Поглощаемый газ называется абсорбатом (абсорбтив), а жидкость, в которой растворяется газ – абсорбентом. Газы, практически нерастворимые, называются инертными.
Требования:
1.Селективность
2.Высокая поглотительная способность
3.Химически и термически стойкие
4.Должен быть пассивным
5.Низкая летучесть паров
6.Безопасность в обращении
7.Маловязкие
8.Дешевые и доступные
9.Должен хорошо регенерироваться
Выбор производят в соответствии цели применения абсорбента(для улавливания ценных компонентов из газовых выбросов, для удаления вредных примесей из технологических газов, для разделения технологических газов и т.д.)
68. Перегонка и ректификация. Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).В широком смысле перегонка собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси. Если бы исходная смесь состояла из летучего или нелетучего компонента, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Посредством же перегонки разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т. е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние и количествах, пропорциональных их фугитивности. В простейшем случае исходная смесь является бинарной, т. е. состоит только из двух компонентов. Получаемый при ее перетопке пар содержит относительно большее количество легко летучего, или низкокипящего, компонента (НК), 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 компонентом (ВК). Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, – дистиллятом, или ректификатом. Степень обогащения паровой фазы НК при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая перегонка и ректификация. Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жилкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различны, т. е. отношение летучестей компонентов значительна. Обычно ее используют лишь для предварительного грубого разделение жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т. п. Значительно более полное разделение жидких смесей на компоненты достигается путем ректификации. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара в жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК, переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК. Ректификация начинала использоваться как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности.
69. Фазовое равновесие бинарные смесей. Если система состоит из двух компонентов (К = 2) и между ними не происходит химического взаимодействня, то при наличии жидкой и паровой фаз число фаз Ф = 2. Согласно правилу фаз, число степеней свободы такой системы составляет:
Следовательно, из трех независимых параметров, полностью определяющих состояние системы – температуры t давления р и концентрации одной из фаз с – можно произвольно выбрать любые два; при этом определится значение третьего параметра, которое уже не может быть произвольным. В связи с этим для физико-химической характеристики бинарных систем жидкость – пар удобно пользоваться так называемыми фазовыми диаграммами. Если обозначить через х состав жидкой фазы, а через у состав паровой фазы, то принимая t = соnst, можно построить график зависимости давления пара от состава жидкости (диаграмма р – х). Аналогично, полагая постоянным давление паров изображают на плоскости зависимость температур кипения жидкости и конденации паров от составов жидкой и паровой фаз (диаграмма t – х – у). Наконец, при t = соnst и р=const находят зависимость между равновесными составами фаз, которая изображается диаграммой равновесия (у — х). Вид этих зависимостей определяется взаимной растворимостью компонентов жидкой смеси и другими их свойствами, рассматриваемыми ниже. Идеальные смеси: идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона. Согласно закону Рауля, парциальное давление каждого компонента, например низкокипящего компонента А в паре пропорционально мольной доле этого компонента в жидкости При этом коэффициент пропорциоальности равен давлению насыщенного пара данного компонента при данной температуре. При смешивании компонентов идеального раствора тепловой эффект отсутствует и объем смеси практически не изменяется. Для бинарной смеси, состоящей из компонентов А и В, но закону Рауля:
Одновременно, согласно закону Дальтона – давление пара над раствором Р равно сумме парциальных давлений его компонентов.
