авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ...»

-- [ Страница 2 ] --

Принципиальная схема такой установки показана на рис.2.6. Имеется целый ряд схем для осуществления процесса, как в лабораторном, так и промышленном масштабах, однако основные принципы для всех них одинаковы.

Для производства иодидного металла в лабораторном масштабе обычно используют стеклянную или кварцевую аппаратуру. Применение стеклянных аппаратов в промышленном производстве затруднительно, так как стекло хрупко, чувствительно к механическим и термическим воздействиям;

в стеклянный сосуд можно впаять лишь электроды, рассчитанные на прохождение сравнительно небольшого тока;

стеклянный сосуд необходимо разрезать после каждого цикла для удаления нити и запаивать перед каждым новым циклом.

Использование металлического аппарата позволило преодолеть эти затруднения, однако потребовалась большая предварительная работа по выбору подходящего материала и конструкции аппарата. Материал аппарата должен быть коррозионно устойчивым в атмосфере йода и иодида титана или циркония.

Коррозия не только сокращает срок службы аппарата: летучие продукты коррозии могут отлагаться на раскаленной поверхности и загрязнять получаемый продукт.

Аппарат должен быть герметичным и после откачки должен выдерживать воздействие высоких температур в течение продолжительного времени при незначительном натекании атмосферных газов, так как эти газы поглощаются раскаленной РИС.2.6. Принципиальная схема установки для нитью и вызывают увеличение химического транспорта вещества из зоны прямой реакции твердости и хрупкости металла.

в зону обратной реакции посредством конвекции.

Подходящими металлами Р1, Р2 – давление газа при температурах Т1 и Т оказались вольфрам, молибден, соответственно;

zT2 - участок трубки, инконель (70% Ni), сплав хастелой находящийся при температуре Т2.

В и материалы, покрытые специальной эмалью.

В ряде случаев возможно осуществление непрерывного процесса: для этого нужно организовать сбор и вывод из системы жидкого металла, который стекает в нижнюю часть установки по проволоке. Для таких металлов, как хром, ниобий и тантал, иодиды которых разлагаются при относительно низких температурах, раскаленную проволоку можно заменить кварцевой гильзой, обогреваемой изнутри. Прочие детали установки остаются без изменений.

Йод вводится после откачки аппарата. Способов введения иода разработано довольно много. Иод находится в отдельном патрубке со специальным обогревателем или помещается в реактор в запаянном стеклянном сосуде до откачки;

стеклянный сосуд разбиваеся перед началом процесса.

Один из вариантов установки для проведения иодидного процесса показан на рис..

Внутри реторты устанавливают сетку из молибдена, а в зазор между сеткой и стенкой аппарата загружают циркониевую стружку или металлокерамические циркониевые таблетки. Между нитью накала и молибденовой сеткой предусмотрен экран (с прорезями) для предотвращения обогрева циркониевой стружки тепловым излучением нити накала. Для увеличения количества металла, получаемого в одном аппарате, нить делают большой длины и натягивают е зигзагообразно по окружности в пространстве между днищем и крышкой аппарата.

В некоторых конструкциях аппаратов с целью более полного использования реакционной зоны внутрь аппарата вводят полый центральный стержень, окруженный молибденовой сеткой. В зазор между сеткой и стержнем также насыпают циркониевую стружку, а РИС.2.7. Металлический реактор для проведения иодидного стержень изнутри охлаждают рафинирования.

органической жидкостью с 1 – электрические контакты;

2 – смотровое окно;

3 – резиновые температурой кипения около уплотнения;

4 – сетка;

5 – нить;

6 – карман для термопары.

350оС. Перед проведением иодидного процесса воздух из аппарата откачивают до - давления 10 мм. рт. ст.

В процессе иодидного рафинирования необходимо строго контролировать температуру нити. Так как нить нагревается за счет джоулева тепла, выделяемого ею во время прохождения электрического тока, то температура е определяется режимом электропитания. Поперечное сечение нити постоянно растет, поэтому сила тока увеличивается.

Чистота получаемого после иодидного рафинирования продукта очень высока.

Наиболее чистые Ti, Mo, W, Cr, Zr именно этим методом.

В качестве примера в таблице приводятся данные по очистке циркония Таблица 4. Эффект очистки циркония иодидным методом.

Содержание 10-4 масс. % Содержание 10-4 масс. % Элемент Элемент Исходный Zr Очищенный Zr Исходный Zr Очищенный Zr Ni 1600 10 Si 1100 280 – Cr 1000 12 Fe 3 – N 1100 Al 1100 700 - C 2900 60 - Выход циркония 70 %. Хуже всего происходит очистка от элементов, способных образовывать летучие иодиды. Например, от титана и гафния очистка вообще не происходит.

При иодидном рафинировании хорошая очистка достигается от неметаллов (таблица ). Кислород частично переносится с ниобием в виде летучего соединения NbOI3.

Таблица 5. Эффект очистки ниобия иодидным методом.

Содержание 10-4 масс. % Содержание 10-4 масс. % Элемент Элемент Исходный Nb Очищенный Nb Исходный Nb Очищенны Nb N 180 60 H 21 O 4350 1310 C 500 (10) Наиболее масштабным промышленным методом на основе химических транспортных реакций является получение чистого никеля по методу Монд-Лангера.

Метод основан на использовании исключительно селективной обратимой реакции никеля с оксидом углерода (карбонильный метод):

Ni( K ) 4CO( Г ) Ni CO 4, 320К460К. (1.42) Тонкоизмельченный никель, полученный из руды, обрабатывают оксидом углерода в колонне при температуре 318 – 323К и атмосферном давлении. Образующийся газ, содержащий карбонил никеля, поступает в другую колонну, где при температуре 450 460К карбонил никеля разлагается с выделением мелкодисперсного никеля.

В промышленном масштабе реагентами, которые используются для перевода очищаемого вещества в транспортируемое соединение, являются галогениды. В этом случае процесс обычно протекает через стадию образования соответствующих субгалогенидов, то есть соединений с низшей валентностью. Субсоединения образуются в том случае, когда в химической реакции участвуют не все валентные электроны, а лишь имеющие наименьшую величину потенциала ионизации. Например, для трех валентных электронов атома алюминия два из них располагаются на 3s-орбите, а один - на 3р-орбите (3s23p). 3р-электрон связан с ядром значительно слабее, чем два 3s-электрона: потенциал ионизации (3р)-575,3 Дж/моль, а потенциал ионизации (3s2) - 1804,2 и 2732,3 Дж/моль.

Поэтому в определенных условиях могут образовываться одновалентные соединения алюминия: AlF, AlCl, AlBr, AlI, Al2O и другие.

Соединения алюминия с пониженной степенью окисления, как и другие субсоединения, могут существовать при относительно невысоких температурах в вакууме или инертной атмосфере, но при понижении температуры эти соединения разлагаются на металлический алюминий и соединения с высшей степенью окисления металла:

Al( K ) 0,5 AlCl3 ( Г ) 1,5 AlCl3( Г ), 1270К870К. (1..43) В результате протекания таких реакций перенос вещества в целом осуществляется за счет реакции диспропорционирования.

В промышленном масштабе этот метод используется для глубокой очистки элементов III и IV групп периодической системы, например кремния:

Si( K ) SiCl4( Г ) 2SiCl2( Г ), 1370К1170К. (1.44) В общем случае в качестве галогена может быть использован любой элемент от фтора до йода.

Методу ХТР присущи те же недостатки, что и другим химическим методам. Это одноступенчатые процессы эффективные только в плане удаления примесей, которые существенно отличаются по свойствам от основного вещества. Важным преимуществом является то, что при его осуществлении процесс очистки обычно проводится в замкнутом объеме, что резко снижает возможность загрязнения очищаемого вещества окружающей средой. Это обуславливает тот факт, что, например, алюминий, полученный субгалогенидным методом, имеет примесей на порядок ниже, чем в наиболее чистом алюминии, который получен электролитическим методом IV. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ Общая характеристика физико-химических методов 1.

Однократный эффект разделения в физико-химических процессах, как правило, существенно ниже, чем для химических процессов. Это объясняется тем, что силы разнообразных энергетических взаимодействий, являющимися причиной протекания определенных процессов, которые принято относить к физико-химическим, существенно ниже химических. Тем не менее, для физико-химических процессов относительно легко создать систему умножения однократного эффекта разделения без использования дополнительных химических реагентов.

Наиболее распространенными физико-химическими методами, которые используются в технологии особо чистых веществ являются дистилляционные и кристаллизационные методы. Адсорбционные методы – наиболее простые с точки зрения технологического оформления. Термодиффузия имеет высокий потенциал для глубокой очистки веществ.

Дистилляционные методы 2.

Термин «дистилляционные методы» здесь используется для общего обозначения всех известных методов очистки вещества с использованием фазового перехода жидкость – пар. Таким образом, дистилляционные методы включают в себя различные варианты простой перегонки, ректификации и молекулярной дистилляции.

Ректификация является одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки веществ в силу своей высокой производительности, универсальности, простоты организации технологической схемы и возможности сохранения высокой стерильности.

Последнее достигается использованием материалов устойчивых к различным видам коррозии, созданием герметически закрытых линий, созданием автоматизированного непрерывного производства без использования на конечных стадиях каких-либо вспомогательных материалов и веществ.

Коэффициент разделения разбавленных растворов 2.1.

