Характеристики двухфазных систем жидкость – пар

Если система состоит из К = 2 и имеются две фазы Ф = 2, то число степеней свободы:

Следовательно, из трех независимых переменных определяющих состояние системы t, р, с можно выбрать два, третья переменная уже не будет произвольной.

В связи с этим для физико – химической характеристики бинарных систем жидкость – пар удобно пользоваться фазовыми диаграммами.

Если t = const построить зависимость р – х.

Если р = const построить зависимость температур кипения жидкости и конденсации паров от составов жидкой и паровой фаз (t – х – y).

Если t = const, р = const можно найти зависимость между равновесными составами фаз (y – х).

Классификация бинарных смесей. В зависимости от взаимной растворимости компонентов различают: 1) жидкости с неограниченной взаимной растворимостью; 2) взаимно нерастворимые; 3) ограниченно растворимые друг в друге.

Жидкости с неограниченной взаимной растворимостью в свою очередь делятся на идеальные и неидеальные смеси.

Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона.

При смешивании компонентов идеального раствора тепловой эффект отсутствует и объем смеси практически не изменяется.

Закон Рауля:

где р_А – давление насыщенного пара низкокипящего компонента А.

где х_В – мольная доля компонента В.

Закон Дальтона:

При t = const парциальное давление компонентов, а также общее давление, находится в линейной зависимости от мольной доли низкокипящего компонента.

Построим изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления для идеальных растворов (р – х).

t = const прямые ОВ и СА изображают изменение парциальных давлений компонентов (р_А и р_В), а АВ – изменение общего давления над раствором. Вертикальные отрезки СВ и ОА – выражают давления насыщенных паров чистых компонентов (Р_А и Р_В).

Для ее определения строят по значениям давлений насыщенных паров чистых компонентов изотермы А₁В₁ и А₂В₂, которые выражают общее давление паров при t₁и t₂.

МN – горизонтальная прямая, соответствующая внешнему давлению и получаем точку D на пересечении АВ и MN. Смесь состава х_А кипит при температуре в точке D.

Для построения зависимости температур кипения и конденсации от состава фаз (t – х – y) на оси ординат откладывают температуры кипения t₁, t₂, t₃, соответствующие составам жидких смесей х₁, х₂, х₂ , отложенные на оси абсцисс. Через полученные точки и точки t_В и t_А, соответствующие температурам кипения чистых компонентов проводим линию кипения АА₁А₂А₃В.

Затем на оси абсцисс откладывают определенные по закону Рауля равновесные составы паров и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами t₁, t₂, t₃ . Соединив точки АВВ₁В₂В₃ получаем линию конденсации.

Диаграмма равновесия пар – жидкость (y – х)

На диаграмму наносится линия равновесия, выражающая зависимость между равновесными составами (по низкокипящему компоненту – НК), жидкой х и паровой у фаз.

С жидкостью, состоящей из чистого НК, находится в равновесии пар, содержащий 100% НК. Линия равновесия и диагональ квадрата ограничивают область взаимного существование двух фаз. Выпуклость линии равновесия зависит от отношения теплот испарения компонентов . При с увеличением давления кривая равновесия становится менее выпуклой.

Уравнение равновесия:

для идеального раствора:

где – относительная летучесть компонентов смеси, равная отношению давлений паров чистых компонентов при одинаковом внешнем давлении.

Взаимное положение кривых на фазовых диаграммах t – х – y определяется первым законом Коновалова: пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости повышается давление над ней или снижается ее температура кипения.

Закон Коновалова дополняется законом Вревского: при повышении температуры смеси испаряется преимущественно тот компонент, парциальная мольная температура испарения которого больше, что обуславливает относительно большее содержание этого компонента в паре (этот закон выражает общий принцип Ле – Шателье).

++++++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++++

Значения коэффициента сопротивления λ определяются по эмпирическим уравнениям:

при Re_г < 40

при Re_г > 40

где – критерий Рейнольдса для газа (ρ_г и μ_г плотность и вязкость газа).

