Иванец В.Н., Бородулин Д.М. Процессы и аппараты химической технологии

131

до температуры t

1

и сконденсировав образовавшиеся пары, получим конденсат

состава x

2

= y

1

, причем x

2

>x

1

, т.е. жидкость еще больше обогащена НК.

Таким образом, повторяя многократно процессы испарения и конденса-

ции паров, можно получить жидкость, практически состоящую из одного НК.

Параллельно этому в нижней части колонны (в кубе) получаем жидкость обо-

гащённую ВК.

t

х

3

y

3

х

2

y

2

t

0

t(y)

х

1

y

1

t

1

t

В

t(x)

t

2

t

3

x

0

t

A

x

0

x

1

=у

0

x

2

=у

1

x

3

а) б)

Рис. 11. Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз:

а) схема ректификационного агрегата (1 – колонна, 2 – обогревающее устройство, 3 – конденсатор);

б) процесс ректификации на диаграмме t – x,y.

G

V

– выход паров в дефлегматор, G

R

– подача флегмы на орошение колонны, G

Д

– отбор дистиллята.

8.10.9. Материальный и тепловой балансы

ректификационной колонны

Для анализа работы ректификационной колонны (рис. 12) необходимо

составить материальные балансы потоков. Уравнения последних имеют сле-

дующий вид:

по потокам фаз

G

F

=G

Д

+G

W

и G

F

+G

R

=G

V

+G

W

; (46)

2

1

3

G

V

G

R

G

Д

132

2

1

3

вода

греющий

пар

G

R

, x

Д

G

Д

, x

Д

G

F

, x

F

G

W

, x

W

G

V

, y

Д

по количеству НК:

G

F

⋅х

F

=G

Д

⋅x

Д

+G

W

⋅х

W

. (47)

Рис. 12. Схема потоков пара и жидкости в ректификационной колонне

1 – ректификационная колонна, 2 – обогревающее устройство, 3 – конденсатор,

______ поток жидкости, _ _ _ _ поток пара.

G

F

– подача исходной смеси, G

Д

– отбор дистиллята, G

R

– подача флегмы на орошение, G

W

– выход ку-

бового остатка, G

V

– выход паров в дефлегматор. x

F

, x

Д

, x

W

– концентрация НК в исходной смеси, дис-

тилляте и кубовом остатке (мольн. доли).

При расчёте ректификационной колонны необходимо знать количество

ступеней изменения концентрации, которое требуется для увеличения концен-

трации НК от начальной x

F

до концентрации дистиллята x

Д

. Это количество

ступеней называют так же числом теоретических тарелок n

Т

. Число действи-

тельных тарелок n

Д

можно определить из соотношения:

Д

Т

n

n =

, (48)

где

n – к.п.д. тарелки.

133

Число теоретических тарелок можно определить графическим методом

(рис. 13) при построении ступенчатой линии между линией равновесия 1 и ра-

бочей линией 2. Кривую равновесия строят по справочным данным о равновес-

ных составах паровой и жидкой фаз по НК.

Рис. 13. Рабочая линия укрепляющей части ректификационной колонны

на

у – х диаграмме.

Уравнение рабочей линии для укрепляющей части ректификационной

колонны имеет вид:

x

R

х

у

Д

11 +

+

=

, (49)

где R – флегмовое число – отношение количества флегмы G

F

, возвращаемой в

колонну, к количеству отводимого дистиллята G

Д

:

R= G

F

/ G

Д

. (50)

Для построения рабочей линии необходимо определить величину отрезка

1+

=

R

х

ОВ

Д

и отложить его на оси оу (точка В). Затем соединяют конец этого

отрезка с точкой на диагонали, полученной на пересечении ординаты x

Д

с диа-

гональю (точка А). Линия АВ и есть рабочая линия укрепляющей части колон-

В

О

х, % мол

у, % мол

х

F

x

Д

1+

=

R

х

ОВ

Д

α

А

134

ны. Прямая АВ образует с осью абсцисс угол

α

, причём tg

α

=R/(R+1), и отсе-

кает на оси ординат (при х=0) отрезок

1+

=

R

х

ОВ

Д

. Далее восстанавливают

перпендикуляр из точки х

F

на оси абсцисс до линии равновесия и находят чис-

ло теоретических тарелок n

Т

, необходимое для укрепления паров от концентра-

ции х

F

до x

Д

, как число ступеней между кривой равновесия и рабочей линией.