Несмотря на разнообразия дистилляционных методов, все они основаны на использовании различия в составах разделяемой жидкой смеси и образующегося из нее пара. Это различие характеризуется величиной относительной летучести отделяемого редкого компонента, называемой коэффициентом разделения.

Для расчета дистилляционных процессов очистки необходимо располагать значениями коэффициентов разделения при равновесии жидкость-пар в изобарических условиях.

Коэффициент разделения - важнейшая характеристика однократного акта разделения. Парожидкостное равновесие должно быть известно для каждой примеси, но прежде всего для тех примесей, удаление которых наиболее трудно, то есть лимитирует процесс очистки.

В отсутствии химического взаимодействия между отдельными примесями или между примесями и основным веществом, в области низких концентраций примеси и изотермических условиях остается постоянной величиной.

Для растворов при невысоком давлении, когда к паровой фазе применимы законы идеальных газов, коэффициент разделения можно найти из уравнения Pj0 j y j x j j 0 (2.1), P 1 y1 x где j - коэффициент разделения j-го компонента по отношению к основному компоненту смеси;

Pj0, j - давление насыщенного пара и коэффициент активности j-го компонента;

xj, yj – мольные доли j-го компонента в жидкости и равновесном с ней паре;

P0, 1, x1, y1 соответствующие величины для основного компонента смеси.

В области предельно разбавленных растворов, что соответствует процессам глубокой очистки, x j x1, y j y1, (2.2) что дает возможность пренебречь взаимным влиянием примесей.

Так как прочие примеси практически не оказывают влияния на данной примеси, что позволяет рассматривать очищаемый продукт как бинарную систему основное вещество - данная примесь. С учетом этого выражение (1) принимает более простой вид:

y x. (2.3) 1 y 1 x Выражение (2.3) обычно записывают так, чтобы величина коэффициента разделения была больше единицы. Таким образом, если 1, то разделение смеси не происходит, то есть состав обеих равновесных фаз одинаков. Чем больше отличается от единицы, тем больше эффект разделения.

Для определения состава паровой фазы при известном составе равновесной жидкой фазы выражение (2.3) записывается в виде, разрешенном относительно y x y. (2.4) 1 1 x Для предельно разбавленных растворов x 1 и поэтому уравнение (2.4) может быть записано в виде y x. (2.5) При принятых выше обозначениях выражение (5.5) характеризует процесс очистки, когда примесь концентрируется в паровой фазе. Если же паровая фаза обедняется примесью, то коэффициент разделения будет выражаться соотношением x y. (2.6) Выбор для расчетов уравнений (2.5) или (2.6) определяется схемой проведения процесса очистки, структура которой обусловлена природой отделяемой примеси.

В настоящее время экспериментальные методы являются наиболее надежными при определении коэффициента разделения. Тем не менее, в ряде случаев приходится использовать и расчетные методы коэффициентов разделения в разбавленных растворах по имеющимся в литературе данным о равновесии жидкость – пар для среднего интервала концентраций.

Очистка веществ от взвешенных частиц дистилляционными методами 2.2.

В настоящее время для многих высокочистых веществ суммарное содержание примесей не должно превышать 10-5-10-6 мас.%. Достижение этого уровня требует очистки от примесей, находящихся как в растворенном, так и в нерастворенном состоянии, то есть в виде взвешенных частиц, которые находятся в виде мелкодисперсных взвесей с размером частиц. Такие взвешенные частицы попадают в высокочистые вещества, образуют микрогетерогенные включения, которые ухудшают электрофизические и оптические свойства готовых изделий.

Средние размеры взвешенных частиц в газообразных продуктах 0,01 – 0,03 мкм, а в жидкостях – 0,05 – 0,1 мкм.

Относительный вклад взвешенных частиц в суммарную концентрацию примесей по мере снижения концентрации молекулярных примесей растет.

Образование взвешенных частиц в газах и жидкостях может быть вызвано рядом абсолютно разных причин:

1. неполной растворимостью или конденсацией примеси при понижении температуры;

2. источником взвешенных примесей в продуктах может быть атмосфера производственных помещений;

3. механическое истирание движущихся частей аппаратов;

4. коллоидное растворение конструкционных материалов аппаратуры;

5. результат химических взаимодействий;

6. эмульсии жидкостей с различной полярностью и т.д.

При разработке методов удаления взвешенных частиц из очищаемого продукта необходимо учитывать агрегативную и седиментационную устойчивости дисперсионных систем. Под агрегативной устойчивостью понимается способность системы противостоять укрупнению частиц. Седиментационная устойчивость определяется размером частиц и характеризует способность системы сохранять равновесное распределение фазы по объему дисперсионной среды. Чем меньше размер частиц, тем выше их седиментационная устойчивость, то есть меньше скорость седиментации под действием силы тяжести.

Частицы менее 1 мкм, как правило, седиментационно устойчивы, так как броуновское движение, конвективные потоки среды и силы трения препятствуют их осаждению под действием сил земного притяжения.

Распределение примеси в равновесной двухфазной системе происходит в соответствии с е – теоремой Больцмана E x в exp, (2.7) kT yв где xв и yв – концентрация взвешенных веществ в жидкой и паровой фазах;

k – константа Больцмана;

Т – температур системы;

Е – работа, необходимая для перемещения частиц из жидкости в пар.

Пренебрегая изменением эффективных масс взвешенных частиц при переходе из одной фазы в другую, уравнение (5.43) может быть записано в виде d 2 exp, (2.8) kT где d – диаметр частицы;

- изменение удельной поверхностной энергии частицы при ее переходе из жидкости в пар.

Приближенный расчет по уравнения (2.8) для модельной системы «взвешенные частицы германия со средним размером 0,08 мкм в изпропаноле», дал величину равновесного коэффициента разделения равную e10, что практически означает отсутствие перехода взвешенных частиц из жидкости в пар.

Экспериментальные результаты по очистке изопропанола от частиц германия методом простой перегонки показали, что величина эффективного коэффициента разделения зависит от скорости испарения: в диапазоне изменения скорости испарения от 3,3*10-4 до 8,8*10-4 мл/см2с коэффициент разделения уменьшался от 20 до 2. Аналогичный характер зависимости был получен также и для системы на основе силана, германа и тетрахлорида кремния: при уменьшении скорости перегонки от 1*10-3 до 2*10-4 мл/см2с значение эф растет от 20 до 1000.

Основная причина несоответствия расчетных значений коэффициента разделения с его эффективными экспериментальными значениями связана с тем, что процесс испарения протекает с конечной скоростью, вследствие чего взвешенные частицы захватываются паром и переносятся в дистиллят. Таким образом, при разделении смеси жидкость – взвешенные частицы простой перегонкой условия процесса могут весьма существенно отличаться от равновесных, в то время как использование уравнение (2.8) предполагает наличие термодинамического равновесия в рассматриваемой системе жидкость – пар.

Если проводить простую перегонку молекулярной смеси, то по мере уменьшения скорости испарения Lисп все менее заметным становится унос жидкости в паровую фазу и эф эф 1 1 Lисп 1 Lисп РИС.2.1. Зависимость коэффициента разделения от РИС.2.2. Зависимость эффективного коэффициента разделения от скорости испарения раствора в скорости испарения молекулярного раствора.

системе жидкость – взвешенные частицы.

1- перегонка с медленным испарением;

2- перегонка с кипением.

при определенной скорости перегонки эф достигает постоянного значения (рис.2.1). Для жидкостей, содержащих примесь в виде взвешенных частиц, при уменьшении скорости испарения не наблюдается приближения эф к постоянной величине, а наоборот, происходит увеличение эф (рис.2.2).

Хотя зависимость эф в системе с взвешенными частицами не позволяет провести количественную экстраполяцию к нулевой скорости перегонки, ее качественный ход указывает на то, что равновесная величина действительно может быть очень высокой, как это предсказано теорией.

В соответствии с уравнением (2.8) величина сильно зависит размера частиц.

Таким образом, при прочих равных условиях проведения эксперимента, коэффициенты разделения для частиц различного диаметра должны заметно отличаться.

По всей видимости, именно этим объясняются диаметрально противоположные выводы различных авторов о возможности эффективной очистки жидкостей от взвешенных частиц дистилляционными методами. В любом случае полученные экспериментально значения эф при дистилляции существенно ниже равновесных значений и зависят от условий проведения процесса перегонки. Для достижения высокой степени очистки от взвешенных частиц рекомендуется проводить перегонку со скоростями испарения менее 1 10-4 мл/(см2 с).

Эффективный метод очистки жидкостей от взвешенных частиц основан на использовании явления термофореза. Это явление обусловлено термофоретическими силами, действующими со стороны газообразной среды на находящееся в ней неравномерно нагретые тела в частности и взвешенные частицы.

Термофоретические силы возникают вследствие того, что газовые молекулы у более нагретой стороны частицы сильнее бомбардируют ее, чем у менее нагретой стороны, и потому сообщают частице импульс в направлении убывания температуры.

Для частиц с размером менее длины свободного пробега молекул пара, скорость движения равна 0, 1 8kT l T, (2.9) 8 m где Т и T - температура и градиент температур;

k – константа Больцмана;

m – масса частицы Процесс очистки проводится в термодистилляционной колонне, в которой образующийся в кубе подвергается воздействию температурного поля при прохождении между двумя стенками, имеющими разную температуру. Схема термодистилляционной колонны приведена на рис.2.3.