Коэффициент смачиваемости – отношение удельной смоченной поверхности ко всей удельной поверхности:

Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа

в колонне

I – для сухой насадки; II – для орошаемой насадки; 1 – точка торможения; 2 – точка подвисания; 3 – точка инверсии; 4 – точка захлебывания; А – пленочный режим; В – промежуточный режим; С – турбуляционный режим; D – режим эмульгирования.

Гидродинамические режимы работы тарелок:

1. пузырьковый – поверхность контакта фаз на тарелке не велика;

2.пенный – поверхность контакта фаз максимальна. Разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя. Газо – жидкостная дисперсионная система – пена.

3. струйный (инжекционный) режим. Струя не разрушается и при выходе на поверхность барботажного слоя образует большое количество брызг – поверхность контакта резко уменьшается.

++++++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++++

Уравнения рабочих линий

Воспользуемся общим для всех массообменных процессов уравнением концентрации на верхнем конце колонны:

(1)

Применяя это уравнение к процессу ректификации, выразим все входящие в него величины в мольных единицах.

Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекающее по этой части колонны:

где – флегмовое число.

Количество паров, поднимающихся по колонне:

Для верхнего конца колонны: состав паров y_G = y_P. Допускаем у_Р = х_Р , следовательно у_Н = х_Р

В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, х_Ф = х_Р , т.е. х_К = х_Р . Подставив в уравнение (1) получим:

откуда

где – тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс;

– отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат.

Исчерпывающая часть. Обозначим количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята, через , то и количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны:

Количество пара, проходящего через нижнюю часть, равно количеству пара, поднимающегося по верхней части:

Для низа колонны , получим:

где – тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат;

– отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс.

Допущение о равенстве составов пара и жидкости на концах колонны. Построение рабочих линий у – х.

Расчет минимального флегмового числа:

R уменьшается – В увеличивается; R увеличивается – В уменьшается;

А = А^′ = 1; В = В^′ = 0; R = ∞.

R = ∞, Р = 0, расход греющего пара в кипятильнике наибольший; R_min рабочая линия пересекается с линией равновесия в точке пересечения движущая сила равна 0→ бесконечно большое число ступеней, бесконечно большая высота аппарата → расход греющего пара min.

С увеличением R высота аппарата уменьшается, а расход греющего пара возрастает.

Расчет действительного флегмового числа

С увеличением R возрастает движущая сила процесса и уменьшается необходимое число теоретических и, соответственно, действительных ступеней. В итоге, при некотором флегмовом числе рабочий объем колонны станет минимальным и, следовательно, будет минимальна стоимость.

1 – эксплуатационные расходы; 2 – капитальные затраты; 3 – общие затраты на ректификацию.

Скорость массопередачи

Закон Фика: количество вещества dM, продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества:

или

Удельный поток вещества или скорость молекулярной диффузии:

где D – коэффициент молекулярной диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равной единице.

D возрастает с увеличением температуры и понижением давления.

D – физическая константа и не зависит от гидродинамических условий.

Весовые и мольные доли

Пусть смесь, состоит из компонентов А, В, …К, …, N; весовые доли (или весовые проценты), которых в смеси и молекулярные веса равны М_А, М_В, …, М_К, …, М_N.

Число молей компонента К, приходящегося на 1 кг смеси, составляет . Соответственно содержание этого компонента в смеси (в мол. долях):

Массы отдельных компонентов, содержащихся в 1 кмоль смеси, составляют , а общая масса 1 кмоль смеси:

Соответственно весовая доля К–го компонента:

Объемная концентрация и весовые доли

Обозначим объемные концентрации компонентов в смеси через: с_А, с_В, … с_К, …, с_N кг/м³. Сумма с_А+ с_В + … + с_К + … + с_N представляет собой массу смеси в 1 м³ ее объема, или плотность смеси. Следовательно, весовая доля любого компонента выражается через его объемную концентрацию:

Относительные концентрации

Пусть – относительные весовые концентрации распределяемого компонента во взаимодействующих фазах Ф_х и Ф_у. В жидкой кг/кг Н₂О, в газовой кг/кг воздуха. Общая масса фаза .

