Васютинский С.Ю. Теоретические основы разделения смесей. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования

и науки Украины

Одесская государственная академия

холода

Кафедра криогенной техники

С.Ю. Васютинский

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для студентов специальности 7.090507

«Криогенная техника и технология»

Одесса-2003

Составитель: Васютинский Сергей Юрьевич, к.т.н., доцент кафедры

криогенной техники.

Под редакцией д.т.н., профессора Наера Вячеслава Андреевича.

Описаны основные методы разделения смесей, подробно рассмотрены

теоретические основы всех испарительных методов разделения, проведен анализ их

основных достоинств, недостатков, предпочтительных областей применения,

приведены основные диаграммы бинарных растворов, как способ представления

свойств бинарных смесей. Главное внимание уделено ректификации, как наиболее

широко применяемому методу разделения воздуха и других смесей. Подробно описаны

два основных метода расчета процесса ректификации бинарных смесей - метод

МакКэба и Тиле и Поншона-Бошняковича. Каждый из методов рассмотрен на примерах

расчета конкретных воздухоразделительных колонн. Приведены основные способы

представления свойств трехкомпонентньк смесей на плоскости. Подробно

рассмотрены три основных метода расчета ректификации трехкомпонентных смесей:

методы Наринского, Столпера, Льюиса-Мачесона. Значительное внимание уделено

сорбции, как перспективному методу разделения смесей, приведены теоретические

основы процесса разделения с помощью сорбции.

В предлагаемом учебном пособии широко используются материалы ряда

учебников, в частности, «Криогенные системы», Архаров А.М. и др.

Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 7.090507

«Криогенная техника и технология», рассмотрен на заседании кафедры криогенной

техники, протокол № 4 от 14 ноября 2002 года и утвержден методической комиссией

института низкотемпературной техники.

Председатель методической комиссии,

д.т.н. профессор Т.В. Морозюк

Компьютерный набор и верстка вьшолнены Скрыпником С.Д. и Васютинским С.Ю.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

/Л - молекулярная масса

У^ - массовая концентрация

Х^ - мольная концентрация

- объемная концентрация

(р - химический потенциал

к^ - коэффициент скорости массопередачи г-го компонента смеси

^^см ' изменение энтальпии смеси в процессе смешения

^^см ' изменение объема смеси в прцессе смешения

Р^ - парциальное давление г'-го компонента раствора

Р^^ - давление насыщенного пара г'-го компонента раствора

СС -доля вьшипевшей жидкости (сконденсировавшегося пара) в

испарительных процессах

- коэффициент разделения смеси газов (относительная летучесть)

у/ - степень сухости потока

X - концентрация жидкой фазы

У • концен'грация паровой фазы

У - равновесная концентрация паровой фазы

К - скрытая теплота парообразования

С - количество пара

§ - количество жидкости

- удельная тепловая нагрузка испарителя

^^ - удельная тепловая нагрузка конденсатора

Етп - коэффициент эффективности тарелки

Л тар

общий коэффициент эффективности тарелки (КПД тарелки)

П - полюс ректификации (^ - абсцисса, I - ордината)

Р - степень извлечения компонента из смеси

вр - величина, характеризующая агрегатное состояние смеси

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Атмосферный воздух. Применение продуктов его разделения 9

1.1. Состав воздуха. Применение продуктов его разделения 9

1.2. Области применения продуктов разделения воздуха__ 11

2. Разделение смесей

2.1. Способы разделения смесей — 15

2.2. Общее понятие о растворах 15

2.3. Условие равновесия фаз 1'''

