Реферат Курсовая Конспект
Химическая технология - раздел Философия, Федеральное ...
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
М.В. Базунова
Химическая технология.
Часть 1. Процессы и аппараты химической технологии
Учебное пособие
Для студентов 3 курса химического факультета
УФА
РИЦ БашГУ
УДК 66.021
ББК 35
Печатается по решению редакционно-издательского Совета БашГУ
Рецензент
Доктор химических наук, доцент В.М. Янборисов
(Уфимская государственная академия экономики и сервиса, г. Уфа)
Базунова М.В.
Химическая технология. Часть 1. Процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2013. - 90с.
Первая часть учебного пособия «Химическая технология» посвящена знакомству с основными процессами и аппаратами химической и нефтеперерабатывающей технологии.
В пособии изложены теоретические основы гидромеханических, тепловых и массообменных процессов, описана аппаратура, в которой эти процессы проводятся. Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ.
Тема 1: «Введение»
Цель: представить основные понятия и определения, показать связь химической технологии с основными химическими науками и с химической промышленностью.
Предмет химической технологии
Слово «технология» произошло от латинских слов «techne» - мастерство, ремесло и «logos» - понятие, учение, следовательно, дословно слово «технология» можно перевести как «наука о ремёслах». Под технологией в шароком значении этого слова понимают научное описание методов и средств производства в какой-либо отрасли промышленности. Например, методы и средства обработки металлов составляют предмет технологии металлов.
Химическая технология – это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах переработки сырых природных метериалов в предметы потребления и средства производства.
Химическая технология базируется на достижениях естественных и технических наук, и прежде всего на химических науках, таких как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика, коллоидная химия, органическая и неорганическая химия, химия высокомолекулярных соединений, но в то же время не просто повторяет, а развивает закономерности этих наук в приложении к крупномасштабным промышленным процессам. Выдающийся физико-химик академик Д.П. Коновалов считал одной из главных задач химической технологии, отличающей её от чистой химии, «установление наивыгоднейшего хода операции и проектирование ему соответствующих заводских приборов и вспомогательных механических устройств». Поэтому химтехнология немыслима без тесной связи с экономикой, физикой, математикой, информатикой, прикладной механикой и другими техническими науками.
Развитие химической технологии как науки неотделимо от её практического приложения, т. е. химической промышленности. Химическая промышленность – одна из ведущих отраслей материального производства. Удельный вес химической и нефтехимической отраслей в общем производстве в РФ составляют около 9%, что соизмеримо с удельным весом таких отраслей, как чёрная и цветная металлургия и уступает только топливной отрасли и машиностроению.
Классификация процессов химтехнологии
Объектами исследованийхимической технологии являются значительное многообразие процессов, что часто затрудняет разработку их единой классификации. Наиболее распространена классификация процессов, основанная на различии в основных законах, описывающих скорость их протекания. В соответствии с этой классификацией различают:
1) Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидравлики (примеры: осаждение твёрдых частиц в жидкости, перемешивание жидкостей, транспортировка жидкостей и газов).
2) Тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи (примеры: испарение, конденсация).
3) Массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется законами массопередачи (примеры: перегонка, абсорбция, экстракция и т.д.).
4) Механические процессы: измельчение твёрдых материалов, классификация по размерам, смешение твёрдых сыпучих материалов.
5) Химические процессы, скорость которых определяется закономерностями химической кинетики.
Закономерности, описывающие первые четыре вида процессов, опираются, в основном, на законы физики и изучены достаточно хорошо. Менее изучены и представляют больший интерес для студентов-химиков химические процессы.
При неизменных во времени характеристиках процесса в каждой точке технологического аппарата говорят о стационарном (установившемся) процессе; при этом упомянутые характеристики могут изменяться от одной точки аппарата к другой.
При изменяющихся во времени характеристиках в аппарате в целом или в каких-либо его точках говорят о нестационарном (неустановившемся) процессе.
Тема 2: «Гидравлика. Гидростатика»
Цель: Дать понятие давления, вывести соотношение между силами, действующими на жидкость, которая находится в состоянии покоя, определяющее условия равновесия жидкости.