Соответственно весовая концентрация распределяемого компонента:

отсюда

Если концентрация распределяемого компонента зона в мольных долях, то его относительная концентрация:

где М, М_н – молекулярный вес распределяемого компонента и носителя, кг.

+++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++++

Избирательное растворение, предназначенное для извлечения того или иного компонента из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого, или выщелачиванием.

Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процесса (абсорбция, экстракция и др.), в которой участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое – вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество (вещество лишь носитель).

К другой группе относятся процессы (ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называют также диффузионными.

Способы выражения состава фаз

Обычно количественный состав фаз выражают:

1. в объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или 1 кмоль; объемная концентрация представляет собой число кг или кмолей данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (кг/м³ или кмоль/м³);

2. в весовых или мольных долях, представляющих собой отношение кг или кмоль данного компонента к массе всей фазы, выраженной в кг или кмолях;

3. в относительных концентрациях, т.е. в виде отношения кг или кмолей данного компонента, являющегося распределяемым веществом, к числу кг или кмолей компонента – носителя, количество которого остается постоянными в процессе массопередачи.

Массообменные аппараты
С фиксированной поверхностью фазового контакта   – Пленочные – Полочные – Распылительные	С поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков   Тарельчатые   – Колпачковые – Клапанные – Ситчатые – Струйные – Решетчатые – S – образные	Насадочные   – Со смоченной насадкой –С затопленной насадкой	С внешним подводом энергии     – С механичес-кими мешалками – Пульсационные – Ротационные

Тарельчатые колонны

с решетчатой тарелкой с дырчатой тарелкой

1 – тарелка; 2 – отверстия

с S – образными элементами с подвижной шаровой насадкой

1 – тарелка; 1 – тарелка ситчатая;

2 – S – образные элементы; 2 – насадка шаровая

3 – переливная трубка.

со струйной тарелкой с двойной зоной фазового контакта

1– пластина; 2 – карман сливной; 1 – тарелка ситчатая;

3 – перегородка переливная; 4 – тарелка. 2 – насадка шаровая;

3 – диск распыляющий.

По способу слива жидкости: 1) тарелки со сливным устройством; 2) тарелки без сливного устройства.

Колпачковые тарелки – ТСК; с туннельными колпачками – ТСТ; с чугунными колпачками – ТЧК; с медными – ТМК; с S – образными элементами – ТСБ.

– Колпачковые тарелки стальные d_опр = 400; 500; 600; 800; 1000 мм колпачки царговые.

d_колп = 80; 100; 150 мм; углеродистая сталь Ст3кп; легированная сталь 08Х13; 12Х18ХН10Т.

Колпачки с прорезями: ширина – 4 мм, высота 15, 20, 30 мм.

Расстояние между тарелками – 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 мм.

– ТСК – Р (секции), d от 1000 – 3600 мм, цельносварные.

– ТКК (керамические), стойкие к кислотам:

тарелка цельная, d до 600 мм, пластмассы;

составная, d от 800 до 1800 мм.

– ТСТ, d ≥ 1400 мм, для нефтеперерабатывающей промышленности, длина колпачка 760, 810, 1092 и 1800 мм; ширина и высота 80 мм.

– кКлапанные тарелки d от 1000 до 4000мм, материал тарелки ВСт3сп4, 08Х13.

– Ситчатые тарелки, d от 1200 до 4000 мм, расстояние между тарелками – 450, 500, 600, 700, 800, 900 мм, суммарная площадь сечения отверстий 10% от площади тарелки.