2.4. Правило фаз Гиббса. Равновесные состояния. Фазовые переходы 19

2.5. Основные законы идеальных растворов 20

2.5.1. Закон Дальтона и Рауля_ 21

2.5.2. Равновесные составы пара и жидкости в бинарных системах 22

2.6. Диаграммы бинарньк систем 24

2.7. Минимальная работа разделения смеси 29

3. Процессы испарения, конденсации, дефлегмации бинарных систем 32

3.1. Простое испарение бинарной смеси 32

3.2. Простая конденсация бинарной смеси __34

3.3. Фракционированное испарение бинарной смеси 36

3.4. Фракционированная конденсация бинарной смеси 38

3.5. Поточное испарение бинарной смеси 40

3.6. Поточная конденсация бинарной смеси _42

З.У.Дефлегмация бинарной смеси 44

4. Ректификация 49

4.1. Общее понятие о процессе 49

4.2. Основные методы расчета ректификации бинарных смесей 54

4.2.1. Метод Поншона-Бошняковича 54

4.2.2. Метод МакКэба и Тиле 58

4.3. Расчет секций ректификационных колонн 61

4.3.1. Понятие о секциях ректификационных колонн 61

4.3.2. Расчет процесса ректификации в укрепляющей

(концентрационной) секции в диаграмме г

—

х,у 62

4.3.3. Расчет процесса ректификации в отгонной

(исчерпывающей) секции в диаграмме I

—

х,у 64

4.3.4. Расчет процесса ректификации в колонне, состоящей

из укрепляющей и отгонной секций 65

4.4. Схемы ректификационных колонн для разделения воздуха 67

4.4.1. Колонна однократной ректификации для получения кислорода 67

4.4.2. Колонна однократной ректификации для получения азота 70

4.4.3. Колонна двукратной ректификации воздуха для его полного

разделения 11

4.4.3.1. Одновременное получение чистых компонентов. Отвод

аргонной фракции 74

5. Методы расчета ректификации тройных смесей 76

5.1. Трехкомпонентные смеси. Способы представления их свойств 76

5.2. Расчет ректификации тройной смеси по методу Наринского 80

5.3. Расчет ректификации тройной смеси по методу Столпера 86

5.4. Расчет ректификации тройной смеси по методу Льюиса-Мачесона 91

6. Сорбционные и другие методы разделения смесей 96

6.1. Сущность сорбции. Основные понятия 96

6.2. Типы адсорбентов 97

6.3. Теоретические основы разделения газовых смесей с помощью адсорбции 98

6.3.1. Основные уравнения равновесной адсорбции индивидуального

вещества 99

6.3.2. Равновесная адсорбция многокомпонентных смесей веществ 103

6.4. О применении процессов сорбции в криогенной технике и технике

разделения смесей .104

6.4.1. Осушка газов

6.4.2. Низкотемпературная адсорбционная очистка газов 105

6.4.3. Сорбционный метод разделения газов 106

6.4.4. Адсорбционная откачка 107

6.4.5. Капсулирование газов_ 108

6.5. Некоторые другие методы разделения смесей 109

7. Список основной литературы 112

8. Список дополнительной литературы 113

ВВЕДЕНИЕ

в переводе с греческого «крио» означает холод, «генос» - рождение. В наши дни

под криогеникой понимают не всю холодильную технику и технологию, а те их

области, которые связаны с получением или использованием температур ниже 120 К

(по решению ХШ Конгресса по холоду в 1971 году). Таким образом, криогеника - это

техника создания и применения наиболее низких температур, которые в естественных

условиях Земли не наблюдаются.

Криогеника сегодня сохраняет и в обозримой перспективе будет сохранять свое

значение «ключа к будущему». Спрос на мировом рьшке на промышленные газы (азот,

кислород, аргон, ксенон, криптон, гелий, неон, метан, водород и др.), которые являются

продуктами криогенных технологий, продолжает расти. Быстро увеличивается

потребность в особо чистых промьш1ленных газах, с содержанием примесей на уровне

10-50 ррв. Это примерно на три порядка меньше, чем в недалеком прошлом. Широкое

использование продуктов разделения в космических программах, авиации, энергетике,

на транспорте - новый этап на пути развития криогенных систем.

Сьфьем в разделительных установках могут быть: воздух, коксовый газ, нефтяной

газ, газ синтеза аммиака, и другие смеси. Процесс разделения газовых смесей дает

возможность извлечь и использовать отдельные компоненты (кислород, азот, метан,

аргон, криптон, ксенон, гелий, водород, метан и др. ) в соответствии с их физико-

химическими свойствами и современными требованиями химической технологии. В

настоящее время техника разделения газовых смесей достигла значительной степени

совершенства. Современная техника разделения газовых смесей позволяет выделить из

них любой компонент, который необходим для дальнейшего рационального

использования.

Одним из распространенных объектов для техники разделения газовых смесей

является атмосферный воздух, который является сьфьем для получения таких

промышленных газов, как кислород, азот, аргон, неон криптон, ксенон. Быстрое

развитие кислородного машиностроения обусловлено высокой эффективностью

использования кислорода, а также других продуктов разделения воздуха во многих

важнейших отраслях современной техники.

