Понятие о равновесии между фазами

Правило фаз. В процессах массообмена контактирующие фазы обмениваются веществом и энергией. При этом обе фазы стремятся достичь состояния равновесия, при котором скорости перехода вещества из одной фазы в другую становятся одинаковыми.

Массообменные процессы обратимы, т.е. направление переноса компонентов смеси может изменяться в зависимости от рабочих условий (давления, температуры) и свойств разделяемой смеси. Перенос вещества прекращается при достижении состояния равновесия между фазами. Если на протяжении какого-то времени не изменять условия хранения нестабильного газового конденсата в двухфазном сепараторе (const P, const T), то установится равновесие между жидкой и паровой фазами. При этом установится чёткое разделение границы раздела и будет сохраняться сколь угодно долго. Масса жидкой и газообразной фаз не будет меняться то тех пор, пока не будут изменены условия хранения. Это подтверждает тот факт, что в данный момент перенос фазы не осуществляется. Если подвести какое-либо количество тепла в среду, то будет наблюдаться рост давления в сепараторе, что говорит о том, что некие компоненты жидкой фазы газового конденсата начали переходить в паровое состояние. Следовательно, масса паровой фазы будет стремиться к увеличению, а жидкой фазы к уменьшению. Обратная картина будет наблюдаться при условии подведения холода в среду. При этом общая суммарная масса жидкой и паровой фаз не изменится.

Система может быть гомогенной (однородной), если свойства всех ее частей одинаковы или изменяются непрерывно от точки к точке. Система называется гетерогенной, если две или более гомогенных систем разделены поверхностями раздела. Другими словами гомогенная система– система, состоящая из одной фазы, а гетерогенная система – система, состоящая из двух и большего числа фаз.

Фаза — однородная часть системы, отделенная поверхностью раздела от других ее частей. Фаза может быть твердая, жидкая и газообразная (парообразная). Поскольку газы (пары) смешиваются в любых соотношениях, газовая (паровая) фаза может быть только одна. Твердых и жидких фаз в системе может быть несколько. Кроме того, каждая фаза системы состоит из компонентов — химических веществ, наличие которых необходимо и до­статочно для характеристики составов и свойств каждой фазы. Так, при разделении нефти перегонкой или ректификацией система состоит из двух фаз — паровой и жидкой. При этом каждая фаза может включать десятки (узкие бензиновые фракции, газообразные продукты) и сотни (исходная нефть, мазут и др.) компонентов.

Рис. 2.2.1 Схема процесса массообмена между двумя фазами.

Перенос вещества между фазами обусловлен разностью концентраций компонента в контактирующих фазах. При этом между фазами отсутствует равновесие. В результате массообмена концентрация каждого компонента в обеих фазах изменится и, в конце концов, наступит состояние равновесия. Состояние равновесия следует понимать так, что обмен между фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются. Это проявляется внешне в том, что все характеристики обеих фаз могут оставаться сколь угодно долго неизменными.

Схема переноса вещества между фазами представлена на рис. 2.2.1 Пусть в фазе G концентрация у рассматриваемого компонента больше равновесной, т.е. компонент переходит из фазы G в фазу L. Скорость переноса вещества равна М. Интересующий нас компонент должен быть перенесен к границе раздела фаз, чтобы был осуществлен процесс массообмена между фазами. Перенос вещества к границе раздела фаз осуществляется двояко: кон­вективной диффузией, т.е. в результате движения частиц данной фазы, и молекулярной диффузией, т.е. в результате движения молекул через слой данной фазы.

Поэтому в каждой фазе различают основную часть потока данной фазы (ядро фазы), в котором перенос вещества обусловлен главным образом конвективной диффузией, и различают пограничные слои толщиной δ_G и δ_L, примыкающие в границе раздела фаз. Здесь массоперенос вызывается главным образом молекулярной диффузией, роль которой увеличивается по мере приближения к границе раздела фаз. Толщина пограничного слоя зависит от скорости движения фаз.

Поскольку в ядре потока частицы вещества интенсивно перемешиваются, считают, что в пределах ядра потока концентрации не изменяются, а все изменение концентраций в каждой фазе происходит в пределах пограничного слоя.

На границе раздела фаз устанавливаются концентрации у_гр, со стороны фазы G и х_гр со стороны фазы L. Вслучае установившегося процесса принято считать, что y_гр и х_гр находятся в равновесии.

Технологические аппараты.

Отделение газовой фазы (пузырьков газа) от жидкой – наиболее частый случай в технологии как добычи, так и переработки нефти и конденсата.

Аппараты, в которых происходит такое разделение, называют газосепараторами, а чаще – просто сепараторами. Отделение газовой фазы от жидкой в них осуществляется в две стадии. На первой – при входе потока в сепаратор за счет большой разницы плотностей основная масса газовой фазы отделяется от жидкой, и в последней остается небольшая часть эмульгированных пузырьков газа. Второй стадией является отделение этих мелких пузырьков, которое происходит под действием разности подъемной силы (по закону Архимеда) и силы тяжести пузырька, а также силы сопротивления среды (жидкости) всплытию пузырька.

