Однократное выпаривание и уравнение теплового баланса

Материальный баланс аппарата выражается уравнением:

, где G_н (кг/с) – массовый расход исходного раствора; G_к – расход упаренного раствора; W – расход вторичного пара.

, где х_н и х_к – начальная и конечная массовая концентрация компонента.

По уравнениям материального баланса обычно определяют G_к или W.

Уравнение теплового баланса составляется с учетом равенства прихода и расхода тепла в аппарате:

, где

С_н, С_к, T_н, T_к – теплоемкости и температуры исходного и упаренного растворов; D – расход первичного пара; с΄ и θ – теплоемкость и температура конденсата; Q_конц – тепловой эффект концентрирования раствора (может быть с (,+) ил (-)); Q_пот – потери тепла. Обычно Q_пот составляет 3-5% от тепловой нагрузки Q аппарата. Тепловая нагрузка Q равна количеству тепла подводимого в аппарат:

.

Практически расход первичного пара 1,1-1.2 кг/кг воды.

Дата добавления: 2015-01-19 ; просмотров: 3639 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Урок 112 (осн). Уравнение теплового балансаСкачать

Шпаргалка: Процесс выпаривания растворов

Видео:ЕГЭ физика. Уравнение теплового баланса (термодинамика)Скачать

1. Выпаривание, способы выпаривания, общие сведения

Выпаривание — процесс концентрирования раствора практически нелетучих веществ путем испарения жидкого летучего растворителя.

Процесс выпаривания применяют как для частичного удаления растворителя, так и для полного разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В последнем случае выпаривание сопровождается кристаллизацией.

Физическая сущность: превращение растворителя в пар при кипении раствора и удалении образующегося пара.

Источник тепловой энергии — любые теплоносители (насыщенный водяной паргреющий или первичный). ГП отдает тепло выпариваемому раствору через стенку («глухой» пар). Пар, образующийся при кипении выпариваемого раствора, называют вторичным.

В зависимости от свойств выпариваемого раствора и дальнейшего использования тепла вторичного пара выпаривание производят как при атмосферном давлении , так и при давлениях выше (избыточном ) или ниже атмосферного (вакуум ). Самый простой — выпаривание под атмосферным давлением, но при этом вторичный пар не используется, а удаляется в атмосферу. Вторичный пар, отбираемый на сторону вне целей выпаривания, называют экстра-паром.

Выпаривание под избыточным давлением позволяет использовать тепло вторичного пара, но обусловливает повышение температуры кипения раствора и, следовательно, требует применения греющего агента с более высокой температурой. Поэтому данный способ следует применять для выпаривания растворов не чувствительных к высоким температурам.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с двумя рассмотренными выше способами:

а) позволяет снизить температуру кипения раствора (выпаривание растворов, чувствительных к высоким температурам, а также высококипящих растворов);

б) при вакууме увеличивается разность температур между греющим агентом и кипящим раствором, что, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить поверхность теплообмена аппарата;

в) за счет понижения температуры кипения раствора при разрежении можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температуры и давления);

г) можно использовать в качестве греющего агента вторичный пар самой выпарной установки, что значительно снижает расход первичного греющего пара.

В химической технике выпаривание осуществляют либо в одном аппарате (однокорпусное выпаривание ), либо в нескольких последовательно соединенных между собой аппаратах (многокорпусное выпаривание ). Применяется также однокорпусное выпаривание с тепловым насосом.

Видео:Решение задач на уравнение теплового баланса. Физика 8 классСкачать

2. Однокорпусные выпарные установки, материальный и тепловой балансы

При однокорпусном выпаривании раствор выпаривается от исходной до конечной концентрации в одном и том же аппарате. Однокорпусное выпаривание применяют либо в небольших по масштабу производствах, либо при агрессивных растворах, требующих для изготовления аппарата дефицитных материалов, либо если экономия пара не имеет существенного значения.