Темпы ежегодного прироста производства важнейших промышленных газов в

мире в 1,2-1,4 раза превышают прирост любых других видов продукции.

Промьппленное производство этих газов осуществляется на воздухоразделительных

установках (ВРУ) - сложных технических системах, включающих оборудование для

сжатия атмосферного воздуха, его очистки от влаги, двуокиси углерода,

взрывоопасных примесей; теплообменные аппараты для охлаждения воздуха до

криогенньк температур и нагрева продуктов разделения; ректификационные колонны и

конденсаторы-испарители; криогенные насосы и т.п. Станцию разделения воздуха

также комплектуют компрессорами для сжатия продуктов разделения и подачи их

потребителю, ресиверами и криогенными резервуарами для хранения продуктов

разделения воздуха в газообразном и жидком состояниях и другим оборудованием.

Настоящий курс ТОРС является первым из трех курсов, посвященных

установкам разделения смесей и читаемых в ОГАХ для студентов специальности

7.090507 «Криогенная техника и технология». Он рассматривает основные способы,

особенности и закономерности процессов разделения смесей различными методами, в

том числе низкотемпературными.

Техника разделения смесей прошла долгий путь развития, начиная с работ К.

Линде и до последних работ по производству сверхчистых газов. Ниже представлены

основные достижения техники разделения смесей.

Таблица

В.1

Этапы развития воздухоразделительной техники

Год

Исследователь, страна, достижение

1902 г.

К.Линде построил колонну однократной ректификации.

1902-1906 г.

Ж. .Клод усовершенствовал процесс разделения воздуха в

ректификационной колонне с дефлегматором.

1907 г.

К.Линде разработал и осуществил процесс разделения воздуха

в колонне двукратной ректификации.

1907-1909 г.

Мессер в Германии использовал в установках разделения воздуха

уходящий сухой азот для предварительного (азотоводяного)

охлаждения сжатого воздуха, понизив его температуру на 10 К.

1915 г. К. Линде впервые получил аргон ректификацией аргонной фракции,

отбираемой из верхней колонны.

1918 г. В Германии и Франции созданы воздухоразделительные установки,

производительностью 250 м'/час. В Бельгии на сталеплавильных

заводах опробован способ обогащения дутья кислородом.

1921-1925 г.

Освоение производства криптона из воздуха.

1926 г. Фирма «Линде» применила регенераторы в воздухоразделительных

установках.

1930-1935 г.

Производительность установок достигла 3500-5000 м^/час

технологического кислорода.

1932 г.

Фирма «Линде» применила в воздухоразделительных установках

турбодетандеры активного типа.

1937-1939 г.

Академик П.Л. Капица в СССР создал высокоэффективный активно-

реактивный турбодетандер, что позволило построить установки на

основе цикла одного низкого давления.

1950-1955 г.

Производительность установок для получения технологического

кислорода достигла 15000 м^/час, ожижителей гелия - 50 л/час.

.,1.954 г. Дж. Келлер и К. Джонкерс в лабораториях фирмы «Филипс»

(Голландия) создали эффективную газовую холодильную машину,

работающую по обратному циклу Стирлинга для ожижения воздуха, а

также ряд установок с этими машинами для разделения воздуха.

1960-1965 г.

Производительность установок для получения технологического

кислорода достигла 30000 м'/ч, мVч, гелия -150 л/ч.

1970-1975 г.

Производительность установок для получения технологического

кислорода достигла 60000-70000 м'/ч, ожижителей гелия - 800-2000

л/час.

1982-1984 г.

Профессор Г.А. Головко в СССР разработал ректификационно-

адсорбционный метод промышленного производства аргона особой

чистоты (объемное содержание 99,99995%).

1987-1990 г.

В МВТУ им. Н.Э. Баумана в СССР разработана технология очистки

воздуха от радиоактивного

1989-1991 г.

Фирмой РКАХА1К в США создано новое поколение крупных

воздухоразделительных установок; адиабатный КПД

т>'рбодетандеров этих установок достигает 91-92 %; развиваемая

мощность используется для дожатия рабочего потока воздуха.

1993-1995 г.

Чистота продуктов разделения воздуха достигла 1-10 ррЪ

1. АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ. ПРИМЕНЕНИЕ

ПРОДУКТОВ ЕГО РАЗДЕЛЕНИЯ

1.1 . Состав воздуха. Основные продукты его разделения [10]

Состав атмосферного воздуха (табл. 1.1) не постоянен - содержание компонентов

зависит от географической широты, высоты над поверхностью Земли, солнечной

активности и других факторов. Неодинакова и загрязненность воздушного бассейна -

содержание примесей может меняться, например, под влиянием метеоусловий.