Общие сведения по гидравлике
Многие технологические процессы химической промышленности связаны с движением жидкостей, газов или паров, перемешиванием в жидких средах, а также разделением неоднородных смесей путём отстаивания, фильтрования и центрифугирования. Скорость этих процессов описывается законами гидромеханики, которые изучают в гидравлике. Гидравлика – это наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей. Гидравлику подразделяют на гидростатику (законы равновесия жидкостей в состоянии покоя) и гидродинамику (законы движения жидкостей). При этом принято объединять жидкости, газы и пары под единым названием – жидкости, поскольку при скоростях потоков, значительно меньших, чем скорость звука, законы движения жидкостей без существенных поправок справедливы для газов и паров. Поэтому в дальнейшем под жидкостями будем понимать все вещества, обладающие текучестью.
В гидравлике при выводе основных законов используют понятие так называемой идеальной жидкости, под которой (в отличие от реальной) подразумевают жидкость, абсолютно несжимаемую, не изменяющую своей плотности под действием температуры и давления и не обладающую вязкостью.
Реальные жидкости подразделяются на капельные и упругие (газы и пары). Капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми, они обладают относительно малым коэффициентом объёмного расширения.
Z + р/γ = const (2.4)–основное уравнение гидростатики.
Это уравнение говорит о том, что жидкость, находящаяся в равновесии и в покое обладает какими-то видами энергии, т.е. основное уравнение гидростатики – это частный случай закона сохранения энергии.
Выразим энергию в произвольных точках 1 и 2 внутри покоящейся однородной капельной жидкости относительно произвольно выбранной плоскости отсчёта (рис. 2). Плоскость отсчёта перпендикулярна плоскости рисунка, ОО – линия пересечения плоскости отсчёта с плоскостью рисунка.
z1 и z2 - высоты расположения двух точек внутри покоящейся жидкости, называются нивелирным или геометрическим напором. Геометрический напор выражает удельную потенциальную энергию положения данной точки 1 или 2 над произвольно выбранной плоскостью сравнения ОО.
Рис. 2. К основному уравнению гидростатики |
p1 и р2 – пьезометрическое давление столба жидкости, находящейся выше точки 1 и 2 соответственно.
p1/γ и р2/γ - пьезометрические напоры.
z1 + р1/γ = z2 + р2/γ (2.5)-для каждой точки покоящейся жидкости сумма нивелирной высоты и пьезометрического напора столба жидкости есть величина постоянная. Или, другими словами, сумма удельной потенциальной энергии положения и удельной потенциальной энергии давления для любой точки покоящейся жидкости есть величина постоянная и равная полному гидростатическому напору.
Закон Паскаля
Для вывода закона Паскаля рассмотрим две точки в покоящейся жидкости, одна из которых расположена внутри объёма жидкости (точка 1) на высоте z от произвольно выбранной плоскости сравнения, а другая находится на поверхности жидкости – на высоте z0 от той же плоскости. Пусть р и р0 – давления в точках 1 и 2 соответственно. Согласно основному уравнению гидростатики: z + р/γ = z0 + р0/γ.
р/γ = z0 + р0/γ.- z (умножим обе части на γ),
Р = р0 + γ(z0 – z) (2.6) – математическое выражение закона Паскаля
Закон Паскаля: давление в любой точке покоящейся несжимаемой жидкости передается одинаково всем точкам её объёма.
Покажем данное утверждение наглядно: при постоянной температуре относительный удельный вес жидкости γ = ρg есть величина постоянная; разность ( z0 – z) (разность нивелирных напоров) тоже величина постоянная, следовательно γ(z0 – z)=const – обозначим данное произведение буквой А, тогда: р = А + р0
Пусть р0 = 1 атм, то р = А + 1 атм.
Увеличим р0 на 4 атм: р = А + 5 атм.
∆р0 = 4 атм; ∆р = 4 атм - то есть, насколько изменилось давление в точке на поверхности жидкости, настолько оно изменилось и в любой точке в объёме жидкости.
Следствием закона Паскаля является принцип сообщающихся сосудов: если давление над сообщающимися сосудами одинаковое, то жидкость в сосудах находится на одном уровне: р1 = р2 → z1 = z2
Этот принцип используют для измерения уровня и объёма жидкости в закрытых аппаратах с помощью водомерных стёкол.
Движущая сила перемещения жидкости
Перемещение жидкости по трубопроводам, каналам, аппаратам происходит вследствие перепада давления ∆р, создаваемого разностью уровней жидкости или работой специальных машин – насосов.