Процесс выпаривания проводится периодически или непрерывно . В периодически действующих аппаратах загрузка исходного раствора, выпаривание его до необходимой более высокой концентрации и выгрузка упаренного раствора производятся последовательно. Опорожненный аппарат вновь наполняется исходным раствором и процесс повторяется. В аппаратах непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается на выпаривание в аппарат, а упаренный раствор также непрерывно отводится из него. Они более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери тепла на периодический нагрев самого аппарата. Периодическая выпарка целесообразна при выпаривании растворов с высокой температурной депрессией.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно объединить в три группы:

с естественной циркуляцией раствора;

с принудительной циркуляцией раствора (при выпаривании вязких растворов);

пленочные аппараты (для выпарки чистых некристаллизующихся растворов и растворов, чувствительных к высоким температурам).

Греющий пар для облегчения чистки поверхности нагрева от накипи (во всех конструкциях выпарных аппаратов) подается в межтрубное пространство греющей камеры 1. Конденсат отводится снизу камеры. Выпариваемый раствор, предварительно нагретый до температуры кипения в выносном теплообменнике, поступает в пространство над трубками 3 и опускается по циркуляционной трубе 4 вниз. Затем, поднимаясь

по греющим трубкам, раствор вскипает. Отделение вторичного пара от раствора происходит в сепарационной части аппарата 2. Для более полного отделения пара от брызг и капель предусмотренбрызгоотделитель (каплеотбойник) 5. Очищенный вторичный пар удаляется сверху сепаратора.

Вследствие разности плотности раствора в циркуляционной трубе ипарожидкостной эмульсии в греющих трубках раствор циркулирует по замкнутому контуру (естественная циркуляция). Возникновение достаточной разности плотностей при этом обусловлено тем, что на единицу объема раствора в трубке приходится большая поверхность, чем в циркуляционной трубе, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем раствора в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Значит, парообразование в греющих трубках должно протекать интенсивнее, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в циркуляционной трубе. Упаренный раствор удаляется из нижней части аппарата.

Материальный баланс: по всему веществу по абсолютно сухому веществу , находящемуся в растворе.

Тепловой баланс однокорпусного выпаривания.

Согласно схеме тепло в аппарат вносится:

Тепло из аппарата уносится:

с конденсатом греющего пара Q₅ =Dct_кон ;

при концентрировании раствора Q_к ;

с потерями в окружающую среду Q_к .

Уравнение теплового баланса принимает вид

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренного растворителя, частное уравнение теплового баланса смешения при постоянной температуре кипения t_к раствора (температура упаренного раствора равна t_к ) в аппарате можно записать:

где с′ — удельная теплоемкость растворителя при температуре кипения раствора, Дж/ (кг·К). Тогда:

Подставляя правую часть уравнения (2) в уравнение (1), получим

Величина Qп в выпарных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3-5% полезно используемого тепла. Если раствор поступает в аппарат предварительно нагретый до температуры кипения, т.е. tн=·tк, то, пренебрегая суммой Qк+ Qп, получим из уравнения (4)

Практически i г -ct кон ≈ i в +с′·t к , поэтому D≈W, т.е. теоретически на выпаривание 1 кг воды расходуется приблизительно 1 кг греющего пара. Практически, с учетом потерь тепла, удельный расход греющего пара составляет 1,1-1,2 кг/кг воды.

Видео:89 НЕ ЗНАЮТ этого в Физике: Что такое Количество Теплоты, Теплоемкость, Уравнение Теплового БалансаСкачать

3. Выпарные аппараты, конструкции, интенсификация процессов выпаривания

Триосн. Направления интенсификации:

1) интенсификация теплообмена — применение развитых поверхностей нагрева, напр. в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2-1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутр. кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок;

2) снижение накипеобразования — использование, напр., затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме р-ра, или антиадгезионных полимерных покрытий;

3) экономия энергозатрат — применение, напр., экстра-пара и конденсата для нагревания исходного р-ра либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.

Видео:Уравнение теплового балансаСкачать

4. Движущая сила выпаривания, температурные потери, схема передачи тепла в выпарных установках

Движущая сила процессов выпаривания — разность температур

Разность температур между греющим и вторичным паром в выпарном аппарате называют общей или располагаемой разностью температур. Общая разность температур Δt_общ в многокорпусной выпарной установке определяется разностью между температурой Т₁ греющего пара в первом корпусе и температурой Т_к вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, т.е.

