Классификация основных процессов и аппаратов по способу создания движущей силы

Классификация основных процессов и аппаратов по способу создания движущей силы

процессы (и аппараты) – массообменные, гидромеханические, механические, тепловые, химические.

Массообменные процессы

- переход вещества из одной фазы в другую за счет диффузии

1) тв→ж растворение твердых веществ; ж →тв кристаллизация; ж → ж экстракция; ж →г испарение жидкости, десорбция; г → ж конденсация паров, абсорбция; ж↔ п ректификация; тв→г возгонка, десорбция; г →тв адсорбция.

Движущая сила: разность концентраций вещества между соответствующими фазами системы

Скорость определяется законами массопередачи.

Гидромеханические процессы связаны с переработкой суспензий

Суспензия – неоднородная система, состоящая из жидкости или газов и взвешенных в них твердых или жидких частиц

1) перемещение жидкости или газа; 2) перемешивание в жидкой среде;

3) разделение жидких неоднородных систем (осаждение, фильтрование, центрифугирование); 4) очистка газов от пыли.

Движущая сила: разность давлений, обусловленная разностью плотностей.

Скорость определяется законами гидромеханики

Механические процессы

связаны с обработкой твердых тел и их перемещением

1) измельчение; 2) рассев; 3) транспортирование; 4) дозирование; 5) смешение.

Движущая сила: разность сил, давлений, градиент напряжений (сдвиг, растяжение)

Скорость определяется законами механики твердых тел

Тепловые процессы связаны с теплообменом

1) нагревание; 2) охлаждение; 3) испарение; 4) конденсация; 5) плавление; 6) затвердевание; 7) выпаривание; 8) кристаллизация.

Движущая сила: разность температур

Скорость определяется законами теплопередачи

Химические процессы

связаны с химическими превращениями участвующих в процессе веществ и получением новых соединений

1) каталитический крекинг; 2) гидроочистка; 3) риформинг; 4) пиролиз и т.д.

Движущая сила: разность концентраций реагирующих веществ

Скорость определяется законами химической кинетик

КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ

В основу классификации положен основной процесс, определяющий назначение аппарата

по способу осуществления во времени

Периодические процессы

Характеризуются неустановившимся состоянием во времени

Работа делится на определенные циклы, в течение которых осуществляются все стадии процесса

Непрерывные процессы

Характеризуются установившимся режимом, не зависящим от времени

Обеспечивается непрерывный подвод сырья и вывод продуктов, установившееся состояние – среднестатическое

Основные признаки массообменных процессов

1) применяют для разделения смесей,

2) участвуют две фазы,

3) вещество переходит из одной фазы в другую за счет диффузии,

4) движущей силой является разность концентраций, y - y_p

5) все массообменные процессы обратимы, направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонента в фазах и внешними условиями (t, p),

6) переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

Основное уравнение массопередачи

Скорость массопередачи:

K_y – коэффициент скорости или массопередачи

Разность концентраций изменяется во времени, поэтому используем среднюю величину движущей силы:

или , кг

Размерность коэффициента массопередачи

Размерность движущей силы

кг/м³, кг/кг, м³/м³, моль/моль, моль/м³;

для газовых фаз: кГ/см², Па, мм рт.ст. и т.д.

Основное уравнение массопередачи по жидкой фазе

За 1 час: , кг/ч

 

 

Материальный баланс массообменного процесса

Цель составления состоит в выявлении всех участвующих в процессе потоков вещества и энергии с учетом потерь. Мат.баланс позволяет рассчитать внешние потоки вещества и энергии (потоки, входящие в данную систему и покидающие ее).

 

-общий вид материального баланса.

 

 

Переход вещества: G → L

y_н>y_к x_н< x_к

Интегрируем по всему аппарату:

уравнение материального баланса ; уравнения расхода фаз

Интегрируем до сечения а-а:

- уравнение линии концентраций(рабочей линии, оперативной линии)

Рабочая линия

(1) – мат.баланс для всего аппарата, М –кол-во переданной массы.из урав (1) →

(2) – соотношение между потоками контактирующих фаз

(3) – мат.баланс для сечения ниже 1-1

из урав (3) → уравнение рабочей линии

у=L/G*x+(y_н –L/G*x_к) уравнение линии концентраций(раб.линии,оперативной линии)

В координатах x-y уравнение раб.линии – уравнение прямой, где

. В=y_н –L/G*x_к

Уравн раб линии для верхней части колонны G=g+D,для ННК: Gy=gx+Dy_D

отсюда g/D=y_D-y/y-x или y=g*x/(g+D)+D*y_D/(g+D)

Ур раб линии для нижней части g=G+W, для ННК:gx=Gy+Wx_w отсюда G/W=x-x_w/y-x или y=(G+W)*x/G – W*x_w/G

 

1 2

В зависимости от того, в каком направлении переносится компонент, расположение рабочей линии и линии равновесия может быть разное.