Внутренняя и внешняя задача гидродинамики
Различают внутреннюю и внешнюю задачи гидродинамики. Внутренняя задача связана с анализом движения жидкости внутри труб и каналов. Внешней задачей гидродинамики является изучение закономерностей обтекания жидкостями различных тел.
Z + p/ρg+ w2/2g = const (3.5) - уравнение Бернулли
z – нивелирный напор, p/ρg – пьезометрический напор, z + p/ρg - полный гидростатический напор, w2/2g – динамический (скоростной напор), выражает удельную кинетическую энергию движения жидкости.
z + p/ρg+ w2/2g – полный гидродинамический напор, обозначим Н.
Для двух произвольных сечений жидкости можно записать:
z1 + p1/ρg+ w 12/2g = z2 + p2/ρg+ w 22/2g (3.6) ,
то есть для любого сечения или точки потока при установившемся движении идеальной жидкости сумма потенциальной (z + p/ρg) и кинетической (w2/2g) энергий жидкости остаётся величиной постоянной.Таким образом, уравнение Бернулли выражает частный случай закона сохранения энергии.
Определение расхода жидкости и газа
Определение расхода газа и жидкости приборами
Виды гидромеханических процессов
Процессы, протекающие в гетерогенных системах и подчиняющиеся законам гидравлики, называют гидромеханическими. К таким процессам относятся: осаждение, центрифугирование, фильтрование, псевдоожижение
Осаждение частиц под действием силы тяжести
Осаждение – процесс разделения жидких или газовых гетерогенных систем путём выделения из жидкой или газовой фазы твёрдых или жидких частиц дисперсной фазы.
Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствии с этим к осаждению относят следующие процессы:
- отстаивание,то есть осаждение под действием силы земного тяготения;
- центрифугирование,то есть осаждение под действием центробежной силы;
- электроосаждение,то есть осаждение под действием сил электрического поля.
Фильтрация под атмосферным давлением
Предполагается, что р1 = р2 = 1 атм, р1 - р2 = 0, тогда скорость фильтрации будет wф = рпм/γводы = hпм – высота столба жидкости,
следовательно, wф =. Все величины в дробной части формулы – постоянные, обозначим эту дробь через А, значит скорость фильтрации при атмосферном давлении зависит только от высоты столба жидкости над фильтровальной перегородкой. Это уравнение wф =А·hпм описывает прямую линию, исходящую из начала координат, с тангенсом угла наклона к оси абсцисс, равным
Фильтрация под избыточным давлением
Если при фильтровании суспензию на фильтровальную перегородку подают под давлением (например, с помощью насоса), то говорят о фильтрации под избыточным давлением. Таким образом в данном случае р2 = 1 атм, движущая сила процесса ∆р =р1 – р2.
Скорость фильтрации wф = ,
w = A’∆р + B – уравнение прямой линии, В – отсечение на оси ординат, показывающее, какой будет скорость при атмосферном давлении.
Фильтрация под вакуумом
Если пространство под фильтровальной перегородкой присоединить к источнику вакуума, то уменьшиться р2. Такой процесс называется фильтрацией под вакуумом.
Движущая сила процесса ∆р =р1 – р2 , р1 = 1атм, р2 – остаточное давление, ∆р – величина вакуума. Уравнение для скорости фильтрации такое же, как и в случае фильтрации под избыточным давлением.
В технологии для интенсификации процесса фильтрации часто используют фильтрацию под избыточным давлением или под вакуумом. Наиболее распространённые типы промышленных фильтров: нутч-фильтры (работают под вакуумом или под избыточным давлением), фильтр-прессы (работают под давлением), ленточные вакуум-фильтры.
Цель:Изучитьосновные понятия, определения и закономерности тепловых процессов.
Теплоотдача
Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменной аппаратуры важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.
Теплоотдача при естественной конвекции.Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках объема: более нагретые макрообъемы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также перемещаются вверх. В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры поверхности, физических свойств теплоносителя.
Охлаждающие агенты
Для охлаждения до 10-30 0С используют доступные и дешёвые охлаждающие агенты – воду и воздух. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоёмкостью, более высоким коэффициентом теплоотдачи (αводы = 100-400, αвозд. = 10-30) и позволяет проводить охлаждение до более низких температур.
До -20 0С можно охлаждать с помощью крепких растворов солей, т.н. рассолов (растворов хлорида кальция, магния и др.). Они являются промежуточными теплоносителями между испарителем холодильной машины и охлаждаемой средой.