Полезная разность температур Δt_пол в выпарном аппарате меньше общей разности температур на величину температурных потерь:

где ∑Δ — сумма температурных потерь (потерь температурного напора). Для многокорпусной выпарки общая полезная разность температур равна общей (располагаемой) разности температур за вычетом суммы температурных потерь по всем корпусам установки

Температурные потери при выпаривании обусловлены следующими причинами:

температурной депрессией Δ′ — уменьшением упругости паров растворителя над раствором по сравнению с упругостью паров чистого растворителя — рассмотренной ранее;

гидростатической депрессией Δ′′ — повышением температуры кипения раствора вследствие гидростатического давления столба жидкости в греющих трубках аппарата;

гидравлической депрессией Δ′′′ — понижением давления вторичного пара за счет гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами многокорпусной выпарной установки.

Гидростатическая депрессия Δ′′ вызывается тем, что давление на жидкость в выпарном аппарате по высоте трубок неодинаково. Это обусловливает различную температуру кипения раствора по всей его высоте. Так, например, если нагревать воду в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100°С, а нижний же слой, находящийся под абсолютным давлением 0,2 МПа, — при температуре 120°С.

Полная депрессия в аппарате ΣΔ равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессии

где T′ — температура вторичного пара в выпарном аппарате, °С.

Видео:Урок 175. Уравнение теплового балансаСкачать

5. Прямо и противоточные выпарные установки, явление самоиспаренияи

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выспариваемого раствора.

В прямоточной установке, ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис 2), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях. Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара (третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй корпус, и т.д., причем из первого корпуса удаляется окончательно упаренный раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный пар из предыдущего корпуса используется для обогрева последующего. Из последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.

Видео:Урок 127 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса - 1Скачать

6. Материальный и тепловой балансы МВУ

Расход свежего (первичного) пара d₁ кг/сек, его энтальпия I_Г1 кдж/кг и температура θ₁ °C.

После первого корпуса отбирается Е₁ кг/сек и после второго корпуса Е₂ кг/сек экстра-пара. Соответственно расход вторичного пара из первого корпуса, направляемого в качестве греющего во второй корпус, составляет (W₁ -E₁ ) кг/сек и вторичного пара из второго корпуса, греющего третий корпус (W₁ -E₃ ) кг/сек, где W₁ и W₂ — количества воды, выпариваемой в первом и втором корпусах соответственно.

Уравнения тепловых балансов корпусов:

Видео:Урок 113 (осн). Задачи на уравнение теплового балансаСкачать

7. Общая полезная разность температур и распределение по корпусам

Складывая полезные разности температур отдельных корпусов, получим или:

б) Оценим распределение общей полезной разности температур при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов.

При минимальной суммарной теплопередающей поверхности в каждом отдельном корпусе поверхность теплообмена будет различной. Различие поверхностей корпусов удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Этот вариант рационален только при изготовлении выпарных аппаратов из дефицитных, дорогостоящих и коррозионностойких материалов.

Видео:Теплообмен. Уравнение теплового баланса 8-10 класс | Физика TutorOnlineСкачать

8. Общая характеристика массообменных процессов, массоотдача и массопередача (аналогия с теплопередачей)

В химической технологии широко распространены и имеют большое значение процессы массопередачи, которые характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. С помощью таких процессов можно разделить как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и т.п.). Причем наиболее часто процессы массопередачи используются для разделения гомогенных систем.

Перенос компонента, совершающийся в пределах фазы, и направленный либо из фазы к межфазной поверхности, либо от межфазной поверхности вглубь фазы, называется массоотдачей (по аналогии с теплоотдачей). А перенос компонента из данной фазы в смежную фазу называют массопередачей. При этом совершается перенос компонента через межфазную поверхность. Поэтому массопередачу можно рассматривать как состоящую в общем случае из следующих основных стадий: из двух стадий массоотдачи и находящейся между ними стадии передачи компонента через межфазную поверхность. В некоторых процессах одна из стадий массоотдачи может отсутствовать, например при кристаллизации.

Перенос компонентов в фазах осуществляется диффузией, поэтому промышленные массообменные процессы иногда называют диффузионными. Совокупность значений концентрации с какого-либо компонента во всех точках фазы называется полем концентрации этого компонента в данной фазе.