Для проведения процесса ректификации необходимо подвести определен-

ное количество тепла, величина которого во многом зависят от значения флегмо-

вого числа. Расход тепла находят из уравнения теплового баланса (рис.14).

Рис. 14. К составлению теплового баланса ректификационной колонны

Тепло поступает в установку с исходной смесью Q

1

:

Q

1

=G

F

⋅c

F

⋅t

F

, (51)

с флегмой Q

2

:

Q

2

=R⋅G

Д

⋅с

Д

⋅t

Д

, (52)

и от источника обогрева Q

3

.

Тепло из колонны уходит с парами Q

4

:

Q

4

=(R+1)⋅D⋅i

п

, (53)

с кубовым остатком Q

5

:

Q

4

тепло

паров

Q

2

тепло

флегмы

Q

1

тепло

исходной

смеси

Q

3

тепло от

подогревателя

Q

6

потери в окру-

жающую среду

Q

5

тепло кубового

остатка

135

Q

5

= G⋅c

W

⋅t

W

(54)

и в окружающую среду Q

6

.

Из уравнения теплового баланса определяем тепло, подводимое подогре-

вателем, приняв его потери равными 5% от Q

3

:

Q

3

=1.05⋅[G

Д

⋅i

п

+R⋅G

Д

(i-c

Д

⋅t

Д

)+R⋅c

Д

⋅t

Д

-G

F

c

F

⋅t

F

]. (55)

Важным показателем работы ректификационной колонны является

рас-

ход воды

для конденсации паров в дефлегматоре и охлаждения дистиллята, ко-

торый определяют из уравнения теплового баланса дефлегматора и холодиль-

ника:

Q

ДЕФ

+Q

ХОЛ

=G

В

⋅c

В

⋅(t

к

в

–t

н

в

), (57)

где

Q

ХОЛ

– тепловая нагрузка холодильника;

Q

ДЕФ

– тепловая нагрузка дефлегматора.

Q

ДЕФ

=R⋅G

Д

⋅t

Д

. (58)

Q

ХОЛ

= G

Д

⋅c

Д

⋅(t

д

–t

к

д

) . (59)

Подставив уравнения (58) и (59) в (57), получим выражение для нахожде-

ния необходимого расхода воды:

)(

Н

В

К

ВВ

К

ДДДДДД

В

ttс

ttcGrGR

G

−⋅

−⋅⋅+⋅⋅

=

. (60)

8.11. Экстракция

8.11.1. Общие сведения

Экстракция представляет собой процесс извлечения одного или не-

скольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью растворителя

(экстрагента), обладающего избирательной способностью растворять только

те компоненты, которые необходимо выделить.

При экстракции из твердого тела (экстрагирование, выщелачивание)

имеются две фазы: жидкая и твердая. При

экстракции из жидкости обе фазы

жидкие. Процесс экстракции возможен только при условии тесного контакта

фаз между собой.

В настоящее время жидкостная экстракция применяется в химической

технологии, гидрометаллургии и аналитической химии для извлечения, разде-

136

ления, концентрирования и очистки веществ. Экстракционные процессы ис-

пользуются в производствах органических продуктов, антибиотиков, пищевых

продуктов и т.д.

8.11.2. Экстракция из жидких систем

В общем виде экстракцию из жидких систем можно представить сле-

дующим образом. В жидкости А растворен компонент В. Это означает, что

имеется двухкомпонентный раствор

А+В. Если к этому раствору добавить рас-

творитель (экстрагент) Д, который не растворяется и не смешивается с жидко-

стью А, но хорошо растворяет в себе компонент В, последний будет переходить

в растворитель. Концентрация компонента В в жидкости А при этом будет

уменьшаться. В реальных условиях компонент В не полностью перейдет

в экс-

трагент Д, какая-то его часть останется в жидкости А. Таким образом, компо-

нент В будет находиться в жидкости А и в экстрагенте Д.

Распределение компонента В в жидкости А и в экстрагенте Д

характери-

зуется соотношением:

А

Д

C

=ϕ

, (61)

где φ – опытный коэффициент распределения, зависящий от свойств жидкой

системы, температуры и концентрации;

С

Д

– концентрация компонента В в растворителе Д, кг/кг;

С

А

– концентрация компонента В в жидкости А, кг/кг.

