Lektsii_Lavrova_NOK (1) (Все лекции ), страница 15

У-х диаграмма для низкокипящего компонента.С ростом давления зависимость y(x) приближается к прямой y = x.181Точка (x=0,y=0) будет соответствовать чистому высококипящему компоненту;(x=1,y=1) – чистому низкокипящему компоненту.Поскольку движущая сила процесса ~( − ), то:Графически (y - x) равен вертикальному отрезку между зависимостью и y = x, поэтомучем дальше зависимость от y = x, т.е.

давление процесса меньше, тем более эффективноразделить данную смесь.При больших давлениях для разделения требуется либо больше времени процесса, либобольшая поверхность массообмена.При расчете тройной смеси (N2 - О2 – Ar) можно использовать диаграммы бинарной смеси(N2- О2), и для получения более точных оценок необходимо использовать либо диаграммутройной смеси или при использовании бинарной смеси занижать коэффициентэффективности процесса разделения.Диаграмма ( − − )1 < 2 < 3 < 4 < 5Рисунок 180.

У-T диаграмма.С помощью данной диаграммы можно, зная 2 параметра из 4, определить два остальных.Рисунок 181.Определение состояния по у-T диаграмма.Диаграмма ( − )182Рисунок 182. i-x диаграмма.Зависимость от p: с ростом давления линии кипения и конденсации смещаются вверх.С помощью этой диаграммы можно рассмотреть процесс дросселирования.При дросселировании жидкой смеси, находящейся в состоянии насыщения получаетсяпарожидкостная смесь с уменьшением низкокипящего компонента в жидкой фазе иувеличением низкокипящего компонента в паровой фазе.Чем больше величина концентрации низкокипящего компонента, тем труднее егоразделить, в том числе и с помощью дросселирования, поскольку изотермы в h-xдиаграмме идут более круто в двухфазной области при больших значениях x.Изображение смешений смесевых поток на h-x диаграммеРисунок 183. Смешение на i-x диаграмме.Смешиваем два потока или два вещества, которые характеризуются точками 1 и 2.моль1 , 2 – количество первого и второго вещества, [моль]; 1 , 2 - [моль]Используем законы сохранения масс и энергии:1 1 + 2 2 = (1 + 2 )см ;1831 (1 − см ) = 2 (см − 2 );1 см − 21 1 + 2 2==> см =2 1 − см1 + 2В результате точка смешения лежит на прямой, проходящей через точки,характеризующих параметры смешивающихся веществ на диаграмме, причем положениеточки смешения определяется соотношениями между массами смешиваемых веществ.Из закона сохранения энергии имеем:1 ℎ1 + 2 ℎ2 = (1 + 2 )ℎсм ;1 ℎсм − ℎ2ℎ1 1 + ℎ2 2==> ℎсм =;2 ℎ1 − ℎсм1 + 2В результате смешения жидкости и влажного пара – также получаем влажный пар сбольшим количеством жидкости.

Проведя через точку смешения изотерму, можноопределить концентрации низкокипящего компонента в жидкой и паровой фазах.Испарение бинарного раствора.Может проводиться без отбора получившегося пара или с непрерывным отбором пара.1) Без отбораРисунок 184. Испарение бинарного раствора.m – количество жидкости;V – количество пара;x0 – начальная концентрация низкокипящего компонента в жидкой фазе.В процессе испарения количество жидкости уменьшается, количество пара возрастает.Поскольку пар не отводится, то общее кол-во пара и жидкости остается постоянным.Зависимость количества жидкости от концентрации (мольной доли) определяется изуравнения материального баланса по низкокипящему компоненту в начале и в концепроцесса.

+ = 0 − ; + = 0 0 ;184 = 0 − ; (0 − ) + = 0 0 ; ( − ) = 0 0 − 0 ; 0 − =0 − Рассмотрим изменения концентраций низкокипящего компонента.Рисунок 185. Испарение бинарного раствора.1) В начальный момент кипения имеем максимальное кол-во низкокип.комп.в паре;2) 1 , Н ;3) С течением времени при кипении концентрация низкокипящего компонента впаровой и жидкостной фазах уменьшается.В конечной точке, когда последняя капля превращается в пар, имеем наинизшуюконцентрацию низкокипящего компонента в последних каплях жидкости.Например, для воздуха, как бинарная смесь:Н = 0,791;Н = 0,937; = 0,48;атм = 1 атм;=> получать чистые продукты без отвода пара невозможно, поскольку концентрациинизкокипящего компонента в начале процесса в жидкостной фазе равна концентрациив конце процесса в паровой фазе.1852) С отводом пара.Рисунок 186.

Испарение бинарного раствора с отводом пара.В исходном состоянии жидкость имела массу М0, и х0 – начальная концентрациянизкокипящего компонента. В результате через ∆ ушло в пар dM, масса стала М,концентрация х.Запишем уравнение закона сохранения массы для процесса испарения понизкокипящему компоненту. − ушло в пар низкокипящего компонента;() – из жидкости ушло низкокипящего компонента. = ( );=> ==(); + =+;− = или=−Считаем процесс испарения равновесным, т.е. для данной температуры и давленияконцентрация низкокипящего компонента в паровой фазе равна равновеснойконцентрации, которая зависит от концентрации низкокипящего компонента вжидкости.= ( ) − Поскольку () имеет существенно нелинейный характер, то решить данноедифференциальное уравнение можно только численными методами∫= ∫; ( ) − 00186= ∫;0 ( ) − 0 = 0 exp ( ∫0) ( ) − (∗)Рассмотрим данный процесс испарения в координатах (Т-х).При использовании этого метода испарения жидкости выводитсянизкокипящий компонент и она обогащается высококипящим.

