Rectificare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 23 noiembrie 2019; verificările necesită 17 modificări .

Rectificarea (din latină rectus - direct și facio - eu) este procesul de separare a amestecurilor binare sau multicomponente datorită transferului de masă în contracurent între vapori și lichid. Rectificarea este separarea amestecurilor lichide în componente practic pure, care diferă în punctele de fierbere, prin evaporarea repetată a lichidului și condensarea vaporilor.

Aplicație

Rectificarea este utilizată pe scară largă în industrie, de exemplu, pentru producerea de etanol cu separarea uleiurilor de fuel și a fracțiunilor aldehidice, pentru separarea benzinelor , kerosenilor și a altor fracțiuni din petrol , precum și pentru producerea de componente ale aerului ( oxigen , azot , gaze inerte ).

Rectificarea se realizează în aparate cu coloană turn echipate cu dispozitive de contact (tavi sau ambalaje) - coloane de distilare , în care se realizează contact multiplu între fluxurile de vapori și fazele lichide. Forța motrice a redresării este diferența dintre concentrațiile reale (de lucru) ale componentelor în faza de vapori și concentrațiile de echilibru pentru o anumită compoziție a fazei lichide. Sistemul vapor-lichid se străduiește să atingă o stare de echilibru. La contactul cu un lichid, vaporii sunt îmbogățiți cu componente volatile (cu fierbere scăzută) - NK, iar lichidul - cu componente slab volatile (cu fierbere ridicată) - VK. Lichidul și vaporii se mișcă în contracurent: vaporii se mișcă în sus, lichidul se mișcă în jos, prin urmare, cu o înălțime a coloanei suficient de mare în partea sa superioară, se poate obține o componentă țintă aproape pură. În funcție de proces, o astfel de componentă poate fi fie o substanță, fie un amestec azeotrop .

În funcție de punctele de fierbere ale lichidelor care urmează să fie separate, rectificarea se efectuează sub diferite presiuni: atmosferică - pentru fierbere la 30-150 ° C, peste cea atmosferică - pentru lichide cu puncte de fierbere scăzute, de exemplu, gaze lichefiate, în vid - pentru a reduce punctele de fierbere ale gazelor cu punct de fierbere ridicat. Rectificarea poate fi efectuată continuu sau periodic. Coloanele pentru distilare continuă sunt formate din două etape: cea superioară, de întărire, în care vaporii sunt „întăriți” - îmbogățiți cu NK, și inferioare - exhaustive, în care amestecul lichid este epuizat - din acesta se extrage NK și se îmbogățește cu NK. VC. Cu rectificarea periodică, numai aburul este întărit în coloană. Există rectificarea amestecurilor binare (cu două componente) și multicomponente.

Calculul procesului de rectificare

Calcul manual (grafic)

Calculul manual corect al procesului de rectificare este posibil numai pentru sisteme binare. Pentru a face acest lucru, conform datelor experimentale, se construiește o diagramă de fază vapor-lichid, pe care este trasată linia de lucru a procesului (un proces periodic este prezentat în figură) dintr-un punct de pe diagonală (linia lichidă) corespunzătoare la compoziția distilatului la linia de ordonată în punctul , $x_{d)$ $B$

B={\frac {x_{p}}{R+1}}

, unde - numărul de flegmă, , - flegmă, - selecția distilatului.

R

R={\frac {F}{D)}

F

D

Din punctul corespunzător concentrației inițiale a amestecului distilat (lichid), se construiește un segment vertical de la linia de lucru până la intersecția cu linia de abur și apoi un segment orizontal până la intersecția cu linia de lucru (aceasta este așa- numită „etapă de separare” – o astfel de metodă de calcul a fost introdusă prin acest termen). În plus, construcția se repetă până la punctul , raportul de reflux și numărul total de etape de separare sunt minimul necesar pentru a obține un distilat dintr-o compoziție dată, etapele de separare sunt presupuse a fi ideale, cu eficiență . Retentie de lichide 100% si infinitezimala pe placa. În acest caz, compoziția lichidului din cub se schimbă constant pe măsură ce componenta volatilă este îndepărtată. Metoda de calcul este descrisă în detaliu în [1] , dar acum este considerată învechită, deoarece. nu permite calcularea corectă și, în consecință, după un timp arbitrar . $x_{p)$ $x_{d)$ $x_{p)$ $x_{d)$ $t$

Calcularea mașinii

În calculul mașinii, concentrațiile inițiale ale componentelor pe plăci și în cub, toți ceilalți parametri ai procesului sunt setate, iar concentrațiile componentelor din coloană sunt calculate după un interval de timp arbitrar.

