Характеристики двухфазных систем жидкость

Если система состоит из К = 2 и имеются две фазы Ф = 2, то число степеней свободы:

Следовательно, из трех независимых переменных определяющих состояние системы t, р, с можно выбрать два, третья переменная уже не будет произвольной.

В связи с этим для физико – химической характеристики бинарных систем жидкость – пар удобно пользоваться фазовыми диаграммами.

Если р = const построить зависимость температур кипения жидкости и конденсации паров от составов жидкой и паровой фаз (t – х – y).

Если t = const, р = const можно найти зависимость между равновесными составами фаз (y – х).

Классификация бинарных смесей. В зависимости от взаимной растворимости компонентов различают: 1) жидкости с неограниченной взаимной растворимостью; 2) взаимно нерастворимые; 3) ограниченно растворимые друг в друге.

Жидкости с неограниченной взаимной растворимостью в свою очередь делятся на идеальные и неидеальные смеси.

Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона.

При смешивании компонентов идеального раствора тепловой эффект отсутствует и объем смеси практически не изменяется.

где р_А– давление насыщенного пара низкокипящего компонента А.

При t = const парциальное давление компонентов, а также общее давление, находится в линейной зависимости от мольной доли низкокипящего компонента.

Построим изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления для идеальных растворов (р – х).

t = const прямые ОВ и СА изображают изменение парциальных давлений компонентов (р_Аи р_В), а АВ – изменение общего давления над раствором. Вертикальные отрезки СВ и ОА – выражают давления насыщенных паров чистых компонентов (Р_А и Р_В).

Для ее определения строят по значениям давлений насыщенных паров чистых компонентов изотермы А₁В₁ и А₂В₂, которые выражают общее давление паров при t₁и t₂.

МN – горизонтальная прямая, соответствующая внешнему давлению и получаем точку D на пересечении АВ и MN. Смесь состава х_А кипит при температуре в точке D.

Для построения зависимости температур кипения и конденсации от состава фаз (t – х – y) на оси ординат откладывают температуры кипения t₁, t₂, t₃, соответствующие составам жидких смесей х₁, х₂, х₂, отложенные на оси абсцисс. Через полученные точки и точки t_В и t_А, соответствующие температурам кипения чистых компонентов проводим линию кипения АА₁А₂А₃В.

Затем на оси абсцисс откладывают определенные по закону Рауля равновесные составы паров

и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами t₁, t₂, t₃. Соединив точки АВВ₁В₂В₃ получаем линию конденсации.

На диаграмму наносится линия равновесия, выражающая зависимость между равновесными составами (по низкокипящему компоненту – НК), жидкой х и паровой у фаз.

С жидкостью, состоящей из чистого НК, находится в равновесии пар, содержащий 100% НК. Линия равновесия и диагональ квадрата ограничивают область взаимного существование двух фаз. Выпуклость линии равновесия зависит от отношения теплот испарения компонентов

. При

с увеличением давления кривая равновесия становится менее выпуклой.

где

– относительная летучесть компонентов смеси, равная отношению давлений паров чистых компонентов при одинаковом внешнем давлении.

Взаимное положение кривых на фазовых диаграммах t – х – y определяется первым законом Коновалова: пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости повышается давление над ней или снижается ее температура кипения.

Закон Коновалова дополняется законом Вревского: при повышении температуры смеси испаряется преимущественно тот компонент, парциальная мольная температура испарения которого больше, что обуславливает относительно большее содержание этого компонента в паре (этот закон выражает общий принцип Ле – Шателье).

Значения коэффициента сопротивления λ определяются по эмпирическим уравнениям:

где

– критерий Рейнольдса для газа (ρ_г и μ_г плотность и вязкость газа).

Коэффициент смачиваемости – отношение удельной смоченной поверхности ко всей удельной поверхности:

Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа

I – для сухой насадки; II – для орошаемой насадки; 1 – точка торможения; 2 – точка подвисания; 3 – точка инверсии; 4 – точка захлебывания; А – пленочный режим; В – промежуточный режим; С – турбуляционный режим; D – режим эмульгирования.

1. пузырьковый – поверхность контакта фаз на тарелке не велика;

2.пенный – поверхность контакта фаз максимальна. Разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя. Газо – жидкостная дисперсионная система – пена.

3. струйный (инжекционный) режим. Струя не разрушается и при выходе на поверхность барботажного слоя образует большое количество брызг – поверхность контакта резко уменьшается.

Воспользуемся общим для всех массообменных процессов уравнением концентрации на верхнем конце колонны:

Применяя это уравнение к процессу ректификации, выразим все входящие в него величины в мольных единицах.

Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекающее по этой части колонны:

Количество паров, поднимающихся по колонне:

Для верхнего конца колонны: состав паров y_G = y_P. Допускаем у_Р = х_Р, следовательно у_Н = х_Р

В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, х_Ф= х_Р, т.е. х_К= х_Р. Подставив в уравнение (1) получим:

где

– тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс;

– отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат.