Такимобразом осуществляя кипение с непрерывным отводом пара можно получитьсколь угодно чистую жидкость, состоящую преимущественно извысококипящего компонента.Рисунок 187. Испарение бинарного раствора с отводом пара.Для определения количества оставшейся жидкости в зависимости отконцентрации низкокипящего компонента в жидкости традиционноиспользуют графическое численное решение на диаграмме (y-x) :187∫= ∫ ()()−0 0() =1 ()−Рисунок 188. Определение количества оставшейся жидкости по y-x диаграмме.Рисунок 189.

Определение количества оставшейся жидкости по y-x диаграмме.188∫ ~ ""0В результате получаем жидкость, обогащенную высококипящимкомпонентом.) → при → 0 → 0()−0 → = 0 exp (∫Аналогичный, но обратный процесс будем иметь при конденсациибинарной смеси с непрерывным отводом жидкости . В этом случае пар стечением времени будет обогащаться низкокипящим компонентом.Рисунок 190. Конденсирование с отводом жидкости.189Ректификация бинарной смесиМожно представить как многократное чередование процессов испаренияи конденсации.Рисунок 191. Ректификационная колонна.Ректификационное устройство состоит из испарителя (образование пара,обогащенного низкокопящим компонентом), конденсатра (образованиежидкости – флегма, обогащенная высококкипящим компонентом) имассобменник (адиабатический аппарат ,в котором происходит обменкомпонентами флегмы и пара.Под ректификацией обычно понимают процесс тепломассообмена вадиабатных условиях при p=const на поверхности контакта междудвижущимися обычно в противоположном направлении неравновеснымпаром и жидкостью.Отношение массы движущейся жидкости к массе движущегося параназывается флегмовым отношением.Жидкость под действием силы тяжести опускается вниз , а парподнимается вверх.Обычно в ВРУ (колонну) подается флегма, обогащенная низкокипящимкомпонентом, а паровой поток, обогащенный высококипящим компонентом,т.е.

потоки неравновесные, благодаря чему и можно провести процессразделения газовой смеси. Обычно в колонне флегма имеет более низкуютемпературу, чем пар.Основной задачей расчета ректификационной колонны являетсяопределение площади поверхности контакта взаимодействующих фаз иливысоты колонны. Обычно в криогенной технике используются два типамассопередающей поверхности:1) непрерывная поверхность, которая обеспечивается различного виданасадками, как в регенераторах;1902)ступенчатая поверхность, т.е. по высоте колонны есть дискретныеступени, на которых проходят тепломассообменные процессы, такназываемые тарелки.Насадочные колонны обычно используются в установках малойпроизводительности, в которых использование тарелок в масштабахмалоэффективны либо в установках разделения газовой смеси.Тарельчатые-средняя и большая производительность.Классическая ситчатая тарелкаРисунок 191.

Элемент ректификационной колонны с тарельчатыми насадками.191Размер малых отверстий тарелки должен быть такой, чтобы парбарботировал через них, а жидкость не проваливалась.Рисунок 192. Тарелка ситчатая.На каждой тарелке есть две перегородки:1- гидравлический затвор для того, чтобы жидкость, проходящая поподающему стояку (стакану) не заливало полностью тарелку.2-для того, чтобы ограничить слив жидкости в сливовый стакан.Высота жидкости на тарелке может колебаться от 8 до 17 мм, причем,чем большеD тарелки, тем меньше высота перегородки и уровеньжидкости.Для колонн большего диаметра тарелки бывают с отверстиями внутри.Рисунок 192. Тарелка с внутренним отверстием.Внутренняя часть тарелки используется как конструктивный элемент:процесс тепломассопередачи проходит в кольце.192внешвнутр≅2,3Поскольку существует два типа колонн с непрерывной и ступенчатойповерхностью, то есть и два типа расчета.

Для непрерывной поверхноститепломассооббмена используют расчет, связанный с понятием числа единицпереноса (ЧЕП)Для ступенчатых аппаратов – расчет ведется по теоретическому числутарелок.Теоретическая тарелкаОбычно нумерацию тарелок проводят снизу вверх, то есть по движениюпаровой фазы колонны.Рисунок 193. Схема для расчёта теоретической тарелки. - концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе,покидающего n-ную тарелку; - концентрация низкокипящего компонента в жидкой фазе,попадающего наn-ную тарелку ( бинарная смесь)Основные допущения51) В пар в совершенстве перемешивается в любом горизонтальномсечении;2) Жидкость на тарелке идеально перемешивается.

Ее концентрацияравна концентрация стекающей с тарелки жидкости;3) Уходящий с тарелки пар равновесен в жидкости по тарелке, т.е.равновесен стекающей жидкости.193Коэффициент эффективности тарелки – отношение разностиконцентрации пара, уходящего x n-ной и (n-1) тарелки к разностиконцентрации равновесной и уходящего с (n-1) тарелки.= − −1 − −1Эффективность показывает, насколько несовершенен процесстепломассопередачи по реальной тарелки. В случае выполнения принятыхдопущений имеем теоретическую тарелку и в зависимости от концентрациинизкокипящего компонента в паре или в жидкости, вводимого иливыводимого из установки, получаем числа теоретических тарелок.Средний коэффициент находится в пределах 0,3-0,8.Его величина опрелеляется типом тарелки, размером тарелки, родомразделяемой смеси→действ =теортарелкиРисунок 194.