Из уравнений, выражающих законы Рауля и Дальтона, видно, что при постоянной температуре парциальные давления компонентов, а также общее давление паров над смесью находятся в линейной зависимости от мольной доли хл низкокипящего компонента. Реальные смеси: реальные жидкие смеси с полной взаимной растворимостью компонентов не следуют закону Рауля. Отклонение от этого закона в каждой из фаз может быть положительным или отрицательным, причем последнее наблюдается реже. При положительном отклонении от закона Рауля разность давлений Р – Рид> 0, при отрицательном отклонении Р – Рид<0, где Р – общее давление над реальным раствором, а Рид – над идеальным раствором. Отклонения от закона Рауля связаны с изменением активности молекул в растворе, обусловленным химическим взаимодействие и между ними, диссоциацией и др. Степень отклонения свойств реального раствора от свойств идеального раствора определяется величиной коэффициента активности γ, равного отношению активности компонента раствора к его концентрации. В отличие от идеального раствора, для которого γА=γВ=1 парциальные давления компонентов А и В неидеальной бинарной смеси составляют:
,
Типичные диаграммы р – х, t – х – у и у – х для систем с максимумом температуры кипения показаны на рисунке а, с минимумом температуры кипения – на рисунке б. Как видно из рисунка максимуму общею давления пара соответстиует минимум температуры кипении смеси и наоборот. Точка М, в которой кривые составов фаз пересекают диагональ на диаграмме у – х, называется азеотропной точкой. Она указывает состав смеси, которая при данном давлении не может быть разделена перегонкой на составляющие ее компоненты. Состав азеотропных смесей зависит от температуры (давления). Эта зависимость характеризуется вторым законом Вревского: при повышении температуры азеотропной смеси, обладающей максимумом давления пара, в смеси увеличивается относительное содержание того компонента, парциальная мольная теплота испарения которого больше а для смеси с минимумом пара – содержание компонента, парциальная мольная теплота испарения которого меньше. Этот закон указывает принципиальную возможность разделения азеотропных смесей путем изменения давления при перегонке. С изменением давления азеотропная точка перемещается на равновесной кривой. При совладении этой точки с правым верхним углом квадранта диаграммы у – х в большинстве случаев удается разделить азеотропную смесь перегонкой.
70. Простая перегонка. Фрикционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе Образующиеся пары отводятвя и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом. Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшится. Вместе с тем изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК но 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 дли фракционной перегонки (рисунок 1) исходную смесь загружают в перегонный куб 1, снабженный змееви ком 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. Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени τ содержится L кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию х (по низкокипящему компоненту НК). Количество НК В жидкости в этот момент равно 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 у*, количество НК в паре будет равно dLу*. 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 количества жидкости в кубе от начального L=F до конечного L=W (где F – количество исходной смеси или питания, и W – количество остатка) и соответствующего падения ее концентрации от xF до xW. Средней состав (xDср) получаемого дистиллята рассчитывают из уравнения материального баланса по низкокипящему компоненту: Расчет простой перегонки обычно имеет целью определить количество жидкости, которое необходимо перегнать для того чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава. Простую перегонку проводят при атмосферном давлении или под вакуумом, присоединяя сборники дистиллята к источнику вакуума. Применение вакуума дает возможность разделить термически малостойкие смеси и, вследствие понижения температуры кипения раствора, использовать для обогрева куба пар более низких параметров.
71. Ректификация. Материальный баланс процесса.
Ректификация - это процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t – x – y – диаграммы.
Нагревая исходную смесь состава х1 до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар. Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК(низкокипящий компонент) (х2 > х1). Нагревая эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар, конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК. Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х3, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость, состоящую почти целиком из ВК(высококипящий).
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.При взаимодействии фаз между ними происходит массо - и теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается НК, а жидкость – ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Материальный баланс ректификационной колонны. Согласно схеме, в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой Х мольных долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята Р кмоль, его состав Х мольных долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, её состав равен составу дистиллята. Снизу удаляется W кмоль остатка состава Х мольных долей НК. Тогда уравнение материального баланса колонны будет иметь вид: F+Ф=G+W,
Поскольку: G=P+Ф , то F=P+W Соответственно материальный баланс по низкокипящему компоненту F·XF = P·XP+W·XW
72. Рабочие линии ректификационной колонны и их построение.
Зависимость является уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны.
Х – текущая концентрация в жидкой фазе распределяемого компонента; R=Ф/P – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята; XP-содержание низкокипящего компонента в дистилляте. В этом уравнении – тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а – отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат диаграммы x-y рис.
Исчерпывающая часть колонны.
Зависимость представляет собой уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении (R+f)/(R+1)=tg α =A – тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а (1-f)/(R+1)=B – отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс.
Умножив числитель и знаменатель выражений для А и B (для укрепляющей части колонны) на количество дистиллята Р, можно заменить, что они представляют собой отношение количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.
Рисунок – Построение рабочих линий ректификационной колонны на y – х – диаграмме.
73. Флегмовое число. Определение его минимального и оптимального значения.