В промышленности используются, в основном, следующие процессы массопередачи.

Абсорбция — процесс разделения газовой или парогазовой смеси методом избирательного растворения ее компонентов в жидкости.

Адсорбция — процесс разделения газовой или парогазовой смеси или жидкого раствора методом избирательного поглощения твердым веществом. К этим процессам, называемым сорбционными, относится и десорбция, т.е. удаление поглощенных веществ из поглотителя.

Перегонка и ректификация — процессы разделения жидких смесей, основанные на различии в летучестях ее компонентов.

Экстракция — процесс разделения жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов жидкости в растворителе, который практически не смешивается с раствором или смешивается частично.

Сушка — процесс удаления влаги из твердых пористых материалов, основанный на переходе ее в паровую или парогазовую фазу.

Ионный обмен — избирательное извлечение ионов из растворов электролитов твердыми поглотителями.

Кристаллизация — процесс разделения раствора на растворитель и растворенное вещество за счет выделения растворенного вещества из его пересыщенного раствора или расплава.

Растворение — процесс перехода из твердой фазы в жидкую. Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием.

Мембранные процессы — избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки — мембраны.

Видео:ИЗИ Физика. Уравнение теплового баланса. Фазовые переходыСкачать

9. Движущая сила МОП, способы выражения сотавов фаз

Движущая сила МОП — градиент концентрации.

Составы жидкой и газовой фаз могут быть выражены в мольных или

массовых соотношениях. Наиболее распространены следующие способы выражения состава:

1. Объемная концентрация — количество компонента, содержащегося в единице объема фазы, кг/м3, кмоль/м3.

2. Мольные или массовые доли — количество компонента, отнесенное к количеству фазы (выраженные в мольных или массовых единицах).

3. Относительная концентрация — отношение количества компонента к количеству носителя, кг/кг, кмоль/кмоль.

4. Парциальные давления — выражение состава газовой фазы, кПа, МПа.

с — мольная объемная концентрация;

массовая объемная концентрация;

x, y — мольная доля;

X, Y — мольная относительная концентрация;

массовая относительная концентрация;

Видео:Урок 176. Задачи на уравнение теплового балансаСкачать

10. Статика МОП, фазовые диаграммы

Правило фаз Гиббса:Ф+C=K+2. Оно указывает число параметров, которое можно менять произвольно (в известных пределах) при расчете равновесия в процессах массообмена. Применим это правило к реальным процессам:

1) каждая из двух взаимодействующих фаз содержит, помимо распределяемого компонента, инертный компонент носитель (абсорбция, экстракция) С=К+2-Ф=3+2-2=3 — можно изменять 3 параметра: концентрацию, давление и температуру

2) в каждой из двух фаз компонент носитель отсутствует (ректификация) С=К+2-Ф=2+2-2=2 — можно менять 2 параметра. При постоянном давлении с изменением концентрации фазы должна меняться температура, при постоянной температуре — разным концентрациям будут соответствовать разные давления.

Фазовая диаграмма — зависимость между независимыми переменными изображенные в линейных координатах.

В расчётах по массопередаче используют зависимости давления от концентрации (при t=const), температуры от концентрации (P=const) и между равновесными концентрациями фаз:

а) P=const, t=const б) P=const

Видео:10 класс, 11 урок, Уравнение теплового баланса с учетом изменения агрегатного состояния веществаСкачать

11. Линия равновесия, уравнение линии равновесия, системы газ-жидкость, пар-жидкость

При равновесии достигается определенная зависимость между предельными (равновесными) концентрациями и концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осуществляется процесс массопередачи.

В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго определенная равновесная концентрация в другой фазе. И наоборот. В общем виде это представляет собой зависимость.

Эта зависимость в графическом виде называется линией равновесия, которая является либо прямой либо кривой.

а) система газ-жидкость, P=const, t=constб) система пар-жидкость P=const

Видео:Урок 128 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса - 2Скачать

12. Законы Дальтона, Генри, Рауля, идеальные и неидеальные системы

Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равно

Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной.

Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе, т.е.

