Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
К Г Э У |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» |
Кафедра
«Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения»
по учебной дисциплине "Тепло-массообменное оборудование предприятий"
(к учебному плану 200__г)
Занятие № 14. Основы процессов перегонки и ректификации
Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.
Обсуждена на заседании кафедры
протокол № _____
от "_____" ___________20087 г.
Казань - 2008 г.
Занятие № 14. Основы процессов перегонки и ректификации
Учебные цели:
Вид занятия: лекция
Время проведения: 2 часа
Место проведения: ауд. ________
Литература:
1. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 550 с.
Учебно-материальное обеспечение:
Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.
Структура лекции и расчет времени:
|
№ п/п |
Структура занятия |
Время, мин. |
|
1. 2. 3. |
Повторение пройденного материала на лекции №13 Учебные вопросы: 1. Общие сведения о перегонке и ректификации. 2. Физико-химические и термодинамические основы равновесия фаз жидкость-пар, фазовые диаграммы состояния смесей жидкостей. 3. Основы кинетики процессов массообмена. Заключение |
5 20 30 30 5 |
1. Общие сведения о перегонке и ректификации
Перегонка и ректификация широко распространены во многих от раслях промышленности и применяются для получения разнообразных продуктов в практически чистом виде путем разделения их жидких сме сей, а также для получения чистых газов из сжиженных газовых смесей (кислорода и азота, при разделении воздуха, углеводородных газов и т. д.).
Перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой исходной смеси и последующую конденсацию образу ющихся паров, осуществляемую однократно или многократно. Составы жидкой и паровой фаз, образующихся при этом, как правило, заметно различаются, но все компоненты исходной смеси оказываются представ ленными в обеих разделившихся фазах. Поэтому с помощью перегонки нельзя получить (выделить) требуемые компоненты исходного раствора в практически чистом виде.
Получение чистых компонентов может быть осуществлено с помо щью ректификации - процесса многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру и проводится обычно в колонных аппаратах.
Состав паров в процессах перегонки и ректификации определяется различной летучестью (фугитивностью) компонентов при одной и той же температуре. Исходя из этого различают низкокипящие - НК (легколету чие) и высококипящие - ВК (труднолетучие) компоненты. Низкокипящий компонент имеет наибольшее давление паров при данной температуре и наименьшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов давлении. Компонент, обладающий наименьшим дав лением или наивысшей температурой кипения, называется высококипящим компонентом. Не испарившаяся в результате перегонки или ректи фикации высококипящая жидкость называется остатком, а низкокипящая жидкость, полученная в результате конденсации паров - дистил лятом или ректификатом.
Как уже отмечалось, перегонку можно вести одно- и многократным способами. При однократной перегонке образовавшаяся паровая фаза остается в кон такте с исходной жидкой фазой до наступления полного равновесия в системе. Многократная перегонка состоит в последовательном повторе нии конечное число раз однократной перегонки. Параллельно происходит удаление из системы паровой фазы, которая образуется в каж дом однократном процессе.
Перегонка может осуществляться как непрерывно, так и периодиче ски. Основными условиями непрерывного процесса являются постоянст во во времени составов исходной смеси в подогревателе и образующих ся из нее равновесных фаз и неизменность расходов сырой смеси и продуктов перегонки.
Теория перегон ки и ректификации основывается на сочетании термодинамического учения о парожидкостном фазовом равновесии с законами сохранения вещества и энергии, используемыми в форме уравнений материальных и тепловых балансов.
Любые системы, между частями которых нет поверхности раздела, состоящие из двух или большего числа компонентов, называются рас творами. Состав раствора может непрерывно изменяться в определен ных пределах. Наиболее широко используемые способы представления состава растворов основаны на допущении аддитивности чисел молей, масс, а иногда и объемов компонентов растворов. Аддитивными назы вают те свойства системы (раствора), численные значения которых определяют суммированием значений соответствующих свойств компо нентов этой системы или рассчитывают по правилу смешения.