Пар, который образуется в кубе 1 за счет нагревателя 2, поступает в сосуд 3, в котором 4 наружная стенка («горячая « стенка) обогревается электрическим нагревателем 4, а во внутреннюю часть на «холодную» стенку подается охлаждающий агент 5. За счет частичной конденсации пара на «холодной» стенке в аппарате создается противоток пара и жидкости. Частицы при достижении «холодной» стенки захватываются флегмой и уносятся в куб 1. Выходящий сверху пар после 1 конденсации образует очищенный дистиллят, который стекает в приемник 6.

РИС.2.3. Принципиальная схема Степень очистки от взвешенных частиц термодистилляционной колонны.

зависит от скорости потока пара, от доли 1 - куб с исходной жидкостью;

2 – конденсируемого пара, от градиента температур, от нагреватель;

3 – сосуд для создания длины аппаратуры.

температурного поля;

4 – электрический нагреватель;

5– На пленочной колонне с высотой охлаждающий агент;

6 – приемник массообменной части 1 метр, диаметром 0,05 м, с дистиллята.

зазором между горячей и холодной стенками 0,002 м и температурном градиенте 60- град/мм при флегме 0,1 от потока очищаемая жидкость практически полностью освобождается от взвешенных частиц.

Ректификация. Основные понятия.

2.3.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах.

Принципиальная схема ректификационной колонны изображена на рис.3.5.

Пар, образующийся при кипении Пар жидкости в кубе колонны 1, поднимается вверх по ректифицирующей части 2 и попадает в конденсатор 3. Конденсат (флегма) стекает вниз по колонне в куб 1.

Флегма Дистиллят Поднимающийся пар, вступая в контакт со стекающей жидкостью, обедняется высококипящим компонентом, а взамен обогащается низкокипящим компонентом.

Таким образом, в ректифицирующей части 2, которая представляет собой вертикальный цилиндр, обычно заключающий в себе то или иное устройство для улучшения контакта жидкости и пара, осуществляется противоток фаз. В результате между жидкостью и паром протекает процесс массообмена, т. е. происходит межфазовое перераспределение компонентов. На концах колонны имеет место обращение фаз: пар превращается в жидкость в конденсаторе, а жидкость – в пар в кубе колонны. Все это Кубовый остаток приводит к умножению элементарного акта разделения, наблюдаемого при обычном испарении жидкости, т. е. ректификация в РИС.2.4. Схема ректификационной колонны отличие от однократной перегонки является периодического действия.

многоступенчатым процессом. Чем лучше 1- куб;

2 – ректифицирующая часть;

3 – контакт между жидкостью и паром в конденсатора.

ректифицирующей части, тем выше скорость межфазового массообмена и эффект разделения в колонне.

Вследствие межфазового массообмена в процессе ректификации нижекипящие компоненты разделяемой смеси концентрируются в верху колонны и в виде дистиллята (конденсата) могут оттуда отбираться в качестве продукта (или, наоборот, в качестве отбрасываемой фракции). Для этой цели в конденсаторе осуществляется деление потока жидкости, образующейся из поступающего пара на две части. Одна, меньшая часть, отбирается в сборник дистиллята, а другая, большая, часть возвращается в колонну в противоток пару в виде орошения – флегмы.

Введем обозначения: L –скорость орошения (поток жидкости), G – поток газа, скорость отбора продута (дистиллята).

Отношение скорости орошения к скорости отбора продукта называется флегмовым числом:

L (2.10) Скорость отбора продукта характеризуют также величиной степени отбора p, которая представляет собой долю потока, отводимого в качестве продукта:

p G L 1 1 (2.11) Если продукт из колонны не отбирается, то есть колонна работает в безотборном режиме, то р = 0, а Ф =. Этот режим также называется режимом полной флегмы или полного орошения. При работе колонны в режиме с отбором, т. е. при частичном орошении (р 0, Ф ) загруженная в куб колонны смесь может быть разделена путем непрерывного отбора дистиллята на несколько фракций с различными температурами кипения. В этом случае термин «Ректификация» отождествляется с термином «фракционная разгонка». При этом в зависимости от целевого компонента нужным продуктом будет являться та или иная фракция.

В промышленных условиях ректификация осуществляется обычно в виде непрерывного процесса (рис.3.6).

Разделяемую смесь – питание – подают в среднюю часть колонны. Нижекипящие компоненты смеси концентрируются при этом в верхней части колонны, а вышекипящие – в нижней части. Местом ввода питания колонна делится на две секции. Секция, в которой концентрируется интересующий компонент, носит название укрепляющей. Другая секция называется исчерпывающей. С точки зрения теории ректификации каждую из этих секций можно рассматривать как отдельную колонну.

Таким образом, при работе непрерывно x действующей колонны исходная питающая смесь в принципе делится на две фракции: низкокипящую, которая отбирается из конденсатора колонны в виде части дистиллята, и высококипящую, которая отбирается из куба колонны в виде части кубовой жидкости.

По характеру контакта между жидкостью и паром ректификационные колонны условно подразделяют на следующие типы: тарельчатые, насадочные, пленочные, роторные.

В тарельчатых колоннах контакт между жидкостью и паром осуществляется на специальных РИС 2.5. Схема горизонтальных устройствах – тарелках, которые ректификационной колонны установлены в различных сечениях колонны.

непрерывного действия.

В насадочных колоннах ректифицирующая 1- куб (кипятильник);

2 часть заполнена нерегулярной насадкой, в которой ректифицирующая часть;

3 – непрерывно во всем объеме осуществляется конденсатор;

x0 – концентрация примеси в исходной смеси. массообмен.

В пленочных колоннах жидкость движется сверху вниз в виде пленки по поверхности специального приспособления (регулярная насадка), вводимого в ректифицирующую часть для обеспечения большей площади контакта фаз и их движения по заданному пути. Контакт между жидкостью и паром при этом происходит на поверхности этой пленки непрерывно по всей высоте колонны.

По специфике работы к колоннам с регулярной насадкой примыкают роторные колонны, в которых введенное в ректифицирующую часть приспособление для улучшения межфазового контакта в ходе процесса может вращаться. Но ввиду трудностей при их изготовлении и эксплуатации они используются редко. При глубокой очистке веществ роторные колонны практически не применяются.

Для установления взаимосвязи между параметрами процесса ректификации разбавленных растворов будем рассматривать процесс, протекающий в ректифицирующей части одной из секций непрерывно действующей колонны, исходя из следующей схемы (рис 3.7.).

1. Разделяется бинарная смесь основное вещество – примесь. Смесь имеет постоянный состав и со скоростью L непрерывно поступает в верхний конец ректифицирующей части.

2. В нижнем конце ректифицирующей части происходит обращение фаз.

Образующийся пар в противоток со стекающей жидкостью поднимается со скоростью G вверх по колонне и отводится из нее. В случае режима с отбором часть потока жидкости при обращении фаз в низу ректифицирующей части с определенной и постоянной G скоростью отводится в качестве продукта.

G L С момента начала работы ректификационной колонны достигаемый в ней эффект разделения постепенно увеличивается до установления в колонне стационарного состояния.

Применительно к рассматриваемой схеме при стационарном L состоянии в колонне не происходит изменения составов жидкой и паровой фаз. Следовательно, отношение концентраций примеси в жидкости (или паре) в низу и вверху ректифицирующей части будет при этом постоянной величиной. Этим отношением обычно и характеризуют разделительную способность ректификационной колонны при заданных условиях проведения процесса.

Исходя из задачи глубокой очистки веществ, анализ работы ректификационной колонны будем проводить для рассмотренного выше случая, когда содержание примеси (редкого компонента) в разделяемой бинарной смеси незначительно по сравнению с содержанием основного вещества, т. е. для случая разбавленных растворов. При этом можно принять, что такая бинарная смесь близка к идеальной. Это, в свою очередь, позволяет сделать допущение о том, что скорости потоков жидкости и пара в ректифицирующей части постоянны, т. е. не изменяются в процессе ректификации.

РИС.2.6. Схема ректификационной Тарельчатые колонны 2.4.

колонны непрерывного действия с питанием 2.4.1. Фактора разделения в стационарном состоянии в сверху.

безотборном режиме L – скорость потока жидкости;

Контакт между жидкостью и паром в таких колоннах G – скорость потока происходит скачкообразно на специальных горизонтально пара, установленных в различных сечениях ректифицирующей части - скорость отбора колонны устройствах – тарелках.

продукта.

Тарелки служат для осуществления контакта между стекающей сверху жидкостью и поступающим снизу паром. В практике используется много конструкций таких устройств. Схема действия одного из них – колпачковой тарелки – приведена на рис.2.7.

Как видно из рис.2.7., на каждой тарелке колонны происходит перераспределение компонентов смеси между жидкостью и паром, т. е. на каждой тарелке имеет место межфазовый массообмен. Результатом такого массообмена является скачкообразное увеличение содержания низкокипящего компонента в паре, покидающем тарелку, по сравнению с составом пара, поступающего на эту же тарелку. Соответственно стекающая с тарелки жидкость имеет более высокую концентрацию высококипящего компонента по сравнению с его содержанием в жидкости, поступающей на тарелку. При этом находящаяся на тарелке жидкость и поднимающийся с нее пар имеют тенденцию к установлению термодинамического равновесия между ними. Чем лучше условия контакта, тем ближе будет соотношение между составами жидкости и пара на тарелке к x0 y1 равновесному. В предельном случае это соотношение становится равновесным. Тарелка, G L соответствующая такому разделению, называется теоретической тарелкой (ТТ), или теоретической ступенью (ТС).

x Существует много различных способов расчета числа теоретических тарелок (ЧТТ), которое требуется для получения продукта с y заданной степенью чистоты. Эти способы постоянно подвергаются усовершенствованию x и упрощению. Применительно к глубокой очистке веществ, когда обычно требуются высокоэффективные колонны, т. е. колонны с большим числом тарелок, графические и графо аналитические методы становятся практически y3 неприемлемы ввиду возникающих трудностей x графического представления. Поэтому для приближенной оценки ЧТТ целесообразно воспользоваться соответствующей аналитической зависимостью, полученной при тех или иных допущениях.