Для охлаждения до – 40 0С и ниже используют сжиженные газы (СО2, этан, N2). Эти хладагенты циркулируют в специальных холодильных установках, где теплота от охлаждаемой среды отнимается при их испарении.
Теплообменные аппараты
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому, менее нагретому.
В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость-жидкость и пар-жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 2000С.
При конструировании теплообменников следует решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше.
Классификация теплообменников
Аппараты с рубашкой. Двойные стенки или рубашки широко используются для обогрева реакционных аппаратов, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя установить змеевики (например, в аппарате со скребковой мешалкой и др.). Схема устройства паровой рубашки показана на рис. 19.
Рис. 19.Схема устройства паровой рубашки. 1 – корпус аппарата; 2 - рубашки; 3-5 – штуцеры. |
По способу передачи тепла различают теплообменники смешения и поверхностные.
В поверхностных теплообменниках перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку.
В теплообменниках смешения тепло передаётся от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.
Поверхностные теплообменники очень распространены и их конструкции весьма разнообразны. Довольно просты в устройстве поверхностные змеевиковые теплообменники, которые бывают двух типов: погружного и оросительного. Основным теплообменным элементом является змеевик-труба, согнутая по определенному профилю.
На рис. 20, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (теплоноситель II), находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата 2, внутри змеевика, стакана (на рис. 13-8 не показан). В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Вследствие простоты устройства, низкой стоимости, доступности наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят достаточно широкое применение в промышленности. Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительной большую поверхность теплообмена (до 10-15 м2).
Оросительные теплообменники примеряют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 21) из размещенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2.
Рис. 20. Аппараты с погружными теплообменниками:
а - с одним спиральным змеевиком; б - с несколькими спиральными змеевиками; в -с прямыми трубами; 1 - погружные трубы; 2 - корпуса; I и II – теплоносители.
Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться.
Рис. 21. Оросительный холодильник:
1 - трубы; 2 - соединительные колена (калачи); 3 - желоб для распределения охлаждающей воды; 4 - корыто для сбора воды.
Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 22). Один теплоноситель I движется по внутренним трубам 1, другой II - по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соединительных патрубков 4. Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена.
Рис. 22. Теплообменники типа «труба в трубе»: 1 – внутренняя труба; 2 - внешняя труба; 3 – колено.
Кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Простейшей конструкцией аппаратов такого типа являются кожухотрубчатый теплообменник (рис. 22). В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.
Рис. 22. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой. |
Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой - в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха. Аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.
Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию. Упругая деформация при удлинении трубок может восприниматься приваренными к кожуху линзовыми компенсаторами (рис. 23). В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1.6-8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.
При большей разности температур может произойти изгиб и деформация труб, поэтому для компенсации температурных удлинений и свободного удлинения труб одну из трубных решеток не закрепляют наглухо или соединяют ее с кожухом при помощи сальникового уплотнения, с тем, что решетка могла свободно перемещаться. Аппараты, в которых одна из трубных решеток не прикреплена к кожуху и имеет свободное осевое перемещение, называют теплообменниками с «плавающей» головкой (рис. 24).
Рис. 23. Теплообменник с компенсаторами температурных удлинений. 1 – компенсатор; 2 – теплообменник. |
Рис. 24. Теплообменник с «плавающей» головкой. 1 – кожух; 2 - плавающая головка. |
В некоторых конструкциях устанавливаются трубки U-образной формы, оба конца которых развальцованы в одной трубной решетке (рис. 25). Компенсация температурных удлинений трубок в данном случае достигается тем, что каждая трубка может свободно удлиняться независимо от других.
Рис. 25. Теплообменник с U-образными трубками. 1 - U-образные трубки; 2 – кожух; 3 – трубная решетка; 4 – распределительная камера; 5 – перегородка. |
Тема 7: Массообменные процессы.
Цель:Датьопределение массообменных процессов, их движущей силы, массопередачи, массоотдачи, кратко охарактеризовать виды массообменных процессов, познакомить с правилом фаз. Представить в общем виде составление материального баланса любого массообменного процесса, вывести уравнения рабочей линии для верхней и нижней части любого массообменного процесса, дать определение движущей силы массообменных процессов и познакомить с графическим способом определения направления переноса вещества из фазы в фазу.
Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.
