дистилляте уже определено содержание другого компонента. В системе же из n компонентов имеется n степеней свободы. Поэтому при заданном давлении процесса и содержании одного компонента нельзя однозначно определить ни содержание остальных компонентов, ни температуру, так как остается еще степени свободы. Можно произвольно подобрать содержание n–2 компонентов. Процесс разделения бинарных (двухкомпонентных) смесей на относительно чистые компоненты можно проводить водной ректификационной колонне. Для разделения смеси, например состоящей из трех компонентов, требуются две колонны (риса б Рис. 20.15. Схема установок для ректификации трехкомпонентных смесей: а – последовательное соединение, б – параллельное В зависимости от различий в летучести компонентов возможны два типа соединения колонн. Если компоненты Аи В значительно более летучи, чем компонент Сто наиболее удобной является схема соединения колонн, изображенная на рис. 20.15, а; если же более летучим окажется компонент А, то практичнее схема соединения колонн, изображенная на рис. 20.15, б. Следовательно, разделение компонентной смеси потребует установки ректификационных колонн. При расчете одной данной колонны из установки для ректификации многокомпонентной системы наибольшие трудности состоят в определении конечных продуктов этой колонны дистиллята и исчерпывающей жидкости. В случае разгонки многокомпонентной жидкости с известным составом нельзя определить полный состав дистиллята и исчерпанной жидкости; можно только задать содержание одного компонента в дистилляте и одного – в исчерпанной жидкости. Обычно задается содержание одного малолетучего компонента, называемого тяжелым ключевым компонентом. Чаще всего этот компонент содержится в дистилляте в незначительном количестве (другие менее летучие компоненты практически отсутствуют в дистилляте. Затем задается содержание одного довольно летучего компонента в исчерпывающей жидкости легкого ключевого компонента. По выбранным ключевым компонентам обычным образом производят расчет каждой ректификационной колонны с определением высоты и диаметра. Расчет основных размеров ректификационных колонн Расчет ректификационных колонн принципиально не отличается от расчета аппаратов для процессов абсорбции и сводится к определению диаметра и высоты аппарата 5 3 Так как расчет основных геометрических размеров колонн имеет отличительные особенности для различных типов колонн, рассмотрим методику расчета для каждого типа. Расчет насадочных колонн Работа колонн с насадкой основывается на использовании непрерывного противотока между жидкостью и паром. Флегма из дефлегматора стекает вниз по поверхности элементов насадки, которой наполнена колонна, а вверх по каналам, образованным насадкой, поднимаются пары. Насадка колонн должна удовлетворять нескольким условиям) иметь хорошо развитую поверхность, те. насадка должна иметь значительную поверхность на единицу общего объема 2) материал насадки должен быть дешевым 3) насадка должна хорошо смачиваться жидкостью 4) иметь малое гидравлическое сопротивление 5) материал насадки должен быть устойчивым к коррозии, влиянию давления и температуры 6) равномерно распределять орошающую жидкость 7) иметь малый удельный вес. Некоторые насадки лучше удовлетворяют одному из этих условий, чем остальным, например оказывают малое гидравлическое сопротивление, зато имеют небольшую удельную поверхность или наоборот. В зависимости оттого, который из этих факторов играет большую роль в экономическом расчете процесса, применяется тот или иной тип насадки. Диаметр колонны рассчитывают по общему уравнению 4 w G D ? = , (где G – объемный расход поднимающихся паров, мс – фиктивная скорость парам с.