В соответствии с принятой схемой (рис. 3.7, РИС.2.7. Схема верхнего участка 3.8), когда в колонне уже достигнуто ректифицирующей части тарельчатой стационарное состояние, т. е. когда дальнейшее (колпачковой) колонны.

x0 – мольная доля примеси в исходной изменения составов жидкости и пара на любой смеси, поступающей в колонну;

x1, x2, тарелке больше уже не происходит, будет x3 – мольные доли примеси в жидкости справедливо следующие уравнение на 1, 2 и 3-й тарелках соответственно;

материального баланса:

y1, y2, y3 – мольные доле примеси в паре Lx0 xn Gy над 1, 2 и 3-й тарелками соответственно. (2.12) где L – скорость потока жидкости., моль/см2·с;

G - скорость потока пара, моль/см2·с;

– скорость отбора продукта, моль/см2·с;

х0 – мольная доля примеси в исходной смеси;

y1 – мольная доля примеси в паре, покидающем первую тарелку;

xn – мольная доля примеси в отбираемом продукте, т. е. в жидкости, отводимой с последней, n-й, тарелки колонны (счет ведется сверху вниз).

Соотношение (2.12) отражает очевидный факт: сколько примеси поступает в единицу времени в ректифицирующую часть с потоком L, столько же примеси выводится из нее за это время с потоками G и. При этом предполагается, что жидкость на тарелке полностью перемешивается, т. е. е состав, как и состав паровой фазы, в любой момент времени однороден. С другой стороны, это уравнение характеризует также материальный баланс по примесному компоненту на первой тарелке. Отсюда следует, что уравнение вида (5.48) будет справедливым для любой i-й тарелки колонны, и его можно записать в общем виде как Lxi 1 xn Gyi (2.13) В безотборном режиме ( = 0) x0 = y1 и xi-1 = yi (2.14) т. е. в стационарном состоянии и безотборном режиме работы колонны концентрация примесного компонента в жидкости, стекающей с (i-1)-й тарелки, равна его концентрации в паре, поступающем с соседней нижележащей i-й тарелки.

Так как при принятой схеме очистки примесь концентрируется в паровой фазе, то, отождествляя реальную тарелку в колонне с теоретической и исходя из определения теоретической тарелки, имеем yi xi, (2.15) а подстановка (2.14) в (2.15) дает xi 1 xi. (2.16) Составляя n уравнений вида (2.16) для i = 1, 2, …, n (где n – число теоретических тарелок в ректифицирующей части колонны) и перемножая соответственно левые и правые части этих уравнений, получим x F0 n n (2.17) x Соотношение (2.17) представляет собой видоизмененную применительно к ректификации разбавленных растворов форму широко известного уравнения Фенске.

Величина F0 называется фактором разделения (степень разделения, фактор фракционирования) в безотборном режиме.

В литературе часто используется термин «степень разделения», который относится к предмету концентрирования целевого компонента с низким исходным содержанием в смеси. Эта величина, естественно, больше 1, так как концентрация целевого компонента на выходе из аппарата по сути рассматриваемой задачи должна быть выше его концентрации на входе. Когда речь идет об очистке, напротив отношение концентраций целевого компонента, которым является примесь, на выходе и входе должно быть меньше единицы, так как концентрация примеси в процессе очистки должна уменьшатся. Таким образом, при рассмотрении процесса глубокой очистки целесообразно пользоваться понятием фактора разделения (2.17), так как он в большей степени отвечает существу процесса очистки.

Фактор разделения F0 определяет разделительную способность колонны. Чем больше величина F0 отличается от 1, тем больше эффект разделения, достигаемый в ректификационной колонне.

Уравнение (2.17) наглядно отражает многоступенчатость процесса ректификации и большую ее эффективность по отношению к простой перегонке. Так, например, при = содержание примеси в дистилляте в ходе процесса однократной перегонки нельзя уменьшить более чем в два раза по сравнению с ее содержанием в исходной смеси. В результате же ректификации этой смеси на колонне, содержащей всего лишь 10 тарелок, следует ожидать, в соответствии с уравнением (2.17), уменьшения содержания примеси в очищаемом веществе примерно на три порядка.

2.4.2. Эффективность тарелки.

В действительности результат будет получаться иной, поскольку разделение, достигаемое на реальной тарелке, всегда меньше теоретически возможного, т. е.

составляет лишь долю (50-90%) того разделения, которое соответствует теоретической тарелке, и характеризуется соотношением (2.17).

Для выражения количественной характеристики этого различия, которая носит название коэффициента полезного действия (КПД) тарелки, используется несколько способов.

Например, эффективность реальной тарелки выражается величиной условного КПД по Мерфи. Под этой величиной понимается отношение изменения концентрации пара (жидкости) на данной i-й тарелке по сравнению с концентрацией пара (жидкости) на предыдущей (последующей) тарелке к соответствующему изменению, которое имело бы место, если бы между паром и жидкостью достигалось термодинамическое равновесие.

Если ЕМ(i) - КПД по Мерфи, то для паровой фазы yi yi EM i *, (2.18) yi yi где yi* - равновесная концентрация пара на i-й тарелке. Соответствующее выражение можно записать и для жидкой фазы.

Поскольку оба способа связаны с некоторыми экспериментальными неудобствами, касающимися определения состава фаз на отдельных тарелках, на практике часто выражают КПД тарелок через КПД колонны, под которым понимается отношение числа теоретических тарелок n, которым эквивалентна данная колонна, к числу содержащихся в ней действительных тарелок nД. Принимая, что средний КПД тарелок Е равен КПД колонны получим E n nД. (2.19) Между Е и ЕМi нетрудно установить взаимосвязь, исходя из допущения о том, что для разбавленных растворов величина ЕМi одинакова для всех тарелок колонны и равна ЕМ.

Так, в частности, для безотборного режима имеем E lg EM 1 1 lg (2.20) Из практического опыта известно, что КПД тарелок разных конструкций заметно отличаются друг от друга. Это накладывает определенные ограничения при конструировании колонн с заданной производительностью и разделительной способностью.

Теоретический расчет величины КПД сталкивается с большими трудностями, так как эта величина сложным образом зависит как от особенностей устройства тарелки, так и от условий проведения процесса и свойств разделяемой смеси. Главная из этих трудностей заключается в недостоверности знания действительной поверхности контакта фаз на тарелке. Указанная трудность усугубляется еще тем, что взаимодействие фаз при этом происходит в результате барботажа пара через жидкость, что приводит к возникновению перекрестных потоков фаз на тарелке. Расчет осложняется также необходимостью учета механического уноса капель жидкости паром с нижележащей тарелки на вышележащую. Достаточно же точная величина КПД тарелки может быть определена лишь экспериментальным путем, т.е. путем проведения предварительных опытов.

2.4.3. Влияние скорости отбора продукта на фактор разделения.

Разделительная способность колонны, работающей в режиме с отбором, всегда меньше, чем ее разделительная способность в безотборном режиме, если соблюдается постоянство всех остальных условий процесса. Знание этой закономерности очень важно при решении практических вопросов конструирования и эксплуатации ректификационных установок. В связи с этим имеется большое число работ, связанных с установлением аналитической взаимосвязи между скоростью отбора (флегмовым числом) продукта, его составом и числом теоретических тарелок колонны при использовании тех или иных допущений для различных типов колонн.

Можно показать, что xn F, (2.21) x0 1 p 1 p n где = – 1;

= p/.

Для уравнения (2.21) соблюдаются необходимые краевые условия по составу фаз на концах ректифицирующей части. Так, при р=0 - F=F0=-n, а при р = 1 получаем, что F=1. Последнее означает, что когда жидкий поток, поступающий в колонну с определенной скоростью, с той же скоростью из нее отводится, то его состав остается неизменным, т.е. никакого эффекта разделения в колонне при этом не будет наблюдаться.

Анализ уравнения (2.21) показывает, что увеличение степени отбора р должно приводить к уменьшению разделительной способности колонны, т. е. к ухудшению чистоты продукта. Этим объясняется то, что при глубокой очистке веществ ректификацией процесс проводится при небольших значениях р. Полагая, что в этом случае КПД тарелки мало отличается от ее КПД в безотборном режиме, число теоретических тарелок п в уравнении (2.21) приблизительно можно выразить с помощью соотношения (2.17). В результате получаем F. (2.22) 1 p F0 lg 1 p lg Уравнение (2.22) позволяет произвести более наглядную оценку влияния скорости отбора продукта на разделительную способность колонны. Чем больше величина р, тем меньше величина фактора разделения F будет отличаться от единицы при постоянстве остальных параметров процесса. Как следует из уравнения, для соответствующей оценки величины F при заданной степени отбора необходимо знать разделительную способность колонны в безотборном режиме F0 и коэффициент разделения данной смеси. Численные расчеты по уравнению (2.21) показывают, что чем больше величина, тем меньше влияет степень отбора р на величину фактора разделения, а чем больше значение F0 отличается от единицы, тем сильнее влияет изменение величины р на разделительную способность колонны.