Движущей силой процесса массообмена является градиент концентраций распределяемого между фазами вещества: ∆с = с – ср, где с – фактическая концентрация вещества в данной фазе; ср – равновесная концентрация. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия.
Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей. Массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов). При этом граница соприкосновения – т. е. поверхность контакта фаз – может быть подвижной (система газ – жидкость, жидкость – жидкость) или неподвижной (газ – твёрдое, жидкость – твёрдое).
Перенос вещества внутри фазы – из фазы к границе раздела фаз или наоборот – от границы раздела в фазу – называют массоотдачей.
Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для очистки сточных вод и отходящих газов производственных процессов.
Движущая сила массопередачи
Перегонка жидкостей. Общие сведения
В химической технологии, нефтехимической и других отраслях промышленности используют широкое разнообразие жидких и газовых смесей, подлежащих разделению на достаточно чистые компоненты или фракции различного состава. Часто разделение таких смесей при контакте жидкой и паровой фаз, сопровождающееся перераспределением компонентов между фазами, достигается перегонкой.
Перегонка – это процесс, включающий испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров. Этот процесс можно осуществить однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.
В основе перегонки лежит различная летучесть составляющих смесь компонентов, т.е. разная склонность их к переходу из жидкой фазы в паровую или в обратном направлении. Пусть, например, в колбе находиться жидкая смесь метанола и воды с концентрацией метанола 40 %. Если эту смесь нагреть до кипения и подвести некоторое дополнительное количество теплоты, то образовавшаяся (в небольшом количестве) паровая фаза, находящаяся в контакте с оставшейся жидкой смесью, будет содержать ≈73 % метанола, т.е. обогатится метанолом.
Пусть теперь от парообразной смеси бензола и толуола, содержащей 40 % бензола и находящейся при температуре конденсации, отводится некоторое количество теплоты. Тогда образовавшийся (в небольшом количестве) конденсат, находящийся в контакте с оставшейся паровой фазой, будет содержать ≈19 % бензола, т.е. обогатится толуолом.
Разная склонность компонентов смесей к переходу в парообразное (либо жидкое) состояние обусловлена разницей их температур кипения. Так, температура кипения метанола 64,5 0С, а температура кипения воды 100 0С. Очевидно, что метанол будет проявлять большее стремление перейти из жидкой фазы в паровую.
Температура кипения бензола 80,2 0С, а температура кипения толуола 110,6 0С, значит толуол проявляет большее стремление перейти из паровой фазы в жидкую.
Различают два вида процессов перегонки: дистилляцию и ректификацию. Основное между ними различие состоит в следующем: дистилляция – процесс непротивоточный (процессы парообразования и конденсации разделены в пространстве и во времени), а ректификация – процесс принципиально противоточный.
В простейшем случае исходная смесь, подвергающаяся перегонке, является бинарной, т.е. состоит из двух компонентов (А и В). Пусть хА - мольная концентрация компонента А в жидкой фазе, а хВ - мольная концентрация компонента В в жидкой фазе; уА - мольная концентрация компонента А в паровой фазе, а уВ - мольная концентрация компонента В в паровой фазе. Тогда хА + хВ = 1, хА = 1 - хВ; уА + уВ = 1, уА = 1 - уВ.
Получаемый при испарении бинарной смеси пар обогащён, т.е. содержит большее количество легколетучего или низкокипящего (НК) компонента, чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, естественно, имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим (ВК) компонентом.
Неиспарившаяся жидкость называется кубовым остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров – дистиллятом или ректификатом.
Простая перегонка (дистилляция) – это процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Она применяется для разделения смесей, состоящих из сильно различающихся по температурам кипения компонентов. Обычно простую перегонку применяют для предварительного грубого разделения жидких смесей и для очистки смесей от нежелательных примесей.
Фазовое равновесие бинарных систем в процессах перегонки.
Типовая схема, потоки, терминология
Принципиальная схема процесса непрерывной ректификации бинарных смесей показана на рис. 34. Исходная смесь / подогревается в подогревателе 2 (предпочтительно до температуры кипения или близкой к ней) и через гребенку 3 (обеспечивающую возможность варьирования места подачи) подается в ректификационную колонну 1, внутри которой размещены контактные устройства (тарелки, насадка). Источником парового потока является кипятильник 4, источником жидкого потока — конденсатор 5. В схеме предусмотрены холодильники 6 и 7 продуктов, отбираемых сверху (поток II) и снизу (поток III), а также емкости исходной смеси и продуктов 8—10.