Calcul material

Majoritatea metodelor se bazează pe modelul teoretic al plăcii , din bilanțul material al căruia rezultă: .

${\frac {\mathrm {d} x_{i,\;k}}{\mathrm {d} t}}={\frac {F(x_{i,\;k+1}-x_{ i,\;k})+V(y_{i,\;k-1}-y_{i,\;k})}{L}}$

(unu)

Aceasta este ecuația tăvii a părții de fracționare a coloanei de lot pentru componenta de pe tavă . $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

${\frac {\mathrm {d} x_{i,\;k)}{\mathrm {d} t))={\frac {F(y_{i,\;k}-x_{i, \;k})+V(y_{i,\;k-1}-y_{i,\;k})}{L}}$

(2)

Ecuațiile unui cub - evaporator ( ) $k=1$

${\frac {\mathrm {d} x_{i,\;k}}{\mathrm {d} t}}={\frac {F(x_{i,\;k+1}) -V (y_{i,\;k})}{LK-(VF)t}}$

(3)

Ecuații de colectare:

${\frac {\mathrm {d} x_{i,\;k)}{\mathrm {d} t))={\frac {(VF)(y_{i,\;k-1}- x_{i,\;k})}{LD+(VF)t}}$

(patru)

Unde

x_{i,\;k)

- concentraţia componentului în lichidul de pe placă , fracţii molare ;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

y_{i,\;k)

, - se are în vedere concentrația componentului în vapori de pe placă , ppm;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

F

- se stabilește flegma, numărul de moli pe unitatea de timp;

V

- se stabileste aburul, numarul de moli pe unitatea de timp;

L

- se stabilește retenția de lichid pe placă, Mol

LD

- se da cantitatea initiala de lichid din colectie, Mol

LK

- se dă cantitatea inițială de lichid din cub, Mole

t

- timpul total de proces (dimensiune arbitrară, poate sec, min, oră, lună). și sunt date în aceleași unități.

F

V

Derivarea ecuațiilor (1 - 4)

Bilanțul material al plăcii presupune respectarea unei simple condiții: pe placă
era o componentă + a venit în timp = stânga + stânga. Acestea. pentru placa piesei de rectificare a coloanei $i$ $k$ $dt$

Lx_{i,\;k}+Vy_{i,\;k-1}dt+Fx_{i,\;k+1}dt=L(x_{i,\;k}+dx_{i ,\;k})+V(y_{i,\;k}+dy_{i,\;k})dt+F(x_{i,\;k}+dx_{i,\;k})dt

Ecuațiile plăcii superioare sunt similare, ținând cont de faptul că compoziția refluxului de intrare este egală cu compoziția vaporilor de ieșire.
Bilanțul material al cubului : în momentul de față a existat o componentă + primită în timpul : $(k=1)$ $t$ $i$ $dt$

(LK-(VF)t)x_{i,\;k}+Fx_{i,\;k+1}dt

Rămâneți în cub după timp + consum de abur din cub pentru același timp $dt$

(LK-(VF)(t+dt))(x_{i,\;k}+dx_{i,\;k})+(V(y_{i,\;k}+dy_{i ,\;k})dt

Bilanțul material al colecției la momentul actual : $t$

(LD+(VF)t)x_{i,\;k}+(VF)y_{i,\;k-1}dt=(LD+(VF)(t+dt)(x_{i,\ ;k}+dx_{i,\;k})

Ecuațiile ( 1 - 4 ) sunt derivate din aceste egalități (neglijând și ). Sunt derivate și ecuațiile pentru coloana continuă, în timp ce ecuațiile părții de întărire coincid cu ( 1 ), iar ecuațiile părții exhaustive includ și puterea coloanei. $\mathbf {dx\cdot dt}$ $\mathbf {dy\cdot dt}$