Эффективность экстракции увеличивается с повышением значения φ, ко-

торое должно быть больше единицы.

В зависимости от цели проведения процесса могут применяться следую-

щие методы экстракции:

- однократное извлечение;

- многоступенчатое извлечение с подачей свежего растворителя на каждую

ступень;

- многоступенчатое извлечение с

использованием одного растворителя.

Наиболее простым методом экстракции является однократное извлечение

(рис.15). Исходный раствор F смешивается с экстрагентом Э в смесителе 1.

полученная смесь выдерживается там определенное время, обусловленное тех-

нологическими показателями, после чего разделяется в отстойнике 2 на экс-

тракт E и рафинат R.

При достаточной продолжительности процесса содержание извлекаемого

компонента в конечных продуктах будет приближаться к значениям равновес-

ной концентрации.

137

Материальный баланс этого метода экстракции в общем виде выглядит

следующим образом:

F+Э = R+Е. (62)

Материальный баланс процесса по ключевому компоненту:

REЭF

RXEXЭXFX

+

=

+

, (63)

где

X

F

,

Э

X

,

X

E

,

X

R

– массовая доля ключевого компонента в соответст-

вующих растворах.

После преобразований из последнего уравнения рассчитывают концен-

трации получаемого рафината, экстракта и степень извлечения целевого ком-

понента, соответственно:

X

bm

R

F

=+()1

;

X

m

X

bm

E

F

=+()1

; (64)

ϕ

ε

=+1

.

Исходный раствор F Экстрагент Э

Рафинат R

Экстракт Е

1 2

Рис. 15. Схема установки для проведения

однократного извлечения.

138

где

m

X

E

R

= **

– коэффициент распределения – отношение распреде-

ления равновесных содержаний целевого компонен-

та в экстракте к равновесному содержанию ключево-

го компонента в рафинате;

FЭb =

– массовое соотношение фаз;

ε

= bm

– экстракционный фактор.

Величина экстракционного фактора имеет важное технико - экономи-

ческое значение. Оптимальные значения данного фактора находятся в преде-

лах от 1,2 до 2,0. Эти значения соответствуют низкому содержанию целевого

компонента в рафинате и относительно низкой стоимости регенерации полу-

чаемого экстракта. Одним из недостатков данного метода является низкая

степень извлечения целевого

компонента из исходного раствора.

С целью получения рафината с высокой степенью очистки применяют

метод многократного извлечения с использованием свежего растворителя.

При данном методе образуется несколько экстрактов с различным содержа-

нием целевого компонента, при этом используется экстрагент, который не

требует регенерации и обладает малой стоимостью.

Наиболее часто в промышленности применяется метод

многократного

извлечения с использованием одного растворителя, который преследует цель

– получение высококонцентрированного экстракта с максимальным извлече-

нием целевых компонентов из исходного раствора. Данный метод осуществ-

ляется противоточно в системе смесителей – отстойников или в колонных

аппаратах.

8.11.3. Конструкции экстракторов

По принципу организации процесса экстракторы делятся на аппараты

периодического и непрерывного действия.

По

принципу действия экстракторы подразделяют на ступенчатые и

дифференциально - контактные.

В свою очередь ступенчатые экстракторы делят на смесительно-

отстойные и ящичные аппараты. Ступень таких аппаратов представляет со-

бой совокупность смесителя и отстойника.

К группе дифференциально - контактных аппаратов относят колонные

экстракторы. Наибольшее распространение из них получили распылитель-

ные, тарелочные и насадочные аппараты (

аппараты без подвода внешней

энергии), а также роторно-дисковые, пульсационные, центробежные аппара-

ты (аппараты с подводом внешней энергии).

139

8.11.4. Экстрагирование из твердых тел

Процесс экстрагирования в общем виде включает четыре основные стадии:

- проникновение экстрагента в поры частиц твердого тела;

- растворение целевого компонента;

- перенос экстрагируемого вещества из глубины твердой частицы к поверхно-

сти раздела фаз (внутренняя диффузия);

- перенос извлекаемого вещества от поверхности раздела фаз вглубь экстраген-

та (внешняя диффузия).

Движущей силой процесса является разность концентраций целевого

компонента в жидкости, заполняющей поры твердого тела, и в основной массе

экстрагента, находящегося в контакте с поверхностью твердых частиц.

