М.С. Грановский, С.Л. Левченко - Расчет коэффициента массопереноса и высоты ректификационной колонны (1160031)
Текст из файла
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: "РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА МАССОПЕРЕНОСА ИВЫСОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ"ВВЕДЕНИЕВ технологических процессах химического преобразования исходных веществ вцелевые продукты часто возникает задача отделения их друг от друга. Одним изосновных процессов, служащих для разделения веществ, составляющих однороднуюжидкую фазу, является перегонка (дистилляция или ректификация). В случае, когдажидкая фаза содержит нелетучий компонент, наиболее простой способ получениякомпонентов раствора в чистом виде представляет собой удаление жидкой фазы путемвыпаривания В том случае, когда однородная жидкость состоит из летучихкомпонентов, их разделение основано на том, что равновесные составы пара ижидкости отличаются между собой: в паре концентрация легколетучего,низкокипящего компонента больше, чем в жидкости.1.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА РАВНОВЕСНЫХКОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ В ПАРЕ И ЖИДКОСТИРассмотрим идеальные жидкие смеси , которые характеризуются :а) неограниченной взаимной растворимостью компонентов;б) соотношения компонентов в жидкой и паровой фазах достаточно точноопределяются законами Рауля и Дальтона.Рис.1 Равновесие жидкость-пар в сосуде с подвижным поршнем и многокомпонентнымраствором.На рис. 1 показан сосуд с нагревателем, в котором на жидкость посредствомпоршня действует внешнее давление. Для простоты положим внешнее давление Pравным 1 атм. В случае, когда жидкость состоит из одного компонента, например, избензола, при нагревании сосуда поршень начнет перемещаться при достижениитемпературы кипения бензола Tб=800С, когда давление насыщенных паров бензоластанет равным внешнему давлению.
При добавлении к бензолу гептана, кипящего при1температуре Tг=980С, поршень начнет свое движение при промежуточной температуре800C< T<980C, значение которой зависит от соотношения обоих компонентов в жидкойфазе (чем больше гептана, тем будет наблюдаться более высокая температура кипенияраствора). На основании описанного опыта становится ясным, что в указанноминтервале температур газовую фазу составляют пары обоих компонентов.По закону Рауля в условиях равновесия пар-жидкость парциальное давлениепара каждого компонента пропорционально мольной доле этого компонента вжидкости.
Коэффициенты пропорциональности при этом равны давлению насыщенныхпаров компонентов. Тогда суммарное давление в сосуде P, которое складывается изпарциальных давлений бензола pб и гептана pг , в указанном выше интервалетемператур равноP = pб + pг = Xб⋅Pб(T) + (1-Xб)⋅⋅Pг(T),(1)где Xб, (1-Xб) - соответственно, мольные доли бензола и гептана в жидкости, Pб(T),Pг(T) - соответственно, давления насыщенных паров над чистыми компонентамибензолом и гептаном при данной температуре.По закону Дальтона в смеси идеальных газов величины парциальных давленийкомпонентов пропорциональны их мольным долям в паре, pб = P⋅⋅Yб , где Yб - мольнаядоля бензола в паре, илиPатм = Xб⋅Pб(T)/Yб .(2)Приравнивая (1) и (2), получим зависимость мольной доли бензола в паре от егосодержания в жидкой фазе:Yб=αα⋅Xб /(1+(αα-1)⋅⋅Xб),(3)где α= Pб(T)/ Pг(T) - относительная летучесть компонентов смеси, равная отношениюдавлений насыщенных паров чистых компонентов.ЗАДАНИЕ 1.На основании законов Рауля и Дальтона и эмпирических зависимостей давленийнасыщенных паров компонентов от температуры, построить для внешнего давления,равного 1 атм., зависимость температуры кипения раствора бензол-гептан отравновесных концентраций (мольных долей ) бензола в жидкости и в паре , а такжедиаграмму, определяющую соотношение равновесных концентраций бензола в этихфазах.Алгоритм построения графиков.В соответствии с выбранным внешним давлением P=1атм (760 мм рт.
ст.) находитсятемпературный интервал сосуществования жидкой и паровой фаз, 800C<T<980C, далеепо эмпирическим зависимостям давлений насыщенных паров от температуры длябензола и гептана (температура имеет размерность градус Цельсия, давление - ммртутного столба) [1]:2lgPб(T)=8.12506-1932.370/(288.707+T),(4)lgPг(T)=6.98900-1316.509/(222.001+T),(5)для каждого промежуточного значения температуры определяются Pб(T) и Pг(T), поформуле (1) рассчитывается Xб и по формуле (3) находится Yб. На основанииполученных данных на миллиметровке или на компьютере с указанием масштабнойсетки строятся графики, аналогичные приведенным на рис.2 и рис.3.Рис.2Диаграмма T-X-YЗависимость температурыкипения смеси бензол-гептанот состава равновесных фаз.Рис.3.Диаграмма X-Y.Зависимость мольной доли бензолав паре от его мольной доли в жидкостипри межфазном равновесии.Принципиальная возможность разделения рассматриваемой смеси может бытьоснована на проведении многократно повторяющихся циклов испарение-конденсация,сопровождаемых ступенчатым изменением концентрации и температуры кипенияраствора.