(H-кф. Генри, — парциальное давление поглощаемого компонента в газе) Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления.

Для идеальных растворов на диаграмме р_А — х_А зависимость равновесных давлений от концентраций изображается прямой с угловым коэффициентом, равным константе Генри.

Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона:

где Р — общее давление газа. Тогда уравнение равновесия примет вид:

m_A является коэффициентом распределения или константой фазового равновесия.

Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов делятся, на идеальные и неидеальные. Неидеальные смеси можно подразделить на смеси с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона. Для бинарной смеси по закону Рауля.

В отличие от идеального раствора, для которого 1 = γ_A = γ_B , парциальные давления компонентов А и В неидеальной бинарной смеси составляют.

Для ряда смесей отклонения от закона Рауля настолько велики, что приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе подобные смеси имеют постоянную температуру кипения, которая может быть максимальной или минимальной. При этой температуре, согласно общему закону Коновалова, состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости (у=х). Такие смеси называются азеотропными, или нераздельно кипящими.

Видео:Тепловые явления - Урок 7 - Уравнение теплового балансаСкачать

13. Классификация массообменных аппаратов

В основу классификации массообменных аппаратов положен принцип образования межфазной поверхности:

1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта (насадочные и пленочные аппараты, а также аппараты (для сушки, с псевдоожижением), в которых осуществляется взаимодействие газа (жидкости) с твердой фазой);

2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; среди аппаратов этого типа наиб. распространены тарельчатые, для которых характерно дискретное взаимодействие фаз по высоте аппарата; (насадочные колонны, работающие в режиме эмульгирования фаз, и аппараты, в которых осуществляется М. в системе жидкость — жидкость (экстракция));

3) аппараты с внешним подводом энергии (аппараты с мешалками, пульсационные аппараты, вибрационные роторные аппараты и др.)

Видео:❗ Количество теплоты ❗ Уравнение теплового баланса + РЕШЕНИЕ задачСкачать

14. Материальный баланс МОП

Для текущей концентрации:

уравнение рабочей линии процесса

Видео:🔴 ЕГЭ-2022 по физике. Уравнение теплового балансаСкачать

15. Уравнение линий рабочих концентраций, рабочие линии, направление МОП

Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным. Зависимость между рабочими концентрациями в координатах х-у — рабочая линия процесса

Решая, получим:

Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного в фазу, в которое концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса вещества определяется по линии равновесия и рабочей линии.

Если рабочая линия ниже линии равновесия — из жидкой в паровую (Ректификация).

Если рабочая линия выше линии равновесия — из газовой в жидкую (Абсорбция).

Видео:Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. 8 класс.Скачать

16. Кинетика МОП, молекулярная и конвективная диффузия, градиент концентраций

Перенос вещества внутри фазы: молекулярная диффузия, либо молекулярная+конвективная.

Молекулярная диффузия-перенос распределяемого вещества, обусловленный тепловым движением. Описывается первым законом Фика:

Масса вещества, придифундировавшая за время dtчерез элементарную поверхность dt, пропорциональная градиенту концентрации этого вещества:

dM=-D dFdt (dc/dx) =-D dFdt grad c.

D-коэффициент молекулярной диффузии.

Конвективная диффузия-перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии.

МD (x) =-D dzdydt grad c

Аналогично по yи z

МD (x+dx) = — Ddzdydt

МК (x+dx) = [w_x C+] dzdydt

Суммируем по трем осям

dM=dTdVв результате решения:

-уравнение конвективной диффузии

Видео:Задача на Тепловой обмен. физика 8 классСкачать

17. Модели массопереноса

1. Общее сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из сопротивления двух фаз

2. На поверхности фазы находятся в равновесии, равновесие на границе фаз устанавливается быстрее изменения средней концентрации в ядре фазы.

Видео:Плавление и кристаллизация твердых тел, температура плавления, удельная теплота плавления. 8 класс.Скачать

18. Уравнение массопередачи, движущая сила

Видео:Вся теория по физике за 8 класс за 25 минутСкачать

19. Основы расчета массообменной аппаратуры, расчет диаметра и высоты массообменного аппарата

Расчет диаметра производится по уравнению расхода: Q=Sw₀ (Q-объемный расход фазы, w₀ -фиктивная скорость фазы). Для круглого аппарата: значит D=. Скорость определяется исходя из технико-экономических расчетов.