Наиболее эффективно процесс экстракции осуществляется при противо-

точном движении фаз. Главным достоинством противоточного движения явля-

ется возможность достижения максимальной степени извлечения целевого

компонента из твердой фазы, с одновременным получением высококонцентри-

рованного экстракта. В случае прямотока концентрация ключевого компонен-

та в твердых частицах никогда не станет меньше конечной концентрации экст-

рагента независимо от продолжительности процесса. В это же время следует

отметить, что при противоточном движении фаз коэффициент массоотдачи ча-

ще всего имеет меньшие

величины, чем при прямотоке. Это объясняется ухуд-

шением условий смывания частиц жидкостью, что следовательно приводит к

уменьшению действительной поверхности частиц, участвующих в процессе.

В промышленных аппаратах, как правило, осуществляется комбинирован-

ный способ взаимодействия фаз, т.е. на отдельных участках аппарата или в от-

дельных стадиях процесса наблюдается прямоток (при высоких значениях

коэф-

фициента массоотдачи), а весь процесс в целом приближается к противотоку.

Кроме вышеперечисленных способов взаимодействия фаз существуют

также процессы идеального смешения по жидкой фазе и процессы в большом

объеме жидкости. Однако эти методы в промышленных аппаратах практически

не применяются.

8.11.5. Расчет процесса экстрагирования

В процессе экстрагирования сырье, перерабатываемое в химической

про-

мышленности, существенно меняет механические, теплофизические и другие

свойства. Поэтому, в настоящее время получил широкое распространение ин-

тервальный метод расчета, который заключается в том, что по продолжитель-

ности весь процесс разбивается на 10-20 и большее число интервалов. Целью

расчета процесса экстрагирования являются определение необходимой про-

должительности процесса для получения заданной степени

извлечения целево-

го компонента

ζ

= CC

K

H

из твердого тела - прямой (проектный) расчет

или определение конечных концентраций в фазах при заданной продолжитель-

ности процесса - обратный (

проверочный) расчет.

140

Методика прямого расчета выглядит следующим образом:

1. Выбирают продолжительность интервала.

2. По известным значениям размера частиц R, величинам коэффициентов моле-

кулярной диффузии D и массотдачи

β

рассчитывают критериальные уравне-

ния Fo и Bi для каждого интервала:

B

i

R

D=

β

- критерий Био; (65)

F

oDR=

τ

- диффузионный критерий Фурье. (66)

3. Задаются произвольным значением

ζ

н

и рассчитывают изменение концен-

трации на интервале, концентрацию целевого компонента в твердой и жид-

кой фазах.

4. Определяют предварительную степень извлечения целевого компонента из

твердого тела. Если расчетная степень извлечения целевого компонента не

соответствует заданной величине, то производят интерполяцию по времени.

5. Выполняют уточненный расчет процесса и определяют конечные концентра-

ции целевого компонента в экстракте и в твердом теле.

8.11.6. Методы интенсификации экстракционного процесса

Скорость протекания процесса экстрагирования, как и любого массооб-

менного процесса, прямо пропорциональна движущей силе процесса и обратно

пропорциональна диффузионному сопротивлению. Увеличить движущую силу

процесса можно двумя способами: применением противоточного метода дви-

жения взаимодействующих фаз, а также

повышением соотношения расхода

масс экстрагента и твердых частиц.

Эффективность процесса экстрагирования из твердого продукта обеспе-

чивают следующие условия:

1. Правильный подбор типа растворителя. Растворитель должен извлекать из

продукта только нужный компонент без посторонних примесей; полностью

удаляться из экстрагируемого продукта; не должен вызывать коррозии аппара-

туры. В качестве экстрагентов используют воду, бензин

, этиловый спирт, аце-

тон, дихлорэтан.

2. Достижение необходимой степени измельчения продукта, что приводит к

увеличению поверхности контакта.

3. Создание оптимальных температурных условий. Повышение температуры

ведет к увеличению скорости внутренней диффузии.

4. Создание нужного давления. Повышение давления в системе приводит к

увеличению выхода экстрагируемых веществ.

5. Достаточное количество растворителя и соблюдение

оптимальной продол-

жительности процесса.

6. Организация направленного движения фаз.

Иванец В.Н., Бородулин Д.М. Процессы и аппараты химической технологии

Подождите немного. Документ загружается.