Modelul matematic al unei instalații de distilare cu acțiune periodică este un sistem de astfel de ecuații, unde este numărul de componente, este numărul de plăci ale părții de rectificare a coloanei. La acestea se adaugă ecuațiile cubului vaporizatorului și același număr de ecuații ale colecției, toate ecuațiile . $\mathbf {n\cdot m}$ $\mathbf {n}$ ${\mathbf {m}}$ $\mathbf {n}$ $\mathbf {n\cdot (m+2)}$

Acest sistem este integrat în timp folosind programe standard de bibliotecă, de ex. IMSL

În ecuațiile (1 - 4) , concentrațiile componentelor din vapori sunt necunoscute. Calcularea lor corectă în cazul general este imposibilă, metodele adecvate de calcul aproximative sunt un secret comercial. Pentru amestecurile care se abate ușor de la legea lui Raoult, calculul concentrațiilor de echilibru ale componentelor dintr-un vapor este simplu. Iar pentru amestecurile care se abat de la legea lui Raoult, incl. azeotrop (de exemplu, etanol - apă), un astfel de calcul poate fi util pentru evaluarea dinamicii modificărilor concentrațiilor de impurități.
Calculul se bazează pe legea lui Raoult și legea lui Dalton .

y_{i,\;k}^{*}={\frac {P_{i,\;k}}{P_{k)))

Unde

y_{i,\;k}^{*}

concentraţiile de echilibru ale componentului în vapori pe o placă

\mathbf{i}

\mathbf {k}

P_{i,\;k)

- presiunea parțială a componentei pe placă

\mathbf{i}

\mathbf {k}

P_{k}

- presiune absolută pe placă,

P_{k}=P_{a}+P_{g}+P_{d)

P_a

- Presiunea atmosferică;

P_{g}

- presiunea coloanei de lichid deasupra plăcii

\mathbf {k}

P_d

- presiune suplimentară necesară pentru a depăși rezistența aerodinamică a dispozitivelor de transfer de masă ale coloanei.

În cele mai multe cazuri, ultimul termen poate fi neglijat fără a crește eroarea totală de calcul.
Presiunea parțială a componentei pe placă $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

P_{i,\;k}=P_{i,\;k}^{0}x_{i,\;k)

Unde

P_{i,\;k}^{0}

- presiunea unei componente pure la o temperatură pe o placă , se calculează conform ecuației lui Antoine

\mathbf{i}

\mathbf {k}

\log _{10}P_{i,\;k}^{0}=A-{\frac {B}{C+T_{k)}}.

Coeficienții ecuației pentru multe substanțe sunt dați în [2] . Dar în această ecuație, necunoscuta este temperatura de pe placă . Se găsește din stare $A,B,C$ $T_{k)$

\sum _{i=1}^{n}{P_{i,\;k}}={P_{k}}

, adică pentru placa , sunt luate în considerare rădăcinile ecuației

\mathbf {k}

f(T)=\sum _{i=1}^{n}{P_{i,\;k}}-{P_{k}}=0

,acestea. ei găsesc o astfel de temperatură la care suma presiunilor parțiale ale componentelor de pe placă devine egală cu presiunea absolută, după care se calculează concentrațiile de echilibru ale componentelor de pe placă și, ținând cont de eficiență. placile functioneaza. Sub eficiență plăci aici este înțeles ca raportul dintre diferența dintre concentrațiile componentelor din lichid și din vapori și cel teoretic posibil:

\eta ={\frac {y_{i,\;k}-x_{i,\;k}}{y_{i,\;k}^{*}-x_{i,\;k} }}

Astfel, toate părțile corecte ale ecuațiilor (1 - 4) devin cunoscute , pentru calcul este necesară și setarea concentrațiilor inițiale ale componentelor pe plăci.

Un exemplu de utilizare a acestei abordări pentru a rezolva o problemă practică este dat în articolul [3] .

Calcul termic

Nerespectarea bilanţului termic al plăcii duce la o creştere (adesea semnificativă) a erorii de calcul. Avantajul calculului automat (comparativ cu calculul manual) este disponibilitatea unei astfel de oportunități. Bilanțul termic al plăcii (precum și cel al materialelor) se bazează pe egalitatea necesară a căldurii furnizate plăcii și consumate pe aceasta.