Высота массообменного аппарат определяется в зависимости от типа контакта фаз.

Высота аппаратов с непрерывным контактом . Высота определяется на основе уравнения массопередачи, выраженного через объемный коэффициент массопередачи. M=К_y αVΔy_ср . Рабочий объем аппаратеV=SH. H=M/ (К_y αSΔy_ср ) =h_{0 y} n_{0 y} .

Высота аппаратов со ступенчатым контактом. Для определения числа ступеней используют графические и аналитические методы. Рабочую высоту аппарата находят через число действительных ступеней, пользуясь зависимостью: H=n_д h (h-расстояние между ступенями).

20. Определение коэффициента массопередачи

Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений

При кривой линии равновесия mи коэффициенты Kизменяются по длине аппарата. В этом случае при расчете его обычно разбивают на участки, в пределах каждого из которых mпринимают постоянной величиной и используют среднее для всего аппарата значение K.

21. Определение движущей силы МОП, ЧЕП, ВЕП

Определение средней движущей силы процесса массопередаче

Число единиц переноса выражается интегралами (), которые могут быть решены аналитически и графически. Методом граф. интегрирования через площадь fи масштабов M₁ и M₂ : n_{0 y} =fM₁ M₂ .

Упрощенный граф. метод.

Высота единиц переноса.

ВЕП обратна пропорциональна объемному коэффициенту массопередачи.

22. Определение числа ступеней (теоретическая и действительная тарелки КПД — локальный тарелки, колонны)

Теоретическая тарелка — такая ступень или тарелка, которая соответствует некоторому участку аппарата, на котором жидкость полностью перемешиваются, а концентрации удаляющихся фаз являются равновесными.

Существуют графические и аналитические методы.

Метод кинетической кривой.

Делят их в отношении к-та извлечения E_y

Нt учитывается влияние перемешивание.

При E_y =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.

Определение числа теоретических тарелок.

Для перехода к числу действительных тарелок — КПД колоны n_д =n_т /КПД. КПД — учитывает реальную кинетику массообмена на действительных тарелках, на которых никогда не достигается равновесия.

КПД зависит от скорости движения фаз, перемешивания, направления движения, физ. свойств фаз.

КПД тарелки — отношение изменения концентрации данной фазы на тарелке к движущей силе на входе той же фазы в ступень.

23. Метод кинетической кривой

Делят их в отношении к-та извлечения E_y

Нt учитывается влияние перемешивание.

При E_y =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.

24. Абсорбция, общие сведения, типы абсорберов, насадки, требования к насадкам и абсорбентам, гидродинамические режимы работы абсорберов

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. В случае образования химического соединения между абсорбтивом и абсорбентом процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима, на чем основано выделение поглощенного компонента из абсорбента — десорбция.

Абсорбционные процессы широко распространенны в химической технологии, например: поглощение водой серного ангидрида, хлористого водорода и двуокиси азота с образованием соответствующих серной, соляной и азотной кислот; поглощение паров бензола в коксохимическом производстве, поглощение компонентов природного и попутного газов в нефтехимии и нефтепереработке и т.д.

По способу создания этой поверхности абсорберы условно делят на следующие группы:

1. Поверхностные и пленочные.

3. Барботажные (тарельчатые).

Требования к насадкам:

обладать большой поверхностью в единице объема (удельной поверхностью);

хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

оказывать малое гидравлическое сопротивление потоку газа;

равномерно распределять орошающую жидкость;

быть стойкой к химическому воздействию среды в колонне;

иметь малый насыпной вес;

обладать высокой механической прочностью;

быть достаточно дешевой.

пленочный — наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Заканчивается он в переходной точке А, которая называется точкой подвисания.

подвисание. В режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения и брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Это способствует увеличению интенсивности массообмена. Этот режим заканчивается в переходной точке В.

эмульгирование — возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки.

Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает, что характеризуется отрезком ВС

режим уноса — отвечает обратному движению жидкости, выносимой из аппарата потоком газа. Режим аварийный и на практике не используется.