Отношение количества кмолей флегмы Ф, приходящихся на 1 кмоль отбираемого дистиллята Р, называют флегмовым числом R (т.е. R=Ф/Р). Понятие о флегмовом числе введено для удобства анализа и расчета процесса ректификации.
Практически флегмовое число не бывает задано, и при расчетах ректификационных колонн надо правильно это число подобрать. Между флегмовым числом и числом ступеней изменения концентраций существует определенная зависимость.
Минимальное значение флегмового числа графически определяется так: из точки а (на диагонали диаграммы), имеющей абсциссу , проводят прямую через точку пересечение линии с кривой равновесия, до пересечения с ординатой в точке . Подставляя полученное (по масштабу) значение отрезка в уравнение
, получают минимальное значение флегмового числа
Минимальное значение флегмового числа можно найти и аналитически. Из диаграммы следует, что откуда
Если бы линии рабочих концентраций пересекались в точке на диагонали диаграммы, т.е. если бы направление линий рабочих концентраций совпадало с диагональю диаграммы, то отрезок на оси ординат В=0 и по уравнению флегмовое число должно бы быть бесконечно большим. При этом число ступеней изменение концентраций было бы минимальным. Практически такой случай может иметь место при работе ректификационной колонны без отбора дистиллята, т.е. количество пара, протекающего снизу вверх по колонне = флегмовому числу.
На практике линии рабочих концентраций должны пересекаться на диаграмме в точке , лежащей по линии ниже кривой равновесия и выше диагонали, и действительное флегмовое число должно быть больше минимального. В зависимости от условий ректификации и свойств разделяемой смеси ректификационные колонны работают при флегмовом числе (рабочее(действительное) число флегмы) где . При расчетах ректификационных колонн рабочее число флегмы часто определяется по формуле .Характер зависимости между флегмовым числом и числом ступеней изменения концентрации колонны показан на рисунке
Действительное флегмовое число определяют, строя такую зависимость для заданных условий перегонки. Из графика видно, что, начиная с некоторой величины , дальнейшее уменьшение флегмового числа проводит к резкому увеличению числа ступеней изменения концентрации. Поэтому на кривой выбирают точку М, лежащую в непосредственной близости от участка, соответствующего указанному выше возрастанию числа ступеней изменения концентрации.
Во всех случаях при выборе флегмового числа необходимо учесть, что с увеличением флегмового числа число изменения концентрации, а следовательно, и высота колонны уменьшается, но при этом пропорционально возрастает расход тепла на ректификацию, и, наоборот, с уменьшением флегмового числа расход тепла соответственно уменьшается, но при этом колонна должна иметь большее число ступеней изменения концентрации или большую высоту.
74. Тепловые расчеты ректификационной установки.
Простая перегонка. На нагрев жидкости в кубе расходуется тепла
На кипячение расходуется тепла
Всего расходуется греющего пара при простой перегонки
Поверхность нагрева куба определяется обычно для периода кипячения по общему уравнению теплопередачи.
Уравнение теплового баланса холодильника-кондестора
Откуда находим расход охлаждения воды
Так же как и при простой перегонке, в процессе ректификации тепло расходуется на подогрев начальной смеси до ее температуры кипения и на кипячение смеси в кубе колонны.
Определяя расход тепла на парообразование в кубе колонны, необходимо учесть наличие флегмы кгс, причем в случае периодической ректификации следует брать среднее значение флегмового числа и среднее значение температуры паров, поднимающихся с верхней тарелки колонны
В данном случае тепловой баланс будет складываться из следующих элементов:
Уравнение теплового баланса ректификационной колонны можно написать в следующем виде:
Расход тепла па кипячение смеси в кубе колонны:
Расход греющего пара на нагревание смеси и на кипячение:
Уравнение теплового баланса дефлегматора имеет следующий вид:
Расход охлаждающей воды в дефлегматоре:
Уравнение теплового баланса холодильника-конденсатора имеет такой вид:
Расход воды в холодильнике-конденсаторе:
Уравнения тепловых балансов дефлегматора и холодильника-конденсатора составлены для случая, когда в дефлегматоре происходит только частичная конденсация, т. е. когда пары дистиллята конденсируются в холодильнике-конденсаторе. В случае полной конденсации паров в дефлегматоре необходимо внести соответствующие поправки.