Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену), страница 4

Пусть - давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; - давление абсорбента в растворе; - общее давление; - мольная доля абсорбируемого газа в растворе; - мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; - мольная доля абсорбента в газовой фазе; - мольная доля инертных газов в газовой фазе.

Согласно закону Рауля, парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе; таким образом:

По закону Дальтона парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно:

При равновесии

(12.9)

В этом случае для выражения равновесных и рабочих концентраций целесообразно пользоваться относительной мольной долей. Имея в виду:

найдём концентрацию поглощаемого газа в газовой фазе:

(12.10)

Выбранный способ выражения концентраций предполагает, что во всех последующих рассуждениях в качестве общего давления принимается:

1. Материальный баланс и кинетические закономерности абсорбции.

Материальный баланс процесса абсорбции выражается общим уравнением

,

где - поток газовой смеси в кмоль/ч инертного газа; - поток абсорбента в кмоль/ч абсорбента.

3. Принципиальные схемы абсорбции.

В химической технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

Прямоточная схема.

В этом случае потоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу; при этом газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию распределяемого вещества, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из аппарата с жидкостью, имеющей большую концентрацию распределяемого вещества.

Противоточная схема.

По этой схеме в одном конце аппарата приводятся в контакт газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределённого вещества, а в противоположном конце – меньшие.

Схемы с рециркуляцией.

Предусматривают многократный возврат в аппаратуру либо жидкости, либо газа. Газ проходит через аппарат снизу вверх, и концентрация распределяемого вещества в нём изменяется от до . Поглощаемая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества , затем смешивается с выходящей из аппарата жидкостью, в результате чего концентрация повышается до . Рабочая линия представляется на диаграмме отрезком прямой; крайние точки его имеют координаты , и , соответственно. Величину легко найти из уравнения материального баланса.

Обозначим отношение количества поглощающей жидкости на входе в аппарат к количеству свежей поглощающей жидкости через ; тогда:

и

(12.16)

Абсорбция с рециркуляцией газа.

Здесь материальные соотношения аналогичны предыдущим. Положение рабочей линии определяют точки и ; ордината находится из уравнения материального баланса:

(12.17)

одноступенчатые схемы с рециркуляцией могут быть как противоточными, так и прямоточными.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямой ток, противоток, рециркуляцию жидкости и рециркуляцию газа.

Противоточный процесс обеспечивает большую конечную концентрацию поглощаемого газа в абсорбенте, а вместе с этим и меньший расход абсорбента; движущая сила при противотоке меньше, поэтому при прочих равных условиях необходимы большие размеры аппарата. Указанное соотношение носит общий характер и его можно формулировать так: изменение рабочих концентраций, приводящее к уменьшению расхода абсорбента, требует увеличения габаритов аппарата, и наоборот.

Одноступенчатые схемы с рециркуляцией абсорбента или газа по сравнению со схемами без рециркуляции имеют следующую особенность. При одном и том же расходе свежего абсорбента количество жидкости, проходящей через аппарат, значительно больше; результатом этого являются повышение коэффициента массопередачи и некоторое уменьшение движущей силы. При определённом соотношении между диффузионными сопротивлениями в жидкой и газовой фазах это может привести к уменьшению габаритов аппарата.

Очевидно, что рециркуляция жидкости целесообразна в том случае, если основное сопротивление массопередаче составляет переход вещества от поверхности раздела фаз в жидкость, а рециркуляция газа – когда основным сопротивлением процесса является переход вещества из газовой фазы к поверхности раздела фаз. Рециркуляция жидкости всегда предпочтительна при необходимости сопровождать процесс абсорбции охлаждением, так как в этом случае включение холодильника в ветвь рециркулирующего абсорбента позволяет весьма легко отводить тепло от взаимодействующих веществ.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией обладают всеми преимуществами одноступенчатых схем и вместе с тем обеспечивают большую движущую силу процесса. По указанной причине в большинстве случаев выбирают вариант многоступенчатых рециркуляционных схем.

РЕКТИФИКАЦИЯ

Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Этот процесс имеет большое значение в химической технике. В качестве примеров достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторного топлива, на выделение индивидуальных газов из их смесей путём предварительного ожижения и последующей ректификации жидкой смеси.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости. Известные равновесные данные для конкретной смеси позволяют проанализировать возможность разделения этой смеси, найти предельные концентрации разделения и рассчитать движущую силу процесса.

4. Фазовое равновесие в системе жидкость - пар.

5. Принцип ректификации.

Сущность процесса ректификации можно охарактеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате двухступенчатого взаимодействия жидкости с парами.

Материальный баланс разделения:

Для всей смеси:

Для легколетучего компонента в смеси:

Флегмовое число – отношение количества возвращённого в колонну дистиллята (флегмы) к количеству отобранного дистиллята в виде продукта.

,

где - исходная смесь, - итоговая смесь.

Разделение смеси при ректификации возможно в результате взаимодействия потоков паров и жидкостей в ректификационном аппарате при кратности испарения и кратности конденсации .

или

Материальный баланс ректификации по летучему компоненту:

С уменьшением флегмового числа и, следовательно, затрат тепла на провеение процесса уменьшается движущая сила, и наоборот.

8. Тепловой баланс процесса ректификации.

,

где - тепло, поступающее в кипятильник ректификационного аппарата с греющим паром, в ккал/ч; - тепло, теряемое в окружающую среду, в ккал/ч; - теплоёмкости соответственно исходной смеси, дистиллята и остатка в ккал/(кг·град); - температура исходной смеси, дистиллята и остатка в °С; - теплота испарения дистиллята в ккал/кг.

Если нагревание в кипятильнике производится водяным паром расход его на проведение процесса составит:

,

где - энтальпия водяного пара в ккал/кг, - температура конденсата в °С.

Расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси.

РАЗДЕЛ 3

ЭКСТРАКЦИЯ

Экстракция – извлечение одного или нескольких растворённых веществ из одной жидкой фазы другой, практически не смешивающейся с первой.

Процесс широко используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Но главное, экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения жидких однородных смесей.

1. Равновесие в процессах экстракции.

Равновесие для некоторых систем «жидкость – распределяемое вещество – жидкость» следует так называемому закону распределения. Согласно этому закону отношение равновесных концентраций распределённого между двумя жидкими фазами вещества при постоянной температуре есть величина постоянная, она называется коэффициентом распределения.

Пусть распределяющими фазами являются и , а равновесными концентрациями будут , , … , тогда по закону распределения:

(14.1)