25. Статика процесса абсорбции, влияние температуры и давления на процесс абсорбции

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, от общего давления, температуры и парциального давления распределяемого компонента.

Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равно

Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах.

Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе.

,

Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления.

Зависимость константы Генри от температуры выражается уравнением

,

где q — дифференциальная теплота растворения газа;

С — постоянная, зависящая от природы газа и абсорбента.

Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона,

Тогда уравнение равновесия примет вид

ma-коэффициент распределения или константа фазового равновесия.

26. Материальный баланс абсорбции, влияние удельного расхода абсорбента на размеры аппаратов

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого компонента в относительных единицах.

Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

Увеличение удельного расхода ведет к снижению высоты аппарата и увеличению его диаметра. Оптимальный удельный расход определяется технико-экономическим расчетом.

27. Скорость процесса абсорбции

Скорость процесса абсорбции характеризуется уравнением:

Мольные концентрации газовой фазы можно заменить парциальными давлениями газа в долях общего давления: М=К_Х FΔp_ср

28. Схемы абсорбционных установок

29. Перегонка жидкостей, общие сведения

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка. В широком смысле перегонка представляет процесс частичного испарения и последующей конденсации образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате получается жидкость, состав которой существенно отличается от исходной смеси.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.

В простейшем случае исходная смесь является бинарной, т.е. состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НКК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НКК. Неиспарившаяся жидкость имеет состав относительно более богатый труднолетучим или высококипящим компонентом (ВКК). Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, — дистиллятом или ректификатом.

Степень обогащения паровой фазы НКК при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличных вида перегонки:

а) простая перегонка, или дистилляция;

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для смесей, летучести компонентов которых существенно различаются. Обычно ее используют для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.д.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НКК, которым обогащаются пары, а из пара конденсируется преимущественно ВКК, переходящий в жидкость. Такой обмен компонентами, повторяющийся многократно, позволяет получить почти чистые НКК и ВКК. Пары после конденсации в отдельном конденсаторе разделяются на дистиллят и флегму — жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения остатка, являющегося почти чистым ВКК.

30. Классификация бинарных систем, фазовые диаграмма P=f (x); t-x,y; y-x, азеотропные смеси

Ограниченно растворимые друг в друге

3 и 5 — азеотропные, 3-5 – гомогенные

t-x,yдиаграмма — совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз. Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости. Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У * . Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации)

31. Простая перегонка, перегонка с дефлегмацией, материальный баланс

Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляется периодическим или непрерывным способом. Если процесс проводится периодически, то в ходе отгонки НКК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем изменяется и состав дистиллята, который обедняется НКК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной перегонкой.

Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени содержится L кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию по НКК х. Количество НКК в жидкости в этот момент равно Lx. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dτ испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе изменится на dx. При этом образуется dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию у* количество НКК в паре будет dLy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L-dL) кг, а его концентрация будет (x-dx). Тогда материальный баланс по НКК выразится уравнением Lx= (L-dL) (x-dx) +dLy* Раскрывая скобки и отбрасывая бесконечно малые высших порядков, после разделения переменных получим . Это дифференциальное уравнение можно проинтегрировать в пределах от начального количества L=F до конечного L=W и при изменении концентрации НКК в кубе от xF до xW. После интегрирования получим . Средний состав получаемого дистиллята рассчитывают по уравнению материального баланса по НКК:

, откуда .

Для повышения степени разделения смеси простую перегонку осуществляют, обогащая дополнительно дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно ВКК и получаемая жидкость, так называемая флегма, сливается в куб. Пары, обогащенные НКК, поступают в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборники 4. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка.