Дисперсные системы "газ-твердое тело (пыль)" довольно часто встречаются в нефтепереработке. Так, природный газ содержит мелкие частички горных пород, дымовые газы из регенераторов каталитического крекинга и других процессов содержат мелкую (5 – 30 мкм) катализаторную пыль, а также часто выносят катализаторную пыль пары из реакторных устройств.

Применяют следующие методы отделения мелких твердых час­тиц от газа.

Простое отстаивание в больших емкостях, основанное на тех же принципах, что и отделение газовых пузырьков от жидкости.

Такой метод малопроизводителен и поэтому нашел ограни­ченное применение.

Центробежное отстаивание. Если простое отстаи­вание осуществляется под действием сил гравитации, то исполь­зование центробежной силы, действующей на частицу в газе, позволяет существенно ускорить ее отделение от газа.

Наиболее распространенным аппаратом для центробежного разделения запыленного газа является циклон (рис. 8.1.1).

Рис. 8.1.1. Схема работы циклона:

1 – корпус; 2, 3 – входной и выходной патрубки; 4 – сборник; I – запыленный газ; II – очищенный газ; III – пыль

В циклоне поступающий в него со скоростью 20 – 25 м/с газ закручивается в корпусе, и под действием центробежной силы частицы пыли, имеющие плотность значительно выше, чем газ, отбрасываются к стенке корпуса и, накапливаясь, сползают вниз по корпусу в бункер 4. Очищенный газ из центра этого вихря по трубе 3 выводится из циклона.

Разделение дисперсной системы газ-жидкость,в которой дисперсной фазой являются капли жидкости, называют каплеулавливанием, а соответствующие устройства – каплеуловителями.

Принципы каплеулавливания состоят в том, чтобы на пути потока газа были созданы условия для столкновения капель с твердой поверхностью, на которой они бы осаждались. Чем больше такая поверхность в единице объема, тем выше степень очистки газа от капельной жидкости. Поэтому для улавливания капель обычно используют пакеты из плотно уложенной тонкой сетки петлевой ("чулочной") вязки из проволоки диаметром 0,1 – 0,2 мм. Такие пакеты толщиной 100 – 200 мм имеют большую удельную поверхность.

Такие системы каплеулавливания используются почти во всех сепараторах, где отделяется газ от жидкости и в ректификационных колоннах в верхней части и над вводом сырья для того, чтобы предотвратить занос капель жидкой фазы сырья на укрепляющие тарелки колонны.

Дисперсные системы жидкость-жидкость образуются в случае несмешивающихся жидкостей (эмульсии воды в нефти, кислота в углеводородной жидкости и др.) и их разделение является часто важнейшим элементом технологии.

Разделение систем жидкость-жидкостьтакже основано на явлениях отстаивания (гравитационного или центробежного) с наложением внешних условий, способствующих интенсификации разделения (добавка деэмульгаторов, наложение переменного электрического поля и др.).

Технологические емкости предназначены для проведения в них технологических операций или для временного хранения нефтепродуктов. Соответственно, их относят к двум категориям – сепараторы-отстойники и резервуары (емкости).

Сепараторы-отстойники(далее – сепараторы) предназначены для разделения несмешивающихся фаз нефтепродуктов. Основные варианты сепараторов схематично показаны на рис. 8.1.2. Первый из них (а) – двухфазный, служит для отделения газовой (или паровой) фазы от жидкой. На технологических установках такие сепараторы используют на отделении сжиженного газа или широкой фракции лёгких углеводородов (ШФЛУ) колонны стабилизации. По такому же принципу работают испарители нефти или конденсата, в которых отделяют паровую фазу от жидкой.

Вариант б (рис. 8.1.2) – это также двухфазный сепаратор "жидкость-жидкость" ("нефть-вода"). Применительно к технологическим установкам это отстойники воды или водометанольного раствора от выветренного конденсата или нефтепродуктов.

Рис. 8.1.2. Варианты двухфазных (а: пар-жидкость, б: жидкость-жидкость) и трехфазных (в и г: газ-жидкость-жидкость) сепараторов:

1 – корпус; 2 – накопители тяжелой жидкости; 3 – общая перегородка; 4 – защитная отбойная перегородка; 5 – подпорная перегородка; 6 – каплеуловители сетчатые; 7 – датчики уровнемера; 8 – датчики уровня раздела фаз; I – входящий (сепарируемый) поток; II – газовая (паровая) фаза; III и IV – легкая и тяжелая (нерастворимые друг в друге) жидкости

Два других варианта (в и г) представляют группу трехфазных сепараторов "газ-жидкость-жидкость".