Căldura intră în farfurie (următorul ) $Qp_{k)$

cu abur mai fierbinte din farfuria anterioară;
degajate în timpul condensării vaporilor proveniţi din placa anterioară

Căldura este cheltuită pe o farfurie (mai departe ) $Qr_{k)$

a încălzi flegma mai rece venită de sus;
pentru vaporizare
pentru pierderi de căldură (în continuare ) $Ql$

Inegalitatea acestor călduri duce la o modificare a fluxului material al aburului, deoarece nu există alte surse de căldură pe placă, în timp ce (excluzând pierderile de căldură) bilanțul de căldură al plăcii, cu rare excepții, este pozitiv, placa primește mai multă căldură decât se consumă din ea din următoarele motive:

cand coloana este actionata cu un numar de reflux infinit, aburul de pe tava se imbogateste cu o componenta mai volatila fata de vaporii proveniti din tava de dedesubt. Modelul teoretic al plăcii presupune utilizarea concentrațiilor molare, iar căldura molară de vaporizare a componentelor volatile este întotdeauna mai mică decât a celor mai puțin volatile (în seria omoloagă, dar această regulă, cu rare excepții, este valabilă și pentru amestecurile eterogene).
când coloana funcționează cu un raport de reflux finit (cu excepția articolului 1), mai mult abur fierbinte intră în placă decât reflux rece și diferența de temperatură pe plăci, în medie, pe coloană, este aceeași.

Singura cantitate care se poate modifica pe o farfurie cu un echilibru termic diferit de zero este debitul de abur. Dacă balanța termică a plăcii este pozitivă, se formează o cantitate suplimentară de abur pe placă , dacă este negativă, atunci , în timp ce bilanțul materialului trebuie respectat, o modificare a fluxului de abur de pe placă modifică și debitul de flegmă din ea (dar această modificare nu afectează echilibrul termic al plăcii). $\delta V_{k)$ $-\delta V_{k)$

Calculul bilanţului termic al tăvilor pentru întreaga coloană presupune găsirea celor la care bilanţurile termice ale tuturor tăvilor vor fi zero. Dar bilanțele de căldură ale plăcilor sunt interconectate, nu pot fi calculate separat. Pentru calcul, este compilat un sistem de ecuații de forma , și $\delta V_{k)$ $f_{k}\left(\delta V_{k}\right)=Qp_{k}-Qr_{k}=0$ $k=1,..\mathbf {m}$

Qp_{k}=(V+\delta V_{k-1})(Cp_{k-1}(t_{k-1}-t_{k})+H_{k-1})

Qr_{k}=(F+\delta F_{k+1})(Cl_{k+1}(t_{k}-t_{k+1}))+(V+\delta V_{k}) H_{k}+Ql_{k}

\delta F_{k}=\delta F_{k+1}+\delta V_{k-1}-\delta V_{k)

F=VD

F

- flegmă care intră în coloană din condensatorul de reflux, mol pe unitatea de timp;

V

- abur care intră în coloană din cubul evaporator, mol pe unitatea de timp;

D

- selectarea distilatului, mol pe unitatea de timp;

Cp_{k},Cl_{k)

- capacitatea termică a aburului, lichid pe o farfurie , J*mol/grad;

k

H_{k}

- căldură de vaporizare (condensare) aburului pe o placă , J*mol;

k

t_k

- temperatura pe farfurie , deg.

k

Ql_{k)

- pierderile de caldura pe placa in unitati de putere, J pe unitatea de timp.

k

\delta F_{k},\delta V_{k)

- modificarea fluxului de flegmă, abur pe o farfurie , mol pe unitatea de timp.

k

Placa superioară primește flegmă de aceeași compoziție cu aburul de ieșire și aceeași temperatură, acest flux nu afectează echilibrul termic (diferența de temperatură este zero), valoarea fluxului de flegmă de la deflegmator către placa superioară este egală cu și în mod formal nu depinde de (pe placa superioară lichidul intră într-o cantitate egală cu cantitatea de abur ieșit minus extracție ), dar îndeplinirea condiției trebuie întotdeauna verificată . Aburul intră în farfuria inferioară în cantitate ( ). Bilanțul termic al cubului de evaporator nu este luat în considerare, deoarece se presupune că cubul primește căldură în cantitatea necesară pentru a evapora un mol de vapori. $(k=\mathbf {m} )$ $F$ $\delta V_{m)$ $F+\delta V_{m}=V+\delta V_{m}-D$ $V+\delta V_{m}>D$
$(k=1)$ $V$ $\delta V_{0}=0$ $V$

Calculul termic se efectuează după calcularea temperaturii de pe plăci și a concentrațiilor componentelor în vapori și înainte de calcularea părților corecte ale ecuațiilor (1 - 4) , care necesită setarea fluxurilor de material, ținând cont de corecțiile calculate ( neindicate în ecuaţiile (1 - 4) ).