Перенос вещества между фазами обусловлен наличием разности концентрацией, компонентов, отсутствием равновесия в контактирую щих фазах. В результате контакта между ними и массообмена концен трация (состав) каждого компонента в обеих фазах изменяется и в конце концов наступает состояние равновесия. В состоянии равновесия обмен между фазами не прекращается, однако массовые скорости пере хода компонентов из одной фазы в другую выравниваются. Поэтому для физико-химической характеристики систему жидкость — пар удоб но пользоваться так называемыми фазовыми диаграммами и диаграм мами равновесия (см. ниже), в которых принято обозначать: х — со став жидкой фазы ну — состав паровой фазы по низкокипящему ком поненту.
В зависимости от взаимной растворимости компонентов для бинар ных смесей различают взаимно нерастворимые, частично растворимые и взаимно растворимые смеси.
Смеси взаимно нерастворимых жидкостей. Совершенно нераствори мых друг в друге жидкостей не существует. Но в некоторых случаях (например, смеси бензол — вода, сероуглерод — вода и др.) взаимная
растворимость жидкостей настолько мала, что практически их можно считать нерастворимыми. Нерастворимые жидкости можно разделять отстаиванием, т!к как в сосуде они расслаиваются, причем в верхнем слое находится жидкость с меньшей плотностью, в нижнем- — жидкость с большей плотностью. Для кипящей смеси взаимно нерастворимых компонентов применим закон Дальтона, согласно которому общее дав ление пара, над раствором равно сумме парциальных давлений его ком понентов, т. е. для бинарной смеси можно записать
Р=Ра+Рв, (1)
где р —-полное давление смеси паров (газов); рл и рв — парциальные давления паров компонентов А и В.
Особенностью разделения бинарных взаимно нерастворимых жидко стей при перегонке и ректификации является то, что при неизменном давлении паров смеси температура кипения : каждого компонента остается постоянной и не зависит от состава смеси. Когда один из компонентов выкипает полностью, темпера тура кипения жидкости скачком становится равной температуре кипения оставшегося компонента. Содержание летучего компо нента в паровой фазе при кипении смеси остается постоянным и также не зависит от соотношения их в жидкой фазе до того мо мента, пока один компонент не выкипит полностью. На рис. 7.3 представлена фазо вая диаграмма у, х, на которой зависимость содержания низкокипящего компонента в парах от содержания его в жидкости изо бражается кривой ecdbf. Пересечение ее с диагональю в точке d соответствует равновесному состоянию, когда содержание низкокипя щего компонента в парах и жидкой фазе одинаково. Точка d называется точкой азеотропной смеси, а жидкая смесь, соответствую щая этому состоянию, — азеотропной смесью. Температура кипения азеотропной смеси остается постоянной до полного выкипания всей смеси.
Азеотропные смеси характеризуются тем, что ни один компонент их не может быть выделен перетонкой в чистом виде, так как составы паров, и жидкой смеси одинаковы1. Если летучего компонента в перво начальной смеси больше, чем в азеотропной (точка п), то после пере гонки, когда из жидкости образуется смесь паров с составом азеотроп ной смеси (точка гь смещается вправо), остается жидкий остаток из низкокипящего компонента. Если же низкокипящего компонента в пер воначальной жидкой смеси меньше, чем в азеотропной (точка пг), то при перегонке она смещается влево и жидкий остаток представляет со бой высококипящий компонент.
Частично растворимыми называются системы из двух или несколь
ких жидкостей, взаимно растворяющихся в пределах некоторых интер
валов концентраций, зависящих от. температуры, а вне этих пределов
образующих два или более несмешивающихся слоя. Взаимная раство
римость компонентов системы является функцией температуры и может
увеличиваться для одних систем с повышением температуры, для дру
гих — с ее понижением. Наиболее распространены системы, в которых
наблюдается увеличение взаимной растворимости компонентов при по
вышении температуры.
