Проектирование и оборудование предприятий нефтехимии (7)
1 МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Общие признаки массообменных процессов: 1. Они применяются для разделения смесей. 2. В любом процессе участвуют как минимум две фазы: жидкая и паровая (перегонка, ректификация), жидкая и газовая (абсорбция), твердая и парогазовая или жидкая (адсорбция), две жидких (экстракция). 3. Переход веществ между фазами осуществляется за счет диффузии через границу раздела фаз, при этом фазы находятся в равновесии. 4. Переход веществ между фазами заканчивается при достижении динамического равновесия. 5. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций (или градиент концентраций). 6. Диффузионные процессы обратимы, а их направление определяется законами фазового равновесия, концентрациями компонентов в фазах и внешними условиями (давлением и температурой).
2 Основные виды массообменных процессов в промышленности: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Испарение и конденсация. Ректификация. Азеотропная и экстрактивная ректификация. Абсорбция и десорбция. Адсорбция и десорбция. Экстракция. Сушка. Рассмотрим материальный баланс процесса однократного испарения (конденсации). Процесс многократного испарения состоит из повторяющегося в несколько ступеней процесса однократного испарения с отводом паров и жидкости после каждой ступени.
Метод однократного испарения • Метод однократного испарения (ОИ) многокомпонентной углеводородной смеси заключается в определении доли паров, которые образуются при нагревании исходной смеси до заданной температуры. 3
4 РАСЧЕТ ОДНОКРАТНОГО ИСПАРЕНИЯ Уравнение Антуана:
5 Производная функции F по меньше нуля. Для того чтобы существовало решение, отличное от нуля и единицы, нужно, чтобы значение , F(0)>0, a F(1) 0. F(0)= ( I ki - i)>0, т. е. ( i ki)> i=1 Иначе =0 F F(1)= i (ki - 1)/ki 0, т. е. ( i/ki)> i=1 Иначе =1 0 1 Первое условие определяет температуру начала однократного испарения. Второе условие определяет температуру конца однократного испарения.
6 Для неконденсируемых компонентов константа равновесия – очень большая величина, а для неиспаряемых компонентов – близка нулю. Тогда: N – число компонентов, которые в зависимости от значений фазовых переменных (Р, Т) могут находиться как в газовой, так и в жидкой фазах; M – число неконденсируемых компонентов; L – число неиспаряемых компонентов;
7 Ректификация • Ректификацией называется массообменнный процесс разделения жидких смесей на чистые компоненты, различающихся по температурам кипения, за счет противоточного многократного контактирования паров и жидкости. В работающей ректификационной колонне через каждую тарелку проходят 4 потока: 1) жидкость – флегма, стекающая с вышележащей тарелки; 2) пары, поступающие с нижележащей тарелки; 3) жидкость – флегма, уходящая на нижележащую тарелку; 4) пары, поднимающиеся на вышележащую тарелку.
8 РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИИ Схемы ректификационных колонн а — непрерывная ректификация; б — периодическая ректификация; 1 — укрепляющая секция; 2 — исчерпывающая секция; 3 — куб колонны; 4 — дефлегматор.
9 Схема потоков ректификационной колонны: QD, TD
10 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОЛОННЫ При установившемся режиме работы колонны уравнение материального баланса представляется в следующем виде: F=D+W Тогда для низкокипящего компонента (НКК): Fx. F = Dу. D + Wx. W или Fx. F = Dу. D + (F-D)x. W Отсюда отбор ректификата и остатка составят: Следовательно, внешние потоки колонны и концентрации компонентов в них взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЛОННЫ QF+QB= QD+QW+Qd Где тепло подводится : QF – с сырьем, QB – через кипятильник в низ колонны, а отводится: QD – с парами ректификата, QW – жидким остатком, Qd – потоком хладоагента на верху колонны.
11 УРАВНЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЛИНИИ Материальный баланс для верхней (концентрационной или укрепляющей) части колонны. Общий: Gn=qn+1+ D или Gn- qn+1=D Для НКК компонента: Gnyn =qn+1 xn+1+ Dy. D Комбинируя уравнения, получим: Последнее уравнение можно представить в виде: Разделив числитель и знаменатель последнего уравнения на D и введя понятие флегмового числа R=qn+1/D, получим уравнение рабочей линии (или уравнение концентраций, или уравнение оперативной линии):
12 Материальный баланс для нижней (отгонной или исчерпывающей) части колонны. Общий: qm+1=Gm+ W или qm+1 - Gm= W Для НКК компонента: qm+1 x=Gmy + Wx. W Решив совместно уравнения, получим: Разделив числитель и знаменатель последнего уравнения на W и введя понятие парового числа =qn+1/D, получим уравнение рабочей линии (или уравнение концентраций, или уравнение оперативной линии): Общий вид уравнения рабочей линии для любой части колонны: у = х + (1 - ) х. Р Для верхней части колонны: х. Р=y. D и =R/(R+1) ≤ 1, для нижней части колонны: х. Р= x. W и = /( +1) ≥ 1
13 Флегмовое число (R) • соотношение жидкого и парового потоков в концентрационной части колонны (R = q/D; q и D – количество флегмы и ректификата). Паровое число (П) • отношение контактируемых потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны (П = G/W; G и W – количество паров и кубового остатка, соответственно). Число тарелок (N) • определяется числом теоретических тарелок (NТ), обеспечивающим заданную четкость разделения принятом флегмовом (и паровом) числе, а также эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельной высотой насадки, соответствующей одной теоретической тарелке).
Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа Rmin R ∞ ∞ > NTmin Rраб = Rmin Nф = NT/ T 14
15 В уравнении теплового баланса QF+QB= QD+QW+Qd отдельные составляющие определяются выражениями: QF = F(1 - )h. F + F HF QB = GW(HW- hw) = GWQИСП Qd = q. D (HD- h. D) = q. DQКОНД QD = D HD QW = W HW Где Hi и hi – энтальпии потоков пара и жидкости. Проведем – энтальпии потоков пара и жидкости. преобразование полученных уравнений, объединив уравнения для потоков тепла в верхней и нижней частях колонны, учтя, что F=D+W: QF = (DHD + Qd) + (Wh. W - QB) или QF = D(HD + Qd/D) + W(h. W – QB/W) Обозначив символами HD* и h. W* приведенные энтальпии ректификата и остатка: HD* = HD + Qd/D и h. W* = h. W – QB/W Получим уравнение теплового баланса в виде: QF = DHD* + Wh. W*
16 Проведя с полученными уравнениями преобразования, аналогичные выводу уравнений рабочих линий, получим уравнения теплового баланса колонны: Объединив уравнения материального (уравнение рабочей линии) и теплового балансов, получим уравнения материально-теплового баланса колонны:
12
Скачать презентацию Проектирование и оборудование предприятий нефтехимии 7 1
L-Proektir-7.ppt