32. Ректификация, принцип ректификации

В основе разделения жидких смесей летучих компонентов ректификацией используется принцип последовательно повторяющихся процессов однократного испарения. В свою очередь разделение жидких смесей однократным испарением основано на различии в летучестях компонентов (давлениях насыщенных паров чистых компонентов, взятых при одной и той же температуре). Процесс однократного испарения и принцип ректификационного разделения достаточно наглядно иллюстрируется схемами:

Процесс разделения жидких смесей ректификацией представляет собой ряд последовательно соединенных между собой процессов однократного испарения. Жидкость, содержащая НК в количестве Х₁ , нагревается до температуры t_кип.1. Образуется насыщенный пар с равновесным содержанием НК У₁ * . Сконденсировав этот пар, получаем жидкость с содержанием НК Х₂ =У₁ * . Вновь нагреваем эту жидкость до соответствующей температуры кипения t_кип.2 . Образуется новый насыщенный пар с повышенным содержанием низкокипящего компонента, который вновь конденсируется и полученная жидкость вновь испаряется. В результате последовательно повторяющихся процессов однократного испарения пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость — высококипящим компонентом.

Как следует из вышеизложенного, для практической реализации идеи многократных последовательно протекающих процессов испарения и конденсации необходимо проведение процессов теплообмена: в первом случае необходим подвод теплоты для испарения жидкости, а во втором — отвод теплоты для конденсации пара.

Однокорпусное (однократное) выпаривание

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате
в непрерывном режиме (рис. 3.1). Схема массовых и тепловых потоков приведена на рис. 3.6.

, Hгк

к, Hк, xк

, Hвп

, xн, Hн

, Hг

Рис. 3.6. Схема массовых и тепловых потоков ВА

Материальный баланс по общему количеству продуктов

. (89)

Здесь — расход исходного и упаренного растворов, ; — выход вторичного пара, .

Материальный баланс по нелетучему продукту

, (90)

где x_н,, x_к — концентрация растворенного продукта в исходном и упаренном растворе на 1 кг продукта.

В этих уравнениях искомые величины:

(91)

По двум исходным уравнениям три величины найти невозможно, поэтому одной из величин, например, задаемся.

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса

. (92)

Здесь — расход греющего пара, ; — удельная энтальпия, ; — потери теплоты в окружающую среду, . Индексы н – начальное, к – конечное, вп – вторичный пар, п – потери, г — греющий пар, гк – конденсат греющего пара.

Вводя упрощающие допущения в уравнение (92), приведем его к виду более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения, рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренной влаги при постоянной температуре кипения, сделав допущение о постоянстве с_н в интервале температур Т_н и Т_к

, (93)

где с_в – удельная теплоемкость воды при температуре Т_к; – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до х_к. Теплота концентрирования равна теплоте разбавления с обратным знаком

. (94)

Здесь – количество теплоты, выделяющееся в выпарном аппарате при конденсации пара; — теплота на нагревание исходного сырья от до ; — теплота на испарение растворителя при . При небольшой степени концентрирования и хорошей изоляции выражение мало и им можно пренебречь. Если предположить, что T_н = T_к, т.е. раствор поступает в аппарат при температуре кипения, то

,

, (95)

где r_п — теплота парообразования растворителя; r_к — теплота конденсации греющего пара.

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то . Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается 1 кг греющего пара. Реально, ,
т.е. пара необходимо больше в 1,05-1,15 раз.

Лекция 6

Уравнение (94) используется для определения тепловой нагрузки. Потребная площадь теплопередачи определяется по основной расчетной формуле

.

Здесь искомая величина , а K — коэффициент теплопередачи определяется по известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур .

Температурные потери

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления греющего и вторичного паров, т.е. их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов

. (96)

Общая разность температур связана с полезной разностью температур соотношением

. (97)

Здесь D¢ — концентрационная температурная депрессия; D¢¢ — гидростатическая температурная депрессия.

D¢ определяют как разницу температур кипения раствора Т_{кип. р} и чистого растворителя Т_{кип. чр} при p = = const

Температура образующегося (при кипении раствора) вторичного пара ниже, чем температура кипения самого раствора, т.е. часть температур теряется бесполезно.

D¢¢ характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением гидростатического давления. Обычно по высоте кипятильных труб определяют среднее давление, и для этого давления определяют среднюю температуру кипения растворителя Т_ср.

Здесь p_a — давление в аппарате (в сепараторе); r_пж — плотность парожидкостной смеси; — паросодержание в кипятильных трубах; H — высота кипятильных труб.

где T_ср — температура кипения растворителя при p = p_ср; T_вп — температура вторичного пара при давлении p_а.