Capacitatea termică și căldura de vaporizare a amestecului sunt aditive cu suficientă precizie pentru calcule .

Sistemul de ecuații neliniare este de asemenea rezolvat folosind programe standard. $f_{k}$

Dezavantajul metodei este complexitatea mare de calcul .

Valorile inițiale ale concentrațiilor

În cazul rectificării periodice, înainte de începerea extracției distilate, se recomandă operarea coloanei cu un număr de reflux infinit pentru concentrația cât mai mare de impurități volatile. Același lucru se face și în calculele mașinii: acestea sunt stabilite prin concentrații inițiale arbitrare de lichid pe plăci (de obicei egale cu concentrațiile lor în cub) cu fluxuri egale de flegmă și abur. Rezultatele calculului (concentrațiile componentelor din coloană, calculate pentru timp ) se vor apropia asimptotic de o anumită stare staționară, dar un astfel de calcul necesită un timp de calcul mare și nu este necesar - suficient de stabil trei cifre semnificative. De asemenea, nu puteți seta o valoare nulă , altfel va fi generată o eroare de rulare . Pentru a elimina această eroare, acestea sunt setate la o valoare diferită de zero cu concentrații arbitrare de componente și, la sfârșitul calculului, numărul de componente specificat inițial este scăzut din cel calculat. $t_{1}<t_{2}<t_{3)$
$LD$ $LD$

Verificarea corectitudinii calculului

Cea mai simplă (dar nu cea mai rapidă) modalitate de a verifica corectitudinea calculelor este calculul menționat mai sus cu un număr infinit de reflux (debitul de vapori este egal cu debitul de reflux). Dacă există erori în program, atunci rezultatul calculării concentrațiilor componentelor din coloana pentru diferite at nu va fi constant. În plus, următoarele condiții trebuie îndeplinite în orice moment : $t$ $t\la \infty$
$t$

Bilanțul material al coloanei: cantitatea totală a fiecărei componente, dată inițial (în cub, pe plăci și în colector) trebuie să fie egală cu cantitatea totală a fiecărei componente la finalul calculului.
Suma concentrațiilor componentelor din lichid și din vapori (în cub și pe fiecare placă) trebuie să fie egală cu unu.

Desigur, corectitudinea modelului nu înseamnă că acesta va corespunde exact procesului real - ipotezele făcute la calcularea concentrațiilor de echilibru ale componentelor din vapori cresc eroarea de calcul. Eroarea este afectată (dar într-o măsură mai mică) și de lipsa de luare în considerare a echilibrului termic al plăcii. O altă sursă de eroare este supraestimarea eficienței dispozitivelor de transfer de masă ale coloanei (Eficiența tăvilor - pentru coloane cu tăvi sau ambalare - pentru coloane ambalate). Aceste erori duc la faptul că rezultatele calculului vor fi supraestimate în comparație cu cele reale (adică modelul se comportă ca o coloană reală mai eficientă cu aceiași parametri de proces), ceea ce este de înțeles - modelul este o abstractizare ideală, chiar și luând ținând cont de eficiența plăcii C.P.D sau a duzei (producătorii indică aceste caracteristici ca fiind maxime posibile).

Vezi și

Note

↑ Kasatkin Andrei Georgievici . Procese și aparate de bază ale tehnologiei chimice. Manual pentru licee. Ediția a X-a, stereotipată, revizuită. Retipărit din ediția din 1973 (Moscova: Alliance, 2004), p.425
↑ Cartea web de chimie NIST . Preluat la 3 aprilie 2019. Arhivat din original la 23 mai 2007. (nedefinit)
↑ Efectul retenției de fluide asupra eficienței coloanei . Preluat la 10 decembrie 2019. Arhivat din original la 10 decembrie 2019. (nedefinit)

Literatură

Devyatykh GG, Elliev Yu. E. Introducere în teoria purificării profunde a substanțelor. — M.: Nauka, 1981. — 320 p.