Оценка максимального значения pmax для получения продукта состава хп при исходном содержании примеси х0 в разделяемой смеси может быть произведена с помощью соотношения (2.21) или (2.22), например, путем построения зависимости F от р.

Насадочные колонны.

2.5.

2.5.1. Материальный баланс разделяемой смеси.

В насадочных колоннах контакт между движущимися противотоком жидкостью и паром происходит на насадке, заполняющей объем ректифицирующей части. В качестве насадки используются фарфоровые или стеклянные кольца, отрезки металлической спирали, тела различной геометрической формы из проволочной сетки и т. д.

Использование насадки преследует цель увеличения площади взаимодействия жидкой и паровой фаз, что приводит к возрастанию эффекта разделения в колонне. При глубокой очистке веществ важную роль играет материал насадки, который может быть источником возможного загрязнения очищаемого вещества. С целью сведения к минимуму последствий этого эффекта в качестве насадки широко используется кварцевое стекло особой чистоты.

Один из путей анализа работы насадочных колонн состоит в решении дифференциальных уравнений, составленных на основе материального баланса разделяемой смеси. При составлении таких уравнений учитывается, что массообмен между жидкостью и паром имеет место по всей высоте колонны.

Введем обозначения: х – мольная доля примеси в жидкой фазе в некотором поперечном сечении слоя насадки;

z Пар координата вдоль высоты колонны;

– скорость межфазового перехода примеси, т. е. количество молей G примеси, переходящее из жидкой фазы в паровую (в соответствии с принятой схемой – рис.7) или, наоборот, из паровой фазы в жидкую (когда продукт отбирается в виде дистиллята) в единице объема колонны в единицу времени.

Пусть колонна работает в стационарном состоянии, когда изменения концентрации примеси по высоте колонны со временем не происходит. Примем далее, что движущиеся L противотоком жидкость и пар равномерно распределены по Жидкос всему сечению колонны, что скорость движения отдельных ть частей потоков фаз одинакова, а продольное перемешивание в них отсутствует. Полагаем также, что перенос примеси вдоль высоты колонны за счет осевой молекулярной РИС.2.8.Элемент объема диффузии, обусловленной концентрационным градиентом, насадочной колонны.

пренебрежимо мал по сравнению с переносом примеси потоками фаз. Тогда, при принятых допущениях, скорость поступления примеси на единичную площадь сечения z с потоком L составит Lx, а на единичную площадь сечения (z+z) колонны – L(x-x).

Отсюда следует, что Lx L x x z (2.23) или, переходя от приращений к дифференциалам, L dx dz (2.24) 2.5.2. Массопередача.

Скорость межфазового перехода компонентов в целом определяется механизмом массообмена, величиной поверхности раздела фаз, а также степенью отклонения системы жидкость – пар от равновесного состояния. Действительно, если паровая и жидкая фазы находятся в термодинамическом равновесии, изменения их состава не происходит, т.е.

скорость перехода примеси (или равная ей по величине скорость перехода основного вещества) из одной фазы в другую будет равна нулю. Следовательно, чем больше состояние системы отклоняется от равновесного состояния, тем выше в этой системе будет скорость массообмена.

В общем случае отклонение системы от равновесия определяется разницей значений химического потенциала данного компонента в обменивающихся фазах. Когда это разность равна нулю, система находится в термодинамическом равновесии и перераспределения компонентов между фазами не происходит, т. е. значения химического потенциала данного компонента во всех фазах системы, находящейся в равновесии, равны между собой. Отсюда следует, что мерой отклонения системы от равновесия может служить также разница между фактическим значением химического потенциала данного компонента в одной из фаз системы и тем значением химического потенциала *, которое этот компонент имел бы в той же фазе, если бы система находилась в равновесии. Таким образом, скорость массообмена можно охарактеризовать соотношением * (2.25) Линейная зависимость между и ( – ) соблюдается тем точнее, чем меньше * величина -*. Поэтому значения химического потенциала и * в соотношении (2.25) целесообразно рассматривать применительно к основному компоненту, для которого разность -* всегда меньше, чем для микрокомпонента. Эту разность обычно относят к паровой фазе, хотя в принципе она может быть отнесена и к жидкой фазе.

Химический потенциал основного компонента в паровой фазе связан с концентрацией последнего известными уравнениями 0 RT ln 1 y (2.26) и * 0 RT ln 1 y *, (2.27) * где y и y - текущая и равновесная концентрации примесного компонента в паровой фазе.

Так как скорость переноса примесного компонента равна по величине скорости переноса основного компонента, но противоположна по знаку, то с учетом этого, подставляя выражение (2.26) и (2.27) в соотношение (2.25), получим k RT ln 1 y ln 1 y * (2.28) где k - коэффициент пропорциональности. Разлагая в ряд функции ln(1-y) и ln(1-y*) по степеням y и y* соответственно и отбрасывая члены второй и более высоких степеней, имеем:

ln 1 y y,ln 1 y * y * (2.29) С учетом этих соотношений из (2.28) следует, что k y y * (2.30) где k = к/RT. Постоянная k получила название константы скорости массообмена, или коэффициента массопередачи, а разность (y – y*) – движущей силы процесса массообмена (массопередачи) или концентрационного напора.

Понятие движущей силы широко применяется при анализе массообменных процессов. При этом часто весьма важным оказывается соответствующий выбор фазы, через составы которой выражается движущая сила с учетом явлений, лимитирующих скорость массообмена. При небольших нагрузках, что характерно для процесса глубокой очистки, жидкая фаза в насадочной колонне обычно распределена в виде непрерывно обновляющейся тонкой пленки, обволакивающей поверхность элементов насадки. Так как можно считать, что в тонкой жидкой пленке однородность состава по ее толщине устанавливается сравнительно быстро, то массообмен в этом случае будет определяться диффузией компонента - примеси в паровом пространстве: из парового пространства к поверхности жидкой пленки или от поверхности жидкой пленки в паровое пространство.

Скорость же изменения содержания примеси в паровой фазе в результате диффузии в свою очередь зависит от степени отклонения состава фазы от равновесного;

в состоянии равновесия количество примеси, диффундирующей из жидкости в пар, равно количеству примеси, диффундирующей из пара в жидкость, вследствие чего изменения состава фаз при этом не происходит. Таким образом, при течении жидкости по насадке в виде достаточно тонкой пленки, предпочтительный выбор выражения движущей силы процесса ректификации в насадочной колонне через концентрации в паровой фазе является вполне обоснованным. Константа массообмена k в выражении (2.30) зависит от свойств системы и условий процесса: величина k будет тем больше. Чем больше удельная поверхность контакта фаз и чем выше скорость диффузии (коэффициент диффузии) примесного компонента в паровой фазе. С другой стороны, диффузия в паре имеет турбулентный характер, поскольку пар проходит между элементами насадки по каналам различной формы и различных направлений. При возрастании линейной скорости парового потока турбулентность в паре увеличивается, вследствие чего может происходить значительное изменение величины k и, следовательно, скорости массообмена в целом.

2.5.3. Фактор разделения в стационарном состоянии в безотборном режиме Дифференциальное уравнение (2.24) материального баланса по примесному компоненту для элемента объема насадки колонны, работающей в стационарном режиме, в соответствии с (2.30) и (2.15) будет иметь вид L dx dz k y x (2.31) Концентрация у в уравнении (2.31) может быть выражена через концентрацию х с помощью уравнения рабочей линии:

x 1 p y px p (2.32) где х и у означают соответственно концентрации примеси в жидкой и паровой фазах в некотором поперечном сечении колонны, а хр – концентрацию примеси в отбираемом продукте.

Для безотборного режима работы колонны (р=0) из выражения (2.32) следует, что у=х, т. е.. составы жидкости и пара в одном и том же сечении колонны одинаковы и, следовательно, неравновесны. Последнее и является причиной наличия движущей силы процесса разделения, о котором говорилось выше. Таким образом в безотборном режиме имеем L dx dz k x x (2.33) или, разделяя переменные, k dx dz (2.34) x L Исходя из принятой схемы процесса и допущения о том, что при постоянстве параметров процесса (L = const, = const) величина k также является постоянной, интегрируем уравнение (61) при следующих граничных условиях x = x0 при z = 0, x = xzк при z = zк (2.35) где zк – полная высота ректифицирующей части;

xz к – концентрация примеси в жидкости в нижнем конце колонны. В результате получаем F0 exp k 1 zK L (2.36) где F0 = xz к /x0 - фактор разделения. Для анализа влияния различных факторов на эффективность разделения используем величину F01, которая показывает во сколько раз уменьшится концентрация примеси на выходе из колонны по сравнению со входом в нее.

Из уравнения (2.36) видно, что величина F01 возрастает с увеличением длины колонны lnF zк, коэффициента обогащения = – 1, константы скорости массообмена k и уменьшается при увеличении скорости потока жидкости L. Из уравнения (2.36) следует также, что величина –lnF0 должна обратно пропорционально зависеть от L. Однако, поскольку зависит от степени k турбулентности парового потока, то в II I I II L действительности зависимость –lnF0 от L IV имеет более сложный характер.


РИС.2.9. Зависимость разделительной Эта зависимость схематично способности колонны от скорости потока изображено на рис.2.9: на участке II – III жидкости.