На правом рисунке перенос компонента происходит из фазы G в фазу L, при этом движущая сила равна в фазе G: и в фазе L: .

На левом рисунке перенос компонента происходит из фазы L в фазу G, при этом движущая сила равна в фазе G: и в фазе L: .

Пересечение или касание рабочей и равновесной линий означает, что процесс не может идти в заданных пределах

 

Число единиц переноса (ЧЕП)

 

ЧЕП показывает, сколько единиц вещества переходит в другую фазу при величине движущей силы, равной единице

;

;

; ;

 

 

Теоретическая тарелка, ВЭТТ

 

1) Теоретическая тарелка – контактное устройство, обеспечивающее получение равновесных потоков фаз, покидающих контактную зону. Одна ТТ – одно изменение концентраций по жидкой фазе и одно изменение по паровой фазе.

ТТ используют при расчетах массообменных аппаратов, когда нужно учитывать время контакта фаз, необходимое для достижения равновесия. Преимуществом метода ТТ является то, что нужно иметь только уравнение равновесия и уравнение рабочей линий. Вместо понятия ТТ используют ЧТТ. ЧТТ зависит от взаимного расположения рабочей и равновесной линии от величины движущей силы процесса. При сближении рабочей и равновесной линии ∆ ↓ → ЧТТ ↑ и наоборот. ЧТТ используется для определения высоты контактной зоны аппарата Н, для этого используют ВЭТТ.

2) (1) – мат.баланс фазы G в интегральной форме

(2) – уравнение массопередачи

объединяя урав (1) и (2), интегрируем →

(3) - поверхность фазового контакта

(4) – поверхность массообмена для насадочных аппаратов, где

- раб.V аппарата*поверхность контакта фаз в 1 его V.

(5) – высота аппарата,

где H, S –высота и сечение ап/та, G –расход ф.G [кг/с],

-массовая скорость ф.G [ ]

из урав (5) →

- высота, эквивалентная одной единице переноса.

Правило фаз ГИББСА

Равновесной системой называется такая система, которая может существовать неограниченно долго без каких-либо качественных или количественных изменений.

Состояние равновесия характеризуется правилом фаз Гиббса, которое определяет связь между числом степеней свободы, числом ее компонентов и числом фаз.

Число независимых параметров, которые могут быть выбраны произвольно, чтобы привести систему в состояние равновесия – число степеней свободы.

где L – число степеней свободы n – число компонентов N – число фаз

В качестве степеней свободы могут выступать t,P,c

Для 2-х компонентной системы взаимно растворимых жидкостей L=2, а для нерастворимых L=1

Вывод уравнения:

1) Пусть система содержит N фаз и n компонентов в каждой фазе.

2) Состояние фаз фиксировано при Р и Т.

3) Состав каждой фазы можно рассчитать, задавая n-1 концентраций компонентов, а концентрация одного из компонентов является зависимой величиной и может быть рассчитана из условия, что сумма мольных долей всех компонентов в смеси равна 1.

4) - общее число переменных, определяющих состояние системы.

5) - общее число уравнений для расчета состояния системы, где (N-1) – число уравнений, достаточных для расчета концентрации компонентов, n – число переменных.

6) Число уравнений не может превышать числа переменных, иначе уравнения будут несовместимыми. Разность между числом независимых переменных и числом уравнений равна числу произвольно изменяемых параметров в данной системе, меняя которые можно не менять число фаз в ней (степень свободы):

ПРИМЕНЕНИЕ ПРАВИЛА ФАЗ

К ПРОЦЕССАМ ПЕРЕГОНКИ

Компонентами системы называются те составные части, концентрация которых может претерпевать изменения в различных фазах.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса:

L = n + 2 – N

 

 

Кривая равновесия фаз

 

По закону Рауля парциальные давления в жидкой фазе определяются:

для НКК -

для ВКК -

По закону Дальтона парциальное давление в паровой фазе определяется:

для НКК -

для ВКК -

При равновесии парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах равны:

= (1)

= (2)

разделим урав (1) на (2) →

(3)

- уравнение кривой равновесия фаз.

Уравнение устанавливает зависимость между равновесными концентрациями в жидкой и паровой фазах.

Каждой точке на КРФ соответствует определенная температура в пределах температур кипения НКК () (1,1) и ВКК () (0,0).

- коэффициент относительной летучести. Характеризует способность компонента переходить в паровую фазу. Чем он больше, тем легче компонент переходит. КОЛ зависит от температуры и давления, зависимость обратнопропорциональная. >1.