На рис. 2 тонкой линией показана идеальная двухступенчатая траекторияизменения концентрации бензола в жидкой фазе от Xб’ до Xб’’: по горизонтальнойлинии 1 происходит испарение раствора, сопровождающееся образованием пара сравновесной концентрацией Yб’, по вертикальной линии 2 происходит полнаяконденсация образовавшегося пара в жидкость с концентрацией бензола Xб= Yб’. и т.д.Техническое осуществление подобного процесса будет обладать существенныминедостатками: 1) выход чистого компонента значительно уступает его количеству висходной смеси; 2) аппаратурное оформление процесса приведет к необходимостииспользования громоздкой аппаратуры с большими потерями тепла в окружающуюсреду.Процесс разделения компонентов существенно интенсифицируют путемсоздания непрерывного контакта неравновесных пара и жидкости в ректификационныхколоннах.3ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫРис.4. Принципиальная схема ректификационной установкиНа рис.
4 показана принципиальная схема ректификационной установки.Противоток неравновесных по своему составу жидкой и газообразной фаз создаетсяпутем конденсации в дефлегматоре-холодильнике 2 и возврата в массообменную зонуколонны 1 регулятором потоков 4 части жидкости (флегмы), обогащеннойнизкокипящим (легколетучим) компонентом. Стекающая вниз жидкость контактирует споднимающимся вверх, неравновесным ей по составу паром, который образуется виспарителе (кубе) 3 из раствора, обогащенного высококипящим компонентом. Врезультате межфазного контакта в пар переходит низкокипящий , а в жидкостьвысококипящий компонент. Точка ввода исходной смеси в колонну выбирается такимобразом, чтобы концентрации исходной смеси и жидкой фазы в данной точкемассообменного пространства совпадали.Обычно задача расчета ректификационной колонны, разделяющей бинарнуюжидкую смесь, ставится следующим образом: для поступающего в колонну с заданнойвеличиной поперечного сечения S [м2] питающего потока F[моль/с] смеси сконцентрацией низкокипящего компонента (НК) XF [мольная доля] определить высотуректификационной колонны, обеспечивающую производительность по дистилляту P[моль/с] с концентрацией НК XP [мольная доля].
Поток кубового остатка W [моль/c] иконцентрация XW [мольная доля] однозначно определяются уравнениямиматериального баланса по всему веществу и по одному из компонентов:F= W+P,(6)F ⋅XF =P ⋅XP + W⋅⋅ XW .(7)4Для решения подобной задачи необходимо рассчитать скорость массопереноса,которая определяется фазовым равновесием и коэффициентом массопереноса,зависящем от конструктивных особенностей ректификационной колонны.Коэффициент массопереноса определяется путем обработки экспериментальныхданных, полученных на пилотных ректификационных установках.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МАССОПЕРЕНОСА ВРЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ, РАБОТАЮЩЕЙ В БЕЗОТБОРНОМ РЕЖИМЕ.Определять коэффициент массопереноса колонны имеет смысл в таком режиме,при котором отсутствует расход питающей смеси или F=0.
В соответствии суравнениями материального баланса ректификационной колонны (6) и (7) выполнениеэтого условия приведет к равенству нулю потоков дистиллята P=0 и кубового остаткаW=0. Такой режим работы колонны называется безотборным.В практических расчетах часто принимают, что в процессе перехода молекулкомпонентов из одной фазы в другую общее число молей в каждой из фаз не меняется,т.е. в паре и жидкости происходит эквимолярный обмен между низкокипящим(бензолом) и высококипящим (гептаном) компонентами. Вследствие этого допущениямольные потоки пара и жидкости вдоль продольной координаты аппарата, исключаяточку ввода исходной смеси в ректификационную колонну, считаются неизменными.Близкое к эквимолярному обмену поведение наблюдается, когда мольные теплотыиспарения (конденсации) разделяемых компонентов незначительно отличается друг отдруга.В условиях эквимолярного обмена компонентами, полной конденсации пара вхолодильнике-дефлегматоре 2 и возврате его назад в колонну без отбора дистиллята(безотборный режим работы ректификационной колонны (F=P=W=0.)) выполняютсяравенства:G⋅S= L⋅S= const,(8)YP = XP ,⋅(9)где G и L [моль/м2⋅с] - мольные потоки , соответственно, пара и жидкости черезединицу поперечного сечения колонны, S [м2]- площадь поперечного сечения колонны(величина постоянная), YP [мольная доля] - мольная доля НК в паре на выходе изколонны.Согласно закону сохранения массы уменьшение количества НК в жидкой фазеравно увеличению его в газе:G⋅⋅(YP - Y ) = L⋅⋅(XP - X),(10)где Y, X - соответственно, текущие мольные доли НК в паре и жидкости вдольпродольной координаты колонны.В безотборном режиме, учитывая (8) и (9), уравнение (10) дает равенствотекущих концентраций НК в жидкости и паре в любом поперечном сеченнии аппаратаи в кубе колонны.Y=X,(11)YW = XW ⋅(12)5Графическое изображение зависимости концентрации в паре НК Y от егоконцентрации в жидкости X вдоль оси перпендикулярной направлению массопереносаназывается рабочей линией процесса массопередачи.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