Рис. 34. Принципиальная схема непрерывнодействующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей: 1 — колонна, 2 — подогреватель исходной смеси. 3 — гребенка, 4 — кипятильник, 5 — конденсатор, 6, 7 — холодильники, 8— 10 — сборники; I — исходная смесь, II — дистиллят, III — кубовая жидкость, IV — пар, V — флегма, VI — теплоноситель, VII — охлаждающий агент |
Принята следующая терминология основных потоков и узлов ректификационной установки:
— поток I — исходная смесь, расход её обозначается F, концентрация xF;
— поток II - дистиллят (или дистиллат), обозначается P, xP;
— поток III - кубовый остаток (или кубовая жидкость), обозначается W, xW;
—поток IV - восходящий паровой поток, обозначается G, yG;
—поток Ф - нисходящий жидкостной поток, именуемый флегма, обозначается Ф, хФ.
Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны, которое соответствует этому условию. Тарелку, находящуюся в сечении подачи исходной смеси в колонну 1, называют тарелкой питания. Положение тарелки питания специально рассчитывается.
Часть колонны, находящаяся выше тарелки питания (на выходе из нее получается "крепкий" НК), носит название концентрационной (укрепляющей) части колонны. Часть колонны, находящаяся ниже тарелки питания (в ней НК отгоняется из жидкости, исчерпывается), носит название отгонной (исчерпывающей) части колонны.
Конденсация пара в конденсаторе, отбор дистиллята и возврат флегмы в колонну осуществляют двумя способами, схематично изображенными на рис. 35. По первому способу (рис. 35, а) уходящий из колонны 1 пар полностью конденсируется в конденсаторе 2, откуда часть жидкости возвращается в колонну, а остаток выводится из системы в виде жидкого продукта. В данном случае составы всех трех потоков (пара, поступающего в конденсатор, флегмы и отводимого жидкого дистиллята) одинаковы.
Рис. 35. Схемы конденсации уходящего из колонны пара и возврата в нее части образовавшейся жидкости: а — полная конденсация пара в конденсаторе, б - частичная конденсация пара в дефлегматоре; 1 — колонна, 2 — конденсатор, 3 — дефлегматор, 4 — гидрозатвор; I— исходная смесь, II— дистиллят, III — кубовая жидкость |
По второму способу (рис. 35, б) уходящий из колонны 1 пар лишь частично конденсируется в конденсаторе 3, и вся образующаяся жидкость возвращается в колонну 1. Дистиллят же отводится в виде пара и при необходимости полностью конденсируется в дополнительном конденсаторе 2. В этом случае парциальный конденсатор 3 часто называют дефлегматором, а сам процесс выделения флегмы из пара — дефлегмацией. Здесь отводимый из системы продукт богаче НК, чем выходящий из колонны пар и тем более — возвращаемая в колонну жидкость.
Материальный баланс ректификационной колонны
Согласно схеме установки ректификации непрерывного действия (рис. 34 ), в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой хF моль. долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята Р кмоль, его состав хР моль. долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф моль, причём её состав равен составу дистиллята (хФ = хР моль. долей). Снизу из колонны удаляется W кмоль остатка состава xW моль. долей НК.
Тогда уравнение материального баланса колонны будет:
F + Ф = G + W (10.1)
Поскольку G = P + Ф, то F = P + W
Соответственно материальный баланс по НК:
F·xF = P·xP + W·xW (10.2)
Уравнения рабочих линий
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 750 с.
2. Дытнерский Ю.И.. Процессы и аппараты химической технологии, ч. 1 и 2.- М.: Химия, 2002. 798 с.
3. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Кн.1 и 2. Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Высшая школа. 2003. 757 с.
4. Соколов Р.С. Химическая технология, т. 1. М.: Владос, 2003. 367 с.
5. Соколов Р.С. Практические работы по химической технологии. М.: Владос, 2004. 297 с.
6. Виноградов С.Н., Таранцев К.В., Виноградов О.С. Выбор и расчет теплообменников. Пенза. 2001. 100 с.
7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия. 1987. 576 с.
8. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. М.: Химия, 1981. 352 с.
9. Скобло А.И., Трегубова И.А. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1682. 584 с.
– Конец работы –
Используемые теги: Химическая, Технология0.049
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Химическая технология
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов