Перегонка - частичное испарение жидкой смеси и последующая конденсация паров, проводимые одно или многократно с целью разделения этой смеси на индивидуальные компонентами фракции.
Если процесс проводится однократно, то это простая дистилляция. Если многократно,то это ректификация.
Метиловый спирт + вода.
tкип. спирта = 64 градусов Цельсия tкип. воды = 100 градусов Цельсия
Метанол - низкокипящий легколетучий компонент (ЛЛК)
Вода труднолетучий компонент (ТЛК)
Получаем:
Дистиллят (конденсат паровой фазы)
Кубовый остаток (неиспаряемая жидкость с ВК)
Простой дистилляцией можно лишь грубо разделить жидкую смесь с высокой относительной летучестью d.
Это отношение давления насыщенности паров чистых НК и ВК при данной температуре:
d= Pнк/Рвк d>=1 d=1 для азеотропных (нераздельнокипящих)
этанол+вода tкип смеси=78,15 °С
tкип спирта =78,3 °С
Равновесное парциальное давление компонента А в паровой фазе (над раствором)
ра* пропорциональна мольной доле этого компонента в жидкой фазе:
ра*= ра °* Ха - Закон Рауля
ра °- давление насыщенного пара чистого компонента А при данной температуре.
С другой стороны, это же давление ра* пропорционально мольной доле компонента А в паровой фазе:
ра*=Р*ya - Закон Дальтона
р= ра °*Ха+ рв ° *(1-Ха) - объединенный закон Рауля - Дальтона.
Уравнение рабочей линии.
Рабочая линия связывает действие концентрации распределения компонентов в контактирующих. Для выхода уравнений этой линии рассмотрим матбаланс непрерывного вертикального противоточного массообмена аппарата, работающего в режиме идеального вытеснения.
В таком режиме концентрации распределенных компонентов во взаимодействующих фазах изменяется постепенно, в отличие от аппаратов, работающих в режиме идеального вытесненения. При таком режиме концентрации распределению компонентов практически мгновенно усредняется во всем рабочем объеме аппарата.
Составим мат. баланс для аппарата по потоку.
Gприх = G расход.
Пусть в аппарате происходит абсорбция, т.е например Gн +Lн= Gk +Lk
NH3 поглощается водой
Запишем уравнение матбаланса по NH3:
Gн*y'н+Lн:х'н=Gk*y'k+Lk+x'k
Составим матбаланс для нижней части аппарата
Gн*y'н+L* х'= G*y'+Lk+x'k
отсюда выразим у': у'=L/G* x'+(y'н- L/G* x'k)
Здесь приняли Gн= G= Gк=const и Lн= L= Lk поскольку массовые расходы фаз по длины аппарата практически не изменяются.
уравнение рабочей длинны противоточного массообменного аппарата- это линейная зависимость типа y=A*x+B
Правило определения направления протекания массообменного процесса: Распределяемый компонент переходит из фазы, в которой его рабочая концентрация выше равновесной (y'а> y'а*) в фазу которой его рабочая концентрация ниже равновесной (x'a< x'a*). Объясняется это тем, что рабочая концентрация компонентов всегда стремится к своим равновесным значениям.
tg d=L/G
Для обратного процесса, т.е. для десорбции, рабочая линия на диаграмме состав- состав находится ниже равновесной линии.
Для прямоточного массообменного процесса наклон рабочей линии по отношению к оси абсцисс другой.
Механизм массообмена.
Скорость массообмена зависит от его механизма. В неподвижной среде распределенный компонент переносится только молекулярной диффузии, т.е.за счет хаотического теплового движения молекул. В движущейся среде распределенный компонент переносится одновременно молекулярный и конвективный диффузионный (струйками жидкости или газа)
Скорость молекулярной диффузии описывается следующим соотношением:
dM=-D*F*dc/dn* dT - 1-ый закон Фика
М- диффузионный поток
с - концентрация распределяемого компонента
dc/dn - градиент концетрации
F - поверхность массообмена
Wx,Wy,Wz- проекции локалной скорости на координатной оси.
В неподвижной среде Wx=Wy=Wz=0 тогда
В неподвижной среде изменение компонента происходит только за счет молекулярной диффузии. Рассмотрим двухпленочную модель массообменого процесса.
М=Ку*F*Δ Уср- основное уравнение массопередачи.
1/Ку=1/Ву+m/ Вх - уравнение аддитивности диффузионных сопротивлений.
На межфазной поверхности с двух сторон образуются пограничные диффузионные слои. Это объясняет появления на этой поверхности пограничные гидродинамических ламинарных слоев. В ядрах потоков происходит интенсивное перемешивание. Это объясняется тем, что здесь массообмен происходит за счет конвективной диффузии в турбулентном режиме (турбулентной диффузии), поэтому, во всех точках ядра потока концентрации. Распределяемого компонента одна и та же. В пограничных слоях конвекция затухает и в них распределенный компонент переносится преимущественно молекулярной диффузионной. Скорость молекулярной диффузии намного ниже, чем турбулентной диффузии. Это вызывает в пограничных слоях градиенты концентрации. На межфазной поверхности фактически концентрации равны своим равновесным значением.
М- диффузионный поток. [кг/c]
F- поверхность.
Ky- коэффициент массопередачи в газовой фазе.
Δу ср- средний концентрации напор в газовой фазе.
Ву, Вх- компоненты массоотдачи в газовой и жидкой фазе.
m- компонент распределения
у*=m*x- уравнение фазового равновесия.
Толщины пограничных слоев дельта у и дельта х уменьшается при повышении степени турбулентности потоков фаз. При этом удельной диффузионный поток растет.
Сущность ректификации.
Простой дистилляцией (при однократном контакте паровой и жидкой фазы) жидкую смесь невозможно разделить на индивидуальные компоненты. Последнее доступно лишь в процессе ректификации.
Ректификация - разделение жидкой бинарной или многокомпонентной смеси на индивидуальные компоненты или фракции многократным контактом неравновесных восходящей паровой и нисходящей фаз.
Контакт осуществляется на контактах устройствах (тарелка или насадка)
Хi- мольная доля компонента в жидкости, стекающей с I - той ступени
yi+1 мольная доля компонента в паре, покладающем I - ю ступень
На каждой контактной ступени (тарелке) более нагретой паровая фаза отдает часть своего тепла менее нагретой жидкой фазе. При этом из пара конденсируется В.К., а из жидкости Н.К.. Таким образом на каждой тарелке одновременно происходит теплообменные и массообменные процессы.
Паровая фаза поднимается вверх по колонне, постепенно обогащаясь Н.К.. Жидкость, самотеком стекая вниз по колонне, постепенно обогащается В.К..
