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
Процеси простої перегонки є найстарішими процесами хімічної технології, вони з’явилися ще на початку раннього середньовіччя. Сучасні процеси перегонки широко використовуються в нафтохімічної промисловості, промисловості органічного синтезу, коксохімічної, лісохімічної, харчової промисловості.
Сутність процесів перегонки полягає у нагріванні рідини до температури кипіння з подальшим відведенням парів та їх конденсації. Принципова схема перегінної установки наведена на рис. 11.1 Рідина, що переганяють, заливають в апарат, який носить назву перегінний куб, або просто куб. Нагрів рідини до кипіння проводять шляхом подачі теплоносію (як правило водяного пару) в елемент для нагріву – змійовик, виконаний зі згорнутої труби. Внаслідок кипіння створюється пара рідини, яку спрямовують у холодильник, який містить систему металевих труб, що покрити металевим кожухом. У міжтрубний простір подається холодоагент, як правило, вода. За рахунок охолодження пара у трубному просторі конденсується і стікає у збірник дистиляту. По закінченні перегонки залишкова рідина (кубова рідина) віддаляється з апарата, як правило, через нижній спуск (на схемі не показано)
Процес, що зображено на рис. 11.1, за своєю організацією є періодичним : рідина завантажується у куб і нова порція подається після відгонки частини маси. Можлива інша організація процесу – неперервна перегонка (рис. 11.2). Вона відрізняється тим, що:
Тобто усі процеси відбуваються одночасно. Неперервна дистиляція використовується у багатотоннажних виробництвах (наприклад у нафтохімії, де обсяг виробництва – до 1 млн т/рік). Для виробництв невеликої потужності як правило використовують періодичну дистиляцію.
У багатьох випадках перегонку проводять під пониженим тиском (під вакуумом). Це дозволяє:
Розглянемо n-компонентний розчин, що містить у деякий момент часу t сумарну кількість молів m. При цьому:
Внаслідок встановлення рівноваги вміст кожного з компонентів парової фази залежить від складу рідкої фази, тобто:
уі = уі(х) (і = 1,2,…,n; x ={x1,x2,…,xn}Т); (11.1)
Розглянемо зміни, що відбулися у системі за малий проміжок часу t, протягом якого мала частина молів рідкої фази m 0 перейшла у парову фазу і далі – у дистилят:
а) нехай хі – приріст мольної частки і-го компоненту у рідкої фазі за проміжок часу t. Тоді:
- кількість молів в рідкої фазі залишиться: m - m;
- кількість молів і-го компоненту в рідкої фазі стане:
; (11.2)
- приріст кількості молів і-го компоненту у рідкої фазі стане:
; (11.3)
б) ця кількість і-го компоненту перейде у парову фазу і викличе зміну кількості молів цього компоненту у паровій фазі:
; (11.4)
в) із закону збереження матерії величини (11.3) й (11.4) повинні бути рівними, тобто:
; (11.5)
г) після розкриття дужок і скорочення складових з протилежними знаками отримаємо:
. (11.6)
У (11.6) добутком mхі нехтуємо, як складовою другого порядку малості у порівнянні з іншими;
д) після перетворень рівняння (11.6) приводимо до різницевого виду:
; (11.7)
е) переходячи до границі, коли скінченні різниці переходять у диференціали, отримаємо систему диференційних рівнянь для кожного з компонентів:
(і = 1,2,…,n) (11.8)
Початкові умови для кожного з компонентів: хі = хі0 при m=m0, тобто склад рідкої фази є відомим на початку процесу. Відмітимо, що склад парової фази розраховується, виходячи зі складу рідкої фази;
Системі (11.8) можна придати інший від, якщо врахувати, що dm/m = dln(m):
(і = 1,2,…,n). (11.9)
Рівняння (11.9) можна представити в інтегральній формі. Розділимо змінні:
. (11.10)
Інтегруємо рівняння (11.10) в межах віж від F (кількості молів живлення) до W (кількість молів кубової рідини), одержуємо:
(11.11)
Рівняння (11.8), (11.9) (11.11) описують зміну складу рідкої фази у процесі перегонки. Зміни складу дистиляту можна врахувати, якщо додати до (11.8) рівняння матеріального балансу по кожному компоненту. Рівняння (11.8) має особливу точку при m=0. Але для практики це не може мати значення, оскільки проводити відгонку «досуха» заборонено правилами техніки безпеки, і у перегінному кубі завжди залишається деяка кількість рідини.
В хімічної промисловості у деяких процесах проводять перегонку речовин разом з водяною парою Це використовують, наприклад, у разі, коли речовина не витримує нагріву до високих температур. Перегонку з водяною парою широко використовують для видалення з маси розчинників, що не змішуються або обмежено змішуються з водою.