Примером жидкостей, у которых при повышении темпера туры взаимная растворимость понижается, могут служить системы эфир — вода, триэтиламин — вода.
Смеси из взаимно растворимых жидкостей, т. е. таких жидкостей, которые растворимы друг в друге в любых соотношениях, разделяют на две группы: 1) смеси жидкостей, в которых силы сцепления между молекулами обоих компонентов такие же, что и между молекулами каждого из компонентов (идеальные смеси); 2) смеси с положитель ным или отрицательным отклонением сил сцепления между молекулами низкокипящего и высококипящего компонентов от сил сцепления между молекулами каждого из компонентов.
Идеальные смеси — такие системы, для которых выполняется закон Рауля, т. е. парциальное давление пара каждого компонента (рА, рв) над жидкой смесью при любой постоянной температуре равно произве дению молекулярной концентрации данного компонента в жидкой фазе (хА, хв) на давление его паров над чистой жидкостью (РА, Рв) при той же температуре. Для компонента А бинарной смеси закон Рауля имеет вид ,
Ра = РаХА. (2)
Если общее давление над смесью р, то для* состояния равновесия-согласно закону Дальтона можно написать
Уа=РаХа/Р- (3)
Важной характеристикой для определения равновесных соотношений в системах является относительная летучесть.
3. Основы кинетики процессов массообмена
В процессах массопередачи определяющую роль играет перенос вещества из одной, фазы в другую. Общим для них является то, что в них участвуют не менее двух фаз, причем, компонент (или компоненты) переходит из одной фазы в другую через границу раздела между фазами (межфазная по верхность). Этот переход часто сопровождается переносом компонентов
в противоположном направлении. Таким образом, в процессе массопередачи происходит перераспределение вещества между фазами (массообмен). Переход вещества из одной фазы в другую через границу раз дела называется массопередачей, а перенос вещества в объеме фазы к границе раздела или в противоположном направлении — массоотдачей.
Перенос вещества к границе раздела, фаз осуществляется молеку лярной и конвективной диффузией. Для неподвижного слоя (идеаль ного) процесс молекулярной диффузии определяется законом Фика: масса (количество) вещества dM, продиффундировавшего за единицу времени через элементарную поверхность dF (нормальную к направле нию диффузии), пропорциональна градиенту концентрации dC/dh этого вещества:
dM=-D(dC/dn)dF, (4)
где D — коэффициент диффузии.
Движущей силой процесса молекулярной диффузии является гради ент концентраций dCjdn.
Коэффициент массоотдачи — количество вещества, перешедшего че рез единицу поверхности в единицу времени при разности концентраций в ядре потока и на границе раздела фаз, равной единице. Коэффициент массоотдачи определяется гидродинамическими, физико-химическими факторами, а также геометрией и размерами системы.
При переходе компонента из одной фазы в другую скорость перехода пропорциональна площади поверхности соприкосновения фаз F, време ни т, а также разности концентраций веществ, которая является движу щей силой процесса массообмена.
В соответствии с направлением процессов массопереноса от одной фазы к другой введем следующие обозначения; kv — коэффициент мас сопередачи при условии, что компонент паровой фазы у переходит в жидкую; kx — коэффициент массопередачи в случае, когда компонент жидкой фазы х переходит в паровую; |р\, fV — коэффициенты массо отдачи со стороны жидкой и паровой фаз соответственно. Исходя из • принятых обозначений установим связь между коэффициентами массо передачи и массоотдачи. При этом примем, что на границе раздела фаз достигается равновесие. Допустим, что паровая фаза переходит в жид кую, поэтому движущая сила массопередачи будет определяться в кон центрациях паровой фазы.
Заключение
Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.
Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.
Задание для самостоятельного обучения:
Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. [420-450].
Кандидат технических наук,
доцент Е.Е.Костылева