– Решетчатые тарелки d от 1000 до 2400 мм, расстояние между тарелками от 300 – 600 мм.

Ситчатые тарелки. d_отв = 1 – 5 мм.

Барботажный пылеуловитель 80% ~ 20%

а) схема устройства колонны; б) схема работы тарелки; 1 – корпус; 2 – тарелка горизонтальная; 3 – переливная труба; 4 – стакан.

Газ движется в виде отдельных струек и пузырьков. Но газ должен двигаться с определенной скоростью, чтобы жидкость не «проваливалась» в отверстия тарелки.

Тарелка имеет небольшое сопротивление, но, однако, чувствительна к загрязнению и не горизонтальности.

Колпачковые тарелки – эти тарелки менее чувствительны к загрязнениям и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны. Прорези колпачков выполнены в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости движения газа и глубины нагружения колпачка в жидкость.

1 – тарелка; 2 – газовый патрубок; 3 – колпачки; 4 – сливные трубки.

Колпачковые тарелки изготавливают с радиальным или диаметральным переливом жидкости.

Тарелка с радиальным переливом представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 располагаются в шахматном порядке. Жидкость переливается по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7 и затем снова движется к периферии.

Тарелка с диаметральным переливом жидкости представляет собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, с другой – сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5. Здесь вместо сливных трубок установлены сегментообразные отверстия, ограниченные перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

а – радиальный перелив; 1 – диск; 2 – прокладка; 3 – болты; 4 – опорное кольцо; 5 – колпачки; 6 – периферийные переливные трубки; 7 – центральная сливная трубка; б – диаметральный перелив; 1 – диск; 2 – опорный лист; 3 – приемный порог; 4 – сливной порог; 5 – сменная гребенка; 6 – перегородка; 7 – колпачки.

Недостатки: сложность устройства и высокая стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Клапанные и балластные тарелки – в случае если скорость газа сильно меняется.

а, б – круглые клапаны; в – тарелка с балластным клапаном; 1 – клапан; 2 – кронштейн – ограничитель; 3 – балласт.

Балластные тарелки отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном 1 и кронштейном – ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и поднимается вместе с ним. Они отличаются равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Клапанные тарелки. Диаметр клапана 45 – 50 мм, отверстия под клапаном 35 – 40 мм, шаг между ними 75 – 150 мм, высота подъема 6,5 – 8мм. Своим весом клапанные пластинки автоматически регулируют величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки.

Достоинства: высокая пропускная способность, гидродинамическая устойчивость. Недостатки: высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана и балласта.

Колонны с провальными тарелками без сливных устройств: дырчатые (диаметр отверстий 4 – 10 мм, суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10 – 25%); решетчатые (отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных шелей шириной 3 – 8 мм); трубчатые (решетки, образованные из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору); волнистые тарелки (гофрированные металлические листы с отверстиями 4 – 8 мм).

Аппараты с внешним подводом энергии

Дробление потока с использованием механических и инерционных сил.

В зависимости от способа подвода энергии и конструктивных схем: 1) аппараты с мешалками; 2) роторные; 3) пульсационные – экстракция.

Конденсационно – испарительный способ:

– роторно – пленочная колонна. Недостатки: ограниченность по высоте и диаметру (требования к жесткости и прочности ротора), высокие эксплуатационные расходы.

– роторно – дисковые – разделение вследствие разности плотностей при обтекании кольцевых перегородок.

– роторно – центробежный экстрактор напорный.

В каналах движется: ТФ – от оси к периферии ротора; ЛФ – от периферии к оси; ТФ – отводится у стенок аппарата; ЛФ – около оси аппарата.

Пульсационные аппараты – жидкости сообщают возвратно – поступательные колебания:

1) с помощью вибрирующих внутри аппарата перфорированных тарелок;

2) посредством специального механизма (пульсатора).

Пульсаторы могут быть: поршневые, пневматические, мембранные.