До основі процесу покладено те, що для органічних речовин, що не змішуються з водою:
(11.16)
Якщо узяти до уваги рівняння Антуана для обох компонентів, то:
. (11.17)
З цього рівняння є такі наслідки:
а) поки в суміші е обидва компоненти, те вона кипить при постійної температурі і відганяється суміш постійного складу (тобто створюється азеотроп);
б) температура кипіння суміші є нижчою за найнижчу температуру кипіння одного з компонентів (органічної речовини або води). Тобто відгонка перебігає при температурі, нижчою за 100оС (температуру нормального кипіння води).
Технічно перегонку з парою проводять частіше за все в періодичному варіанті, подібно зображеному на рис. 11.1 В апарат, що нагрівається, подають додатково водяну пару з паропроводу через спеціальну трубу, що носить назву барботер. Дистилят, що містить воду і органічну речовину, спрямовують у ділильну лійку, де рідини відстояться і розділяються.
Основна задача моделювання – оцінити склад азеотропну і температуру кипіння за допомогою рівняння (11.11). Інколи для врахування неповноти створення рівноваги тиск органічної речовини умножають на емпіричний коефіцієнт 0,8-0,9, що враховує неповноту досягнення рівноважного стану.
Розглянемо наступну схему процесу (рис. 11.7). Дистиляції підлягає n – компонентна система, яка зі швидкістю F кмоль/год поступає в перегінний куб. при цьому створюється дистилят у кількості D кмоль/год, а з перегінного кубу виводиться кубова рідина у кількості W кмоль/год.1) За рахунок цього кількість кмоль рідини V у кубі підтримується постійною. Уводимо припущення, що за рахунок інтенсивного кипіння рідина в кубі ідеально перемішується, тобто склад суміші в кубі і на виході з нього є однаковим у кожний момент часу.
Нехай у деякий момент часу мольна частка свавільного і-го компоненту складає:
Розглянемо, що станеться з системою за деякий малий проміжок часу t0:
а) прибуття і-го компоненту в систему з живленням складе Fx0i(t)t;
б) витрата і-го компоненту з системи:
- з дистилятом: Dyit;
- з кубовою рідиною: Wxit;
в) накопичення кількості молів і-го компоненту в об’ємі апарата складе:
; (11.21)
г) будемо вважати, що в системі миттєво встановлюється рівновага між складом рідини і пару, тобто уі = уі(х). Поділимо обидві частини (11.15) на V:
; (11.22)
д) поділимо обидві частини на t і перейдемо до границі t 0:
. (11.23)
Оскільки рівняння (11.17) буде вірним для будь-якого компоненту системи, то тим самим ми отримали систему диференціальних рівнянь для усіх компонентів, що описує процес у загальному випадку. Початковими умовами є мольні частки компонентів в кубовій рідині в апараті на початку процесу, тобто:
хі=хі(0) при t = 0 (і = 1,2,…,n). (11.24)
Рівняння системи (11.23) мають такі особливості:
а) оскільки величина V є постійною, то у будь який момент часу:
W + D = F (11.25)
б) величини F і х01, …х0n є відомими. При цьому мольні частки х01, …х0n можуть бути відомою функцією від часу;
в) оскільки сума мольних часток дорівнює 1, то можна обмежитися розв’язанням системи з диференціальних рівнянь () для n-1 мольної частки;
г) система (11.17) є автономною. Якщо склад живлення не змінюється з часом, вона має стаціонарні рішення:
(11.26)
що не залежать від початкових умов.
Література
Угрозов В. В. Математическое моделирование процесса контактной мембранной дистилляции в проточном модуле / В. В. Угрозов // ТОХТ. – 1994. – Т. 28, № 4. – С.375-380.
Ладієва Л. Р. Математична модель процесу контактної мембранної дистиляції / Л. Р. Ладієва, О. А. Жулинський // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – 2004. – № 2 (14). – С.46-51.
Ладієва Л. Р. Математична модель динаміки процесу контактної мембранної дистиляції / Л. Р. Ладієва, О. А. Жулинський // Автоматизація виробничих процесів. – 2005. – № 1 (20). – С.19-21.
Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – М. : Энергия, 1973.
Дубік Р. М. Математична модель розділення неоднорідних рідких систем / Р. М. Дубік, Л. Р. Ладієва // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – 2009. – № 1 (23). – С.49-54.
1) Позначення призведені від англійських назв: F – feed (живлення), D - distillate (дистилят), W – wet (куб)