 

 

Способы перегонки жидкостей

Три способа:

1) однократное испарение ОИ,

2) многократное испарение МИ,

3) постепенное испарение

Однократное испарение - до конца процесса образующиеся фазы не разделяются

Многократное испарение -

- образующиеся фазы разделяются в несколько приемов, т.е. несколько раз повторяется процесс ОИ

Постепенное испарение -

- образующиеся пары непрерывно отводятся;

является пределом многократного испарения

(перегонка из колбы Энглера)

 

Постепенное испарение

Процесс осуществляется так, что пары, образовавшиеся при испарении, удаляются из системы непрерывно в момент их образования. Образовавшиеся в системе паровая и жидкая фазы всегда находятся в состоянии равновесия.

(1) – материальный баланс по НКК для элементарного процесса; где g – масса загрузки в испарители, x – концентрация в ней НКК,

dg - часть испарившейся жидкости, dx – изменившийся состав жидкой фазы,

(x-dx) – новый состав жидкости, y – состав паровой фазы.

Из уравнения (1) →

(2) – уравнение Рейлея.

(3) – пар находится в равновесии с жидкостью.

(4) – уравнение КРФ через y.

подставим урав (4) в урав (2) →

- уравнение Рейлея, используется для определения по результатам постепенной перегонки.

- средний состав отгона.

2)

Начало перегонки: g₀, x_0. В рассматриваемый момент: g, x

После увеличения температуры: dg – испаряется, состав y,

g-dg - неиспарившаяся жидкость, состава x-dx.

 

Материальный баланс:

Уравнение Рейлея

 

Постепенная конденсация

(1) – материальный баланс для бесконечно малой массы сконденсированных паров

Из уравнения (1) →

(2) – уравнение Рейлея.

(3) – пар находится в равновесии с жидкостью.

(4) – уравнение КРФ через x.

подставим урав (4) в урав (2) →

- уравнение Рейлея, используется для определения в интервале температур конденсации.

- средний состав конденсата.

2)

 

Многократное испарение

Процесс многократного испарения состоит из повторений процесса однократного испарения для более полного разделения исходной смеси.

 

 

сепаратор сепаратор

F испаритель испаритель

 

 

Пусть многократному испарению подвергается смесь с содержанием НКК , находящаяся при тем-ре - т.F, f.

Проводим ОИ при тем-ре будут получены составы жидкой и паровой фаз и , при этом на первой ступени: ,относ.кол-во исп.ж-и:

, масса жидкого остатка:

.Жидкий остаток подвергают ОИ во второй ступени при . Образовавшиеся жидкая и паровая фазы будут иметь состав и . , доля неиспарившейся жидкости: . Масса жидкого остатка:

. После проведения (к) ступеней ОИ, масса жидкости: . С повышением ступеней ОИ, уменьшается масса жидкого остатка. Процесс МИ – линия .

ОИ обеспечивает больший отгон, но жидкая фаза содержит больше НКК, т.е. разделение при МИ лучше. При уменьшении перепадов температур и увеличении числа ступеней МИ переходит в пределе в постепенное испарение

 

33. Многократная конденсация

 

 

 

сепаратор сепаратор

F

конденсатор конденсатор

 

 

 

При охлаждении паров с начальной концентрацией НКК

от - т.F (f) до происходит частичная конденсация.

Масса парового остатка: .

На второй ступени паровой остаток охлаждается от до → еще часть паров сконденсируется и масса остатка:

После к-ой ступени конденсации, масса остатка будет:

.

Процесс МК:

.

 

Материальный баланс колонны

для всей колонны по всем компонентам

 

по НКК:

 

Доля отбора:

 

 

Режим минимального орошения

;

-нормальная ректификация.

-наступает момент мin орошения.

; D( , ) L ( , )

W ( , ) M( , , y=1 )

Режим полного орошения

При бесконечном флегмовом и паровом числах рабочие линии обеих частей колонны сливаются с диагональю диаграммы х-у. В этом случае, как следует из уравнения рабочей линии, составы потоков паров и жидкости, являющиеся встречными на одном уровне, для любого сечения колонны будут равны: х_n+1=y_n, а число тарелок будет мин и равным N_мин.

Такой режим работы колонны можно представить двояко:

1.колонна работает с отбором ректификата D, остатка W и с подачей сырья F=D+W при потоках флегмы g и паров G, стремящихся к бесконечности(режим бесконечной флегмы).

2.колонна работает без отбора продуктов: D=0, W=0 и F=D+W=0, но с заданными подводом тепла Q_B в кипятильнике и с отводом тепла Q_d в конденсаторе,т.е. в этом случае встречные потоки пара и жидкости равны и определяются теплоподводом в кипятильник(режим полного орошения).