зависимость между –lnF0 и L соответствует уравнению (2.36), так как при небольших скоростях движения пара (в безотборном режиме G = L) степень турбулентности парового потока слабо зависит от его скорости. На участке III – IV, соответствующем большим скоростям движения пара имеет место резкое увеличение турбулентности парового потока («режим эмульгирования»), при этом интенсифицируется массообмен и величина k растет, что приводит к увеличению значения –lnF0. На участке I – II происходит изменение удельной поверхности контакта фаз вследствие того, что при очень малой скорости жидкого потока не вся поверхность насадки может быть смочена жидкостью. Следовательно, в этой области k, который связан с фактической поверхностью массообмена, также не является постоянной величиной, что приводит к изменению величины –lnF0.

Из соотношения (2.33) при использовании граничных условий х = х0 при z=0 после интегрирования можно получить выражение для распределения примеси по высоте ректифицирующей части:

x x0 exp k 1 z L, (2.37) а с учетом (2.36):

x x0 F z zк (2.38) Таким образом, в логарифмических координатах распределение примеси по высоте колонны выражается уравнением прямой линии, что подтверждается и экспериментально.

На основании анализа проб жидкости в различных сечениях по высоте колонны с помощью уравнения (5.84) можно определить величину F0 или концентрацию примеси в жидкой фазе в нижнем конце колонны. К этому можно прибегнуть в том случае, когда для очистки используется высокоэффективная колонна и концентрация примеси в жидкой фазе на выходе из колонны может лежать ниже чувствительности используемого метода анализа.

2.5.4. Влияние скорости отбора продукта на фактор разделения Фактор разделения, достигаемый в ректификационной колонне существенно зависит от того, с какой скоростью отбирается из колонны конечный продукт. Применительно к насадочной колонне количественная зависимость между скоростью отбора продукта и фактором разделения может быть получена следующим путем. Из уравнения рабочей линии следует, что y x px p 1 p (2.39) Подставляя выражение (2.39) в (2.31), имеем x px p dx x, L k (2.40) 1 p dz или после разделения переменных k dx dz, (2.41) 1 x x p L 1 p где, как и прежде, = р/( – 1). Интегрирование уравнения (5.78) при граничных условиях (5.81) дает 1 xzк x p k 1 zк ln (2.42) 1 x0 x p 1 p L Так как в рассматриваемой нами схеме процесса продукт отбирается из нижнего конца колонны, то xzk = xp. С учетом последнего, а также используя соотношение (2.36), из (2.42) получаем 1 x p x p F01 1 p (2.43) 1 x0 x p Выражение (2.43) после небольших преобразований можно записать в виде F (2.44) 1 p F01 /1 p где F= xp/x0 – фактор разделения в режиме работы колонны с отбором.

-F Типичная зависимость влияния скорости отбора продукта на фактор разделения приведена на рис. 2.10., где линия соответствует расчету по уравнению (2.44), а точки – экспериментальным данным.

800 Из рисунка видно, что скорость отбора продукта существенно влияет на значение фактора разделения F. Причем это влияние тем больше, чем больше значение F0 отличается от единицы, т. е. чем больше эффективность колонны в безотборном режиме. Если скорость отбора продукта велика, то конечное разделение, 0,04 0,08 0,12 p достигаемое на колоннах большей (темные РИС.2.10. Зависимость разделительной точки) и меньшей (светлые точки) способности колонны от скорости отбора эффективности, оказывается примерно продукта.

одинаковым. Поэтому применение высокоэффективных колонн является оправданным только при проведении процесса ректификации с небольшой скоростью отбора продукта.

Расчеты по уравнению (2.44) показывают, что при разделении смесей с различными, но при одинаковой величине F0 влияние скорости отбора продукта сильнее сказывается в случае меньшего значения величины коэффициента разделения.

Аналогичная аналитическая зависимость для случая концентрирования примесного компонента в жидкости имеет вид F. (2.45) 1 p F01 1 p 2.5.5. Высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ).

Другой метод анализа работы насадочных колонн состоит в том, что насадочная колонна в некотором смысле уподобляется тарельчатой колонне, чтобы можно было оперировать в расчетах высотой слоя насадки, эквивалентной теоретической тарелке.

Под теоретической тарелкой в насадочной колонне понимается такой участок ректифицирующей части, на котором состав жидкости, стекающей с нижнего его конца, и состав пара, выходящего с его верхнего, связаны таким соотношением, которое эти жидкости и пар имели бы, находясь в термодинамическом равновесии.

Таким образом, для каждого такого i-го участка будет справедливо выражение вида (5.51). Отсюда число теоретических тарелок n, которым эквивалентна данная насадочная клона при разделении заданной смеси, например, в безотборном режиме, может быть определено с помощью уравнения (5.53), если известен фактор разделения F0 для этой смеси с известным значением. Путем деления высоты ректифицирующей части на n определяется высота, эквивалентная теоретической тарелке – ВЭТТ. Соответственно при известном значении ВЭТТ, например, для колонны небольшой высоты нетрудно, при прочих равных условиях процесса, определить величину n для такой же колонны большей высоты.

Для расчета разделительной способности насадочных колонн в режиме работы с отбором с использованием понятия ВЭТТ разработано несколько способов.

Если теперь подставить в выражение (2.45) соотношение (2.15), то после интегрирования и некоторых преобразований получим x F n (2.46) x0 1 p exp 11 n Точность соответствующих расчетных уравнений, полученных другими способами, определяется точностью принятых при выводе их соотношений (обычно эмпирических), характеризующих равновесие жидкость – пар. Для смесей, близких к идеальным, наиболее строгим, по-видимому, является способ Смокера, который может быть применен и для реальных разбавленных растворов:

lg F 1 1 / 1 p n (2.47) lg 1 p Касаясь других известных в литературе способов расчета, следует заметить, что они или являются вариантами рассмотренных способов, или приводят к более приближенным зависимостям.

Из изложенного следует, что наиболее строгие из уравнений, 1 выведенных для тарельчатых колонн, Концентрация редкого справедливы и для насадочных колонн, если вместо теоретической тарелки компонента оперировать величиной ВЭТТ.

Действительно, как уже отмечалось выше, метод анализа с использованием понятия ВЭТТ приводит к удовлетворительным результатам, несмотря на то, что в насадочных колоннах разделение по высоте колонны происходит непрерывно, а не Высота колонны скачками.

На рис.2.11 показано, что характерное для тарельчатой колонны скачкообразное изменение РИС.2.11. Распределение примеси по высоте ректификационной колонны. концентрации примеси от тарелки к 1 – тарельчатая колонна;

тарелке может быть выражено через 2 – насадочная колонна.

плавное изменение ее по высоте колонны. Очевидно, чем меньше коэффициент разделения смеси и КПД тарелки, тем меньше будет отличаться распределение примеси в тарельчатой колонне от распределения в насадочной колонне.

Разделительная способность ректификационной колонны в режиме работы с отбором, как уже отмечалось, ниже, чем в безотборном, при соблюдении постоянства условий проведения процесса. Это различие будет определяться скоростью отбора продукта. Поэтому сравнение разделительной способности различных ректификационных колонн обычно проводят для безотборного режима их работы;

в безотборном режиме, как правило, наблюдается лучшая воспроизводимость результатов опытов.

Установим, от каких параметров зависит величина ВЭТТ применительно к безотборному режиму (L=l) работы насадочной колонны.

Из уравнений (2.17) и (2.36) следует n ln k 1zк / L (2.48) Откуда L ln G ln zк ВЭТТ (2.49) n k 1 k Таким образом, высота, эквивалентная теоретической тарелке, возрастает с увеличением нагрузки колонны и уменьшается с увеличением k. Под нагрузкой колонны понимается величина скорости прохождения потока одной из фаз: L – нагрузка по жидкости, G – нагрузка по пару. Чем меньше значение ВЭТТ, тем выше в целом эффект разделения в колонне. В соответствии с этим для увеличения разделительной способности ректификационной колонны при заданной оптимальной нагрузке стремятся подобрать такую насадку, которая обусловливала бы наибольшую величину константы массообмена (коэффициента массопередачи).

Cтрогая теоретическая оценка величины k в настоящее время пока не представляется возможной ввиду сложности процесса межфазового массообмена, который зависит от характера движения потоков жидкости и пара между элементами насадки колонны, от величины поверхности контакта фаз, от свойств разделяемой смеси и т.д.

На первый взгляд кажется, что для достижения большей величины константы массообмена достаточно использовать очень мелкую насадку. Однако с уменьшением размера элементов насадки увеличивается ее способность к захвату «неактивной»

жидкости в пространстве между ними, вследствие чего условия межфазового массообмена будут ухудшаться. Например, при этом может создаться большой перепад давлений в верху и в низу колонны, что является крайне нежелательным для процесса разделения.

Поэтому выбор оптимальных размеров насадки, материала, из которого она изготовляется, ее формы приходится определять опытным путем. В литературе имеется много практических рекомендаций по использованию того или иного типа насадки применительно к различным случаям разделения смесей веществ, а также предложен ряд эмпирических уравнений для расчета величины ВЭТТ.

2.5.6. Высота единицы переноса (ВЕП). Взаимосвязь между ВЭТТ и ВЕП.


Значительный интерес представляет метод расчета эффективности насадочной колонны, основанный на понятии единицы переноса.

Под единицей переноса понимается такой участок ректифицирующей части колонны, для воображаемых концов которого разница составов уходящего и поступающего потоков пара (жидкости) равна средней движущей силе процесса, т. е. при выражении движущей силы через концентрации в паровой фазе единица переноса будет характеризоваться соотношением y y y *ср, (2.50) а высота такого участка колонны носит название высоты единицы переноса – ВЕП.

Понятие единицы переноса учитывает тот факт, что массообмен в насадочной колонне в отличие от тарельчатой протекает непрерывно. Таким образом, разделительную способность насадочной колонны можно выразить через число единиц переноса – ЧЕП, подобно тому, как она выше выражалась через ЧТТ.

Если подставить в соотношение (2.50) выражение (2.44) для F, то после некоторых преобразований будем иметь ne ln F0 / 11 p (2.51) или с учетом (2.36) ne kzк / L1 p. (2.52) Из уравнения (2.52) следует, что чем больше скорость отбора продукта, тем больше ЧЕП требуется для достижения заданного разделения.

Как уже отмечалось, эффективность ректификационных колонн обычно сравнивается по их разделительной способности в безотборном режиме. В этом случае из выражения (2.49) с учетом того, что ВЕП=G/k, получим следующую взаимосвязь между ВЭТТ и ВЕП:

ln ВЭТТ ВЕП (2.53) При значениях, близких к единице, величины ВЭТТ и ВЕП будут по существу совпадать, однако при больших величинах коэффициента разделения ВЭТТ может существенно отличаться от ВЕП. В этом случае из уравнения (2.53) следует, что при одних и тех же условиях величина ВЭТТ колонны будет меньше величины ВЕП, т. е. одна теоретическая тарелка будет вызывать меньшее изменение концентрации, чем одна единица переноса.

Таким образом, в общем случае при одних и тех же условиях число единиц переноса будет отличаться от числа теоретических тарелок, которым эквивалентна данная колонна.

2.6. Влияние загрязняющего действия материала аппаратуры на глубину очистки веществ методом ректификации.

Высокие требования к чистоте получаемых веществ вызывают необходимость учета вторичных явлений, осложняющих процесс глубокой очистки методом ректификации.

Так как конечной целью ректификации является получение продукта заданного состава, то при глубокой очистке веществ этим методом весьма важной задачей является рассмотрение вопроса о возможном загрязнении очищаемого вещества материалом аппаратуры. Эффект загрязнения при этом может быть обусловлен «вымыванием»

нежелательной примеси из материала аппаратуры, а также химической реакцией материала аппаратуры с очищаемым веществом или какой-либо агрессивной, но более легко отделяемой примесью, содержащейся в очищаемом веществе. К этим случаям, очевидно, можно отнести и случаи проникновения примеси из окружающей среды через стенки разделительного аппарата-колонны и самопроизвольного диспергирования конструкционных материалов при их контакте с очищаемым веществом в ходе -lg x процесса.

даст следующее выражение распределения примеси по высоте колонны в безотборном режиме:

x x0 F z zк п 1 ln F0 1 F0z zк z zк, (2.54) где = пzк/L( – 1).

4 Для всей колонны с высотой zк и соответственно х = xzк из (2.54) получим F01 1 п F0 п, (2.55) x0 x0 ln F где F01 = xz x0 – фактор разделения в к 2 безотборном режиме при наличии эффекта z/zк загрязнения;

F0 – фактор разделения в 0 0,4 0, безотборном режиме в отсутствие эффекта РИС.2.12.Распределение примеси по высоте загрязнения.

колонны. Из сравнения уравнений (2.36) и 1 - п =0;

2 - п = 10-11 моль/см2с;

3 - п = 10- (2.55), а также (2.37) и (2.54) видно, что моль/см2с;

4 - п = 10-9 моль/см2с.

влияние загрязняющего действия материала аппаратуры должно проявляться тем сильнее, чем меньше скорость орошения и коэффициент разделения смеси и чем больше высота колонны и скорость поступления примеси.

На рис. 2.12 графически представлены результаты расчетов по уравнению (2.54).

При этом были использованы следующие величины: L = 10-3 моль/с·см2;

zк = 100 см;

х =10-2;

F0 = 10-5;

= 2. Из рисунка видно, что поступление примеси из материала колонны даже с незначительной скоростью может оказать существенное влияние на глубину очистки.

Применительно к режиму работы колонны с отбором:

dx п 1 p kpx p kп / L zк z kx 1 p.

(2.56) L 1 p dz Решение (2.56) можно записать в виде отношения, подобного выражению(2.54);

постоянная интегрирования полученного выражения будет определяться из того же граничного условия: х = х0 при z=0. В результате получаем x p ln F0 п 11 p ln F0 п п z 1 m к x x0 mz zк zz, (2.57) 1 p ln m 1 ln m 1 zк, p 1.

1 1 p где m F Уравнение (2.57) характеризует распределение примеси по высоте колонны, работающей в стационарном состоянии и в режиме с отбором.

Вводя в (2.57) условие, что х = хр при z=zк, после некоторых преобразований получим выражение для фактора разделения 1 p m1 1 ln m F1 F 1 п 1 ln m x0 - (2.58) lg(xp/x0) где F1 = xp/x0 – фактор разделения при работе колонны в режиме с отбором при наличии эффекта 3 загрязнения;

F – фактор разделения при работе колонны в режиме с 4 отбором при отсутствии эффекта загрязнения.

Рисунок 2.13 графически иллюстрирует влияние скорости отбора продукта на фактор разделения. Как можно видеть из рисунка, даже при небольших степенях отбора эффект загрязнения может быть существенным;

при 0 увеличении степени отбора он постепенно «затухает».

р 0,4 0, Следовательно, загрязняющее РИС.2.13.Зависимость разделительной способности действие материала аппаратуры колонны от степени отбора продукта при наличии должно проявляться сильнее при загрязняющего действия материала аппаратуры.

малой скорости отбора продукта. В 1 - п =0;

2 - п = 10-11 моль/см2с;

3 - п = 10-10 моль/см2с;

4 то же время применение п = 10-9 моль/см2с.

высокоэффективных колонн, необходимых для глубокой очистки, требует небольших скоростей отбора продукта.

С помощью этих уравнений можно оценить величину скорости вымывания примеси п из интересующего материала по результатам опытов, если известны значения F0,, x0.

Значительный интерес представляет оценка предельного минимального значения концентрации примеси, достигаемого в ректификационной колонне при наличии эффекта загрязнения. Для этой цели соотношение (5.82) с учетом (5.54) запишем в следующем виде:

k 1 zк n zк ln F0 exp (2.59) ВЭТТ L Подставляя соотношение (2.59) в уравнение (2.55) и положив, что ВЭТТ – величина постоянная, получим следующее выражение для F01 при zк :

п ВЭТТ lim F01 (2.60) ln L 1 x zк откуда ВЭТТ п lim xzк (2.61) ln L zк Из выражения (2.61) следует, что при наличии эффекта загрязнения имеет место предельное значение концентрации примеси на выходе из колонны, которое нельзя снизить за счет увеличения длины последней. Таким образом, для заданной величины п должна существовать оптимальная длина колонны, дальнейшее увеличение которой по существу не влияет на глубину очистки. Из выражения (2.61) также видно, что предельное значение концентрации примеси не зависит от ее исходного содержания в очищаемом веществе. Отсюда следует, что соотношение (2.61) будет характеризовать и тот случай, когда примесь в исходном веществе не содержится, а вносится в него только вследствие загрязняющего действия материала аппаратуры.

Технологические схемы и расчет периодической ректификации.

2.7.

2.7.1. Типовые схемы периодической ректификации.

Решение любой конкретной задачи по глубокой ректификационной очистке какого либо вещества от примеси должна предшествовать литературная и, при необходимости исследовательская проработка по содержанию примесей в сырьевом продукте и по физическим и химическим свойствам основного вещества и примесей.

Далее следует изучение статики ректификационной очистки – определение равновесных коэффициентов разделения между жидкостью и паром для системы основное вещество – примеси.

Примеси, в общем случае, можно разбить на две группы: более летучие, чем основной компонент и менее летучие по отношению к основному компоненту. В каждой из этих двух групп примесь, которая имеет наименьший коэффициент разделения по отношению к основному веществу, формально будет лимитировать процесс ректификационной очистки. Тем не менее, при выборе «лимитирующей» примеси необходимо учитывать также требуемую степень очистки по каждой из примесей: может оказаться, что для достижения необходимой степени очистки для примеси с большим коэффициентом разделения понадобится большее количество теоретических ступеней разделения. Поэтому окончательный вариант расчета режимных параметров следует проверить на все примеси, имеющие низкие значения коэффициентов разделения.

Продукт Фракция, Фракция, обогащенная обогащенная более летучими более летучими примесями примесями Исходное Исходное сырье сырье Фракция, обогащенная менее летучими Продукт примесями а б Фракция, обогащенная менее летучими примесями РИС.2.14. Схемы непрерывной очистки вещества методом ректификации.

Следующим этапом проектирования процесса ректификационной очистки является выбор схемы установки. Прежде всего, должен быть решен вопрос о режиме проведения процесса: непрерывный или периодический.

При тоннажном производстве (например, GeСl4, SiCl4, SiHCl3, ацетон, изопропанол) процесс целесообразно проводить по непрерывной схеме. Чаще всего приходится проводить глубокую очистку как от легколетучих, по отношению к основному веществу, так и более летучих примесей. В такой ситуации провести глубокую очистку по непрерывной схеме в одной колонне принципиально невозможно – нужна система как минимум из двух колонн, одна из которых удаляет легколетучие примеси, а другая – труднолетучие (рис 2.14).