Таблица 1.1 Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли

Компонент

Доля компонента в

воздухе, %

Нормальная

температура кипения,

Молярная

масса

Компонент

Объемная * массовая

Нормальная

температура кипения,

Молярная

масса

Азот

78,09

75,52 77,36

28,016

Кислород О2 20,95 23,15 90,19

32,00

Аргон Аг

0,93

1,28

87,29 39,994

Двуокись углерода СО2

0,03 0,05 194,60 44,010

Неон N6

0,18-10-' 1,25-10-' 27,11

20,183

Гелии ^Не 5,24-10"'

0,72-10-" 4,22 4,003

Ацетилен и другие

высококипящие

углеводороды

2,03-10-^ 1,28-10^

Метан СН4 1,5-10-"

0,8-10-"

111,70

Криптон Кг

1,1410-" 3,3-10-" 119,80 83,80

Водород Нг 0,5-10-"

0,035-10-"

20,39

2,016

Закись азота

0,5-10-" 0,8-10"' 184,60

Ксенон Хе 0,08-10-"

0,36-10-" 165,05 131,3

Озон Оз

0,1-10-' 0,015-10-" 161,25 48,00

Радон Кп

6-10-'» 4,5-10-"

211,35

Содержание в атмосферном воздухе водяных паров зависит от температуры (табл.

1.2). Важным обстоятельством является также и то, что при сжатии воздуха

содержание в нем водяного пара уменьшается (рис. 1.1).

Таблица 1.2 Содержание влаги в атмосферном воздухе при полном насьпцении в

Темпе- Влаго-

Темпе-

Влаго- Темпе- Влаго- Темпе- Влаго-

ратура

содер- ратура содер-

ратура содер- ратура содер-

возду-

жание, возду-

жание. возду- жание. возду- жание.

ха, °С

г/кг

ха, "С

г/кг

ха, °С

г/кг

ха, "С

г/кг

-90 0,00082 -55 0,013 -25 0,39 5 5,313

-80 0,00032

-50 0.024 -20 063

10 7,48

-75 0.00073 -45 0.043 -15 1.01 15 10.35

-70 0,00163 -40 0,077 -10

1,59

20 14,17

-65 0,00286 -35 0.133 -5 1,70 25 19,07

-60 0,00695 -30

0,229

0 3,73 30 25,40

'''В идеальном газовом состоянии значения объемных и мольных долей равны.

сГ,дг/кг

ч, \

\ \

\ ч

г »

ч ^

г »

ч,

ч.

ч,

Л".

ч,

ч.

ю''г 4 е вю° г ^ в ею' г Рс^.мпа

Рис.

1.1

Зависимость влагосодержания воздуха при полном насыщении от

температуры и давления

Основными продуктами разделения предварительно осушенного воздуха в

современных ВРУ являются следующие так называемые промьппленные газы:

кислород технический, 99,2—99,7 % (1-й сорт - 99,7 %; 2-й — 99,5 %, 3-й —99,2 %) и

технологический, 92 ... 98 % (в среднем 95 %);

азот особой чистоты (не менее 99,996 %), высшего сорта (99,994 %), 1-го сорта

(99,5 %), 2-го (99 %) и 3-го (97 %);

аргон высшего сорта (99,993 %), первого сорта (99,987 %); сырой(86—90 %),

содержащий до 4 % Ог и до 10 % N2, технический (86 ... 88 %) с примесью 12—14 %

азота;

первичный криптоноксеноновый концентрат (объемная доля криптона и ксенона

до 0,2 %);

неоногелиевая смесь (объемная доля неона и гелия до 40 ... 60 %; иногда до 95 ... 98%).

Очистку сырого аргона от кислорода осуществляют методом каталитического

гидрирования при 450 °С в специальных установках вне блока разделения. После

очистки от кислорода технический аргон возвращается на ректификацию в блок

разделения ВРУ для очистки от азота. При проектировании ВРУ нового поколения

предусматривают очистку аргона от кислорода методами низкотемпературной

ректификации и адсорбции. При этом весь процесс комплексного разделения воздуха

становится технологически единым и более безопасным по условиям эксплуатации, так