Объемный расход пара обычно задан или находится из материального баланса процесса. Выбор фиктивной скорости необходимо осуществлять на основе следующих соображений с увеличением скорости потока, как правило, возрастают коэффициенты массопередачи, в результате чего уменьшается рабочий объем аппарата, нос другой стороны, возрастает гидравлическое сопротивление аппарата, что приводит к увеличению расхода энергии на проведение процесса. Поэтому наиболее правильным является определение оптимальной фиктивной скорости пара на основе технико-экономического расчета, при котором стоимость эксплуатации будет минимальной. На практике расчет фиктивной скорости производят из определения максимальной скорости, при которой наступает “захлебывание” аппарата или возрастание брызгоуноса. Фиктивная скорость w з пара, соответствующая захлебыванию аппарата, определяется по уравнению 5 3 5 8 1 ? ? 4 1 16 0 ? ? ? 3 ?? 2 ? 75 1 125 0 lg ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? µ ? ? G L , , gS a w , , (где св свободное сечение насадки, м 2 /м 3 ; а – удельная поверхность насадки, мм G – расходы жидкости и газа при захлебывании аппарата, кг/с; ? п , ? ж – плотности пара и жидкости, кг/м 3 ; µ ж – вязкость жидкости, Па•с. Реальную скорость движения паров по колонне принимают уменьшенной на 10–20% от скорости w з Высоту насадки находят одним из способов, описанных в разд. 15.4. 20.8.2. Расчет тарельчатых колонн Тарельчатые колонны представляют собой вертикальные аппараты, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки – контактные устройства – тарелки, с помощью которых осуществляется ступенчатое многократное взаимодействие жидкости и пара. В настоящее время применяются разнообразные конструкции контактных устройств, эффективность которых зависит от гидродинамических режимов их работы. Различают три основных гидродинамических режима работы тарелок пузырьковый, пенный и инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, что в конечном счете определяет диаметр и высоту аппарата. Данных о фиктивных скоростях пара, отвечающих различным гидродинамическим режимам, еще недостаточно. Поэтому в первом приближении, обобщая имеющиеся данные, фиктивную скорость пара в колонне w 0 , мс определяют из 1 , 0 ? ? ? ? = w . (По рассчитанному значению w 0 определяют по (20.34) диаметр колонны. Расчет высоты ректификационных колонн представляет собой сложную процедуру, описанную в специальной литературе. На практике же пользуются понятием ? – КПД контактного устройства. По диаграмме y–x находят число теоретических ступеней n т, деля на ?, в соответствии с выражением (15.46) определяют число действительных тарелок n д Рабочая высота колонны Н, м: Н = (n д – 1)h, (где h – расстояние между тарелками, м. Специальные виды перегонки Специальные виды перегонки предназначены для случаев, когда затруднено разделение жидких смесей, связанных 5 3 6 – с близкими температурами кипения, те. относительная летучесть одного компонента по отношению к другому близка к единице с образованием азеотропных смесей, смесей веществ с одинаковой летучестью. В связи с этим к специальным видам перегонки относятся) экстрактивная ректификация) азеотропная ректификация) молекулярная дистилляция. Экстрактивная ректификация Значительные трудности встречаются при разделении близкокипящих компонентов с относительной летучестью меньше. В этих случаях кривая фазового равновесия подходит очень близко к диагонали на y–x и необходимое число теоретических тарелок возрастает, что ведет к большой высоте ректификационных колонна значит, удорожанию установки. Процесс разделения такой смеси может быть упрощен путем введения в систему третьего компонента, который повышает относительную летучесть основных компонентов. Влияние добавки разделяющего компонента на изменение относительной летучести компонентов показано на рис б Рис. 20.16. Влияние на фазовое равновесие добавки разделяющего компонента на а – разделение близкокипящих компонентов, б – азеотропную смесь Из рис. 20.16 видно, что вследствие повышения относительной летучести процесс разделения близкокипящих компонентов (риса) и азеотропной смеси (рис. 20.16, б) значительно облегчается и может быть осуществлен при меньшем числе ступеней разделения. Схема установки для экстрактивной ректификации показана на рис. 20.17. Установка состоит из двух обычных ректификационных колонн, в первую из которых на одну из верхних тарелок укрепляющей части вводится поток разделяющего агента С 5 3 Компонент С (с низкой летучестью, специально подобранный) |