Парциальный конденсатор

 

Для обеспечения нормальной работы колонны необходимо на верху ее отводить определенное количество тепла для конденсации части паров и образования потока флегмы (орошения).

Один из самых распространенных способов отвода тепла является парциальный конденсатор.

Этот способ заключается в том, что пары, уходящие с верхней тарелке концентрационной части колонны поступают в парциальный конденсатор, где частично конденсируются. Образовавшиеся при этом поток флегмы возвращается на верхнюю тарелку в качестве орошения, а пары ректификата D отводятся из конденсатора. Принимается, что D и находятся в равновесии → ПК эквивалентен одной ТТ.

- тепловой.баланс (контур 1)

- кол-во тепла, необходимое для охлаждения D от до . , где - количество тепла, отводимого в парц.конденсаторе, - скрытая теплота конденсации.

 

Циркуляционное орошение

Часть флегмы с верхней тарелки направляется в холодильник, где охлаждается и при температуре возвращается на верхнюю тарелку. Здесь флегма контактирует с парами , поступающими с нижележащей тарелки при температуре . В результате контакта паров с холодной флегмой пары охлаждаются до температуры и частично конденсируются, образуя поток флегмы , необходимый для осуществления ректификации. С верхней тарелки уходят пары ректификата D при температуре . Состав ЦО равен составу . ЦО нагревается за счет тепла конденсации паров от до , а потом охлаждаясь в холодильнике, отдает это же кол-во тепла.

- тепловой баланс контура 1

- масса циркуляционного орошения. ↓ →↓ .
50. Парциальный конденсатор

 

.

 

Для обеспечения нормальной работы колонны необходимо на верху ее отводить определенное количество тепла для конденсации части паров и образования потока флегмы (орошения).

Один из самых распространенных способов отвода тепла является парциальный конденсатор.

Этот способ заключается в том, что пары, уходящие с верхней тарелке концентрационной части колонны поступают в парциальный конденсатор, где частично конденсируются. Образовавшиеся при этом поток флегмы возвращается на верхнюю тарелку в качестве орошения, а пары ректификата D отводятся из конденсатора. Принимается, что D и находятся в равновесии → ПК эквивалентен одной ТТ.

- тепловой.баланс (контур 1)

- кол-во тепла, необходимое для охлаждения D от до . , где - количество тепла, отводимого в парц.конденсаторе, - скрытая теплота конденсации.

 

 

Классификация основных процессов и аппаратов по способу создания движущей силы

процессы (и аппараты) – массообменные, гидромеханические, механические, тепловые, химические.

Массообменные процессы

- переход вещества из одной фазы в другую за счет диффузии

1) тв→ж растворение твердых веществ; ж →тв кристаллизация; ж → ж экстракция; ж →г испарение жидкости, десорбция; г → ж конденсация паров, абсорбция; ж↔ п ректификация; тв→г возгонка, десорбция; г →тв адсорбция.

Движущая сила: разность концентраций вещества между соответствующими фазами системы

Скорость определяется законами массопередачи.

Гидромеханические процессы связаны с переработкой суспензий

Суспензия – неоднородная система, состоящая из жидкости или газов и взвешенных в них твердых или жидких частиц

1) перемещение жидкости или газа; 2) перемешивание в жидкой среде;

3) разделение жидких неоднородных систем (осаждение, фильтрование, центрифугирование); 4) очистка газов от пыли.

Движущая сила: разность давлений, обусловленная разностью плотностей.

Скорость определяется законами гидромеханики

Механические процессы

связаны с обработкой твердых тел и их перемещением

1) измельчение; 2) рассев; 3) транспортирование; 4) дозирование; 5) смешение.

Движущая сила: разность сил, давлений, градиент напряжений (сдвиг, растяжение)

Скорость определяется законами механики твердых тел

Тепловые процессы связаны с теплообменом

1) нагревание; 2) охлаждение; 3) испарение; 4) конденсация; 5) плавление; 6) затвердевание; 7) выпаривание; 8) кристаллизация.

Движущая сила: разность температур

Скорость определяется законами теплопередачи

Химические процессы

связаны с химическими превращениями участвующих в процессе веществ и получением новых соединений

1) каталитический крекинг; 2) гидроочистка; 3) риформинг; 4) пиролиз и т.д.

Движущая сила: разность концентраций реагирующих веществ

Скорость определяется законами химической кинетик

КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ

В основу классификации положен основной процесс, определяющий назначение аппарата

по способу осуществления во времени

Периодические процессы

Характеризуются неустановившимся состоянием во времени

Работа делится на определенные циклы, в течение которых осуществляются все стадии процесса

Непрерывные процессы

Характеризуются установившимся режимом, не зависящим от времени

Обеспечивается непрерывный подвод сырья и вывод продуктов, установившееся состояние – среднестатическое