При получении особо чистых веществ чаще используется вариант, когда целевой продукт отбирается в виде дистиллята – рис.2.14а. Если отбирать очищенное целевое вещество в кубе второй колонны (рис.2.14б), то вероятность его загрязнения нелетучими продуктами коррозии аппаратуры увеличивается.

Место ввода исходного и промежуточного потоков определяется из расчета в зависимости от соотношения коэффициента разделения и 1 1 требуемого фактора 2 разделения (степени разделения). Выбираются концентрации отбросных 7 7 фракций (степень извлечения), находится 3 3 степень отбора (соотношение потоков) в обеих колоннах, 3 флегмовое число, число ступеней в исчерпывающей и 4 концентрирующих частях каждой колонны, располагая величиной ВЕП и 6 6 пропускной способность контактного устройства, РИС.2.15. Схемы глубокой очистки веществ методом находят размеры периодической ректификации.

установки и т. д.

а) Загрузка сырья в верхний куб;

б) колонна с двумя попеременно В технологии особо работающими резервуарами с загрузкой сырья в нижней куб;

в) чистых веществ, вследствие установка со средним резервуаром.

1 – конденсатор;

2 – верхний резервуар;

3 – ректифицирующая малых масштабов часть;

4 – нижний куб;

5 – средний куб;

6 – отбор кубового остатка;

производства и широкой 7 – отбор дистиллята.

номенклатуры очищаемых веществ, получила распространение периодическая ректификация. Преимущество такой схемы состоит в том, что очистка основного компонента от любого количества примесей возможна при помощи в одного ректификационного аппарата. Поочередно можно производить очистку различных продуктов. В зависимости от свойств ректифицируемых веществ, требований к эффективности очистки и качеств сырья следует рассматривать несколько принципиальных схем проведения периодической ректификации.

При реализации периодической ректификации чаще всего используется ректификация в колоннах с кубом-резервуаром (рис.2.4), который одновременно выполняет и функцию кипятильника.

В этом случае процесс глубокой очистки проводится в две стадии. На первой стадии проводится отбор одной или 2-3-х фракций дистиллята, обогащенных более летучими примесями. На второй стадии проводится отбор чистого продукта из верхней части колонны, при этом менее летучие примеси накапливаются в кубе колонны и удаляются из установки в составе остатка после окончания отбора чистой фракции.

При этом отбор на различных стадиях может быть различным. По схеме, которая изображена на рис.(2.15а) фракция (или 2-3 фракции), обогащенные менее летучими примесями, а затем очищенный продукт выводится из верхнего резервуара. Куб в данном случае выполняет исключительно функцию испарителя (куб полного испарения).

Вторая схема (2-х кубовая колонна – рис.2.15б) при загрузке продукта в куб позволяет вначале вывести более летучие примеси из верхней части колонны, минуя резервуар, далее перегнать продукт из куба в верхний резервуар, и, наконец, провести очистку от менее летучих примесей, отбирая их снизу колонны. В этом случае продукт отбирается из верхнего резервуара.

Существенным недостатком такой 2-х стадийной схемы является ее длительность.

С целью сокращения длительности ректификационной очистки используются колонны со «средним кубом». При работе по схеме, которая представлена на рис.2.15в, сырье помещают в средний резервуар и производят одновременное удаление более и менее летучих примесей. Очищенный продукт остается в среднем резервуаре.

2.7.2. Ректификация под пониженным давлением.

В случае, если термическая стойкость очищаемого вещества невелика, то ректификацию можно проводить под пониженным давлением, поскольку при этом снижается температура кипения смеси основное вещество – примесь. Это следует из зависимости давления насыщенного пара от температуры, определяемой уравнением Клаузиса – Клапейрона:

d ln P dT H RT 2, (2.62) где Р – давление насыщенного пара, Н – теплота испарения вещества при температуре Т.

При кипении под атмосферным давлением давление насыщенного пара равно атмосферному, то есть 760 мм рт. ст., и, если пренебречь зависимостью теплоты испарения от температуры, то H 1 P, ln (2.63) R T T где Т0 – нормальная температура кипения вещества;

Т – температура кипения при давлении Р.

Если решить это уравнение относительно T, то получим уравнение H T, (2.64) H T0 R ln 760 P которое удобно для оценки температуры кипения жидкости при различных давлениях.

В соответствии с правилом Трутона, молярная энтропия испарения разных неассоциированных веществ при нормальной температуре кипения является постоянной величиной и равняется константе Трутона, то есть S H T0 85 90 Дж моль К. (2.65) То есть, если предположить, что нормальная температура кипения вещества 500 К, то, как это следует из уравнения (), под вакуумом 0,76 мм рт.ст. температура кипения составит приблизительно 300 К. Оценочные расчеты такого рода позволяют быстро произвести оценку целесообразности проведения дистилляционного процесса под пониженным давлением в том или ином конкретном случае.

Понижение температуры, как правило, приводит к увеличению коэффициента разделения, однако с изменением давления изменяются и другие условия проведения процесса, что влияет на величину ВЕП (ВЕТТ). При снижении температуры, например, замедляется диффузия в жидкой фазе. Таким образом, если процесс массопередачи лимитируется диффузией в жидкости, то наблюдается замедление процесса массообмена, что выражается в увеличении ВЕП (ВЕТТ). Наличие двух разнонаправленных факторов приводит к тому, что в диапазоне операционных давлений может наблюдаться четкая экстремальная зависимость эффективности ректификационной колонны от рабочего давления. Отсюда следует, что в каждом конкретном случае должно существовать некое оптимальное рабочее давление, при котором достигается значение фактора разделение, отвечающее максимальной эффективности ректификационной колонны.

При уменьшении давления ниже 20-10 мм рт. ст. заметно увеличивается диффузия пара вдоль оси колонны. Это приводит к снижению вертикально градиента концентраций по высоте аппарата, что выражается в снижении эффективности разделения. В большинстве случаев ректификация ниже этого уровня давлений становится неэффективной.

Молекулярная дистилляция 2.8.

Метод молекулярной дистилляции основан на зависимости скорости испарения вещества от его мол. массы при температурах ниже температуры кипения жидкости и низких давлениях ( 0,13 Па). При таких давлениях длина свободного пробега молекул соизмерима с расстоянием между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. При этом молекулы соударяются относительно редко и движутся практически независимо друг от друга, а расход и состав паровой смеси определяется скоростями испарения отдельных компонентов.

Метод позволяет проводить очистку веществ, не выдерживающих длительного кипячения.

Для оценки эффекта разделения в процессе молекулярной дистилляции пользуются величиной коэффициента разделения М, который определяется следующим соотношением:

x x M конд, (2.66) 1 xконд 1 x в котором хконд – мольная доля примеси в конденсате, а х – мольная доля примеси в испаряющейся жидкости соответственно в данный момент времени.

Так как скорость конденсации в процессе молекулярной дистилляции пропорционально скорости испарения, то при давлении ~ 0,1 – 0,01 Па в дистилляционном пространстве скорость испарения описывается уравнением Лэнгмюра:

M Lконд P (2.67) T где Lконд – скорость конденсации вещества, моль/см2·с;

– коэффициент пропорциональности, характеризующий поправку на столкновение испарившихся молекул с молекулами остаточных газов, который называется коэффициентом аккомодации. Коэффициент аккомодации показывает, какая доля испарившихся молекул перейдет в конденсат. Величина зависит от остаточного давления в дистилляционном пространстве: чем ниже остаточное давление, тем ближе значение к единице.

Далее, зависит от чистоты поверхности конденсатора, который в процессе перегонки обычно покрывается пленкой конденсата. Когда поверхность конденсатора является чистой, коэффициент аккомодации также 4 приближается к единице.

Содержание примеси и основного вещества в 7 жидкой пленке конденсата в данный момент перегонки будет пропорционально их соответствующим скоростям конденсации, поэтому xконд 1 xконд Lконд Lконд ( 2 P2 1 P ) M 2 M 1,(2.68) 6 где Lконд и Lконд – скорости конденсации основного вещества и примеси соответственно;

Р1, М1, 1 и Р2, М2, 2 - парциальное давление пара, относительная молекулярная масса и коэффициент РИС.2.16. Схема аппарата аккомодации основного вещества и примеси.

молекулярной дистилляции с Поскольку Р1 = Р°1(1 – х)1 и Р2=Р°2х2, то при горизонтальной поверхностью подстановке этих соотношений в уравнение (3) получим испарения.

P 0 M xконд x 20 2 2 (2.69) 1 x конд 1 x P 1 1 M где Р°1 и Р°2 – давление пара основного вещества и примеси при температуре испарения;

1 и 2 – коэффициенты активности основного вещества и примеси. Легко заметить, что Р°22/Р°11 – не что иное, как коэффициент разделения данной смеси при обычной дистилляции. Учитывая это, а также то, что отношение 2/1, как правило, мало отличается от единицы, выражение для коэффициента разделения процесса молекулярной дистилляции можно записать в следующем виде:

xконд x M 1 M 2 (2.70) Из уравнения (5.161) видно, что в отличие от условий разделения смесей с помощью обычной дистилляции, коэффициент разделения зависит не только от давлений паров чистых компонентов при температуре процесса, но и от их молекулярной массы.

Это позволяет разделять смеси, используя различие молекулярных масс компонентов при относительно низких температурах. Поскольку обычно при М1М2 1 (и, наоборот, при М1М2 1), разделение, достигаемое при молекулярной дистилляции, как правило, выше, чем при обычной перегонке.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.