Исчерпывающая часть. Обозначим количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята, через

, то

и количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны:

Количество пара, проходящего через нижнюю часть, равно количеству пара, поднимающегося по верхней части:

где

– тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат;

– отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс.

Допущение о равенстве составов пара и жидкости на концах колонны. Построение рабочих линий у – х.

R уменьшается – В увеличивается; R увеличивается – В уменьшается;

R = ∞, Р = 0, расход греющего пара в кипятильнике наибольший; R_min рабочая линия пересекается с линией равновесия в точке пересечения движущая сила равна 0→ бесконечно большое число ступеней, бесконечно большая высота аппарата → расход греющего пара min.

С увеличением R высота аппарата уменьшается, а расход греющего пара возрастает.

С увеличением R возрастает движущая сила процесса и уменьшается необходимое число теоретических и, соответственно, действительных ступеней. В итоге, при некотором флегмовом числе рабочий объем колонны станет минимальным и, следовательно, будет минимальна стоимость.

1 – эксплуатационные расходы; 2 – капитальные затраты; 3 – общие затраты на ректификацию.

Закон Фика: количество вещества dM, продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации

этого вещества:

Удельный поток вещества или скорость молекулярной диффузии:

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равной единице.

D возрастает с увеличением температуры и понижением давления.

D – физическая константа и не зависит от гидродинамических условий.

Пусть смесь, состоит из компонентов А, В, …К, …, N; весовые доли (или весовые проценты), которых в смеси

и молекулярные веса равны М_А, М_В, …, М_К, …, М_N.

Число молей компонента К, приходящегося на 1 кг смеси, составляет

. Соответственно содержание этого компонента в смеси (в мол. долях):

Массы отдельных компонентов, содержащихся в 1 кмоль смеси, составляют

, а общая масса 1 кмоль смеси:

Соответственно весовая доля К–го компонента:

Обозначим объемные концентрации компонентов в смеси через: с_А, с_В, … с_К, …, с_N кг/м³. Сумма с_А+ с_В+ … + с_К+ … + с_N представляет собой массу смеси в 1 м³ ее объема, или плотность смеси. Следовательно, весовая доля любого компонента выражается через его объемную концентрацию:

Пусть

– относительные весовые концентрации распределяемого компонента во взаимодействующих фазах Ф_х и Ф_у. В жидкой

кг/кг Н₂О, в газовой

кг/кг воздуха. Общая масса фаза

Соответственно весовая концентрация

распределяемого компонента:

Если концентрация распределяемого компонента зона в мольных долях, то его относительная концентрация:

где М, М_н – молекулярный вес распределяемого компонента и носителя, кг.

Избирательное растворение, предназначенное для извлечения того или иного компонента из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого, или выщелачиванием.

Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процесса (абсорбция, экстракция и др.), в которой участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое – вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество (вещество лишь носитель).

К другой группе относятся процессы (ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называют также диффузионными.

1. в объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или 1 кмоль; объемная концентрация представляет собой число кг или кмолей данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (кг/м³ или кмоль/м³);

2. в весовых или мольных долях, представляющих собой отношение кг или кмоль данного компонента к массе всей фазы, выраженной в кг или кмолях;

3. в относительных концентрациях, т.е. в виде отношения кг или кмолей данного компонента, являющегося распределяемым веществом, к числу кг или кмолей компонента – носителя, количество которого остается постоянными в процессе массопередачи.

циркуляционная труба отсутствует, т.е. раствор выпаривается за один проход через аппарат, т.е. аппарат прямоточного типа. Для растворов, которые имеют склонность к кристаллизации, такие аппараты не используют.

Выпарной аппарат с выносной горизонтальной камерой. Используется для выпаривания концентрированных растворов и кристаллизующихся растворов (электролитических щелоков), в этом случае из конического днища удаляются кристаллы. Недостатки: образование застойных зон, которые ухудшают циркуляцию и снижают коэффициент теплопередачи, трудность очистки U – образных труб.

Аппарат с вынесенной зоной кипения. При скорости естественной циркуляции (0,25 – 1,5 м/с) не удается предотвратить отложение твердых осадков на поверхности теплообмена и аппарат необходимо периодически останавливать на очистку. Но этого можно избежать, если при выпаривании кристаллизующихся растворов увеличить скорость циркуляции раствора и вынести зону кипения за пределы нагревательной камерой.

1 – нагревательная камера; 2 – труба вскипания; 3 – сепаратор; 4 – необходимая циркуляционная труба; 5 – отбойник; 6 – брызгоуловитель.

Длина кипятильных труб (4 – 7 м), здесь раствор не закипает вследствие гидростатического давления, а закипает только в трубе вскипания вследствие уменьшения давления. Скорость циркуляции 1,8 – 2 м/с, коэффициент теплопередачи 3000 Вт/(м²·град).

с S – образными элементами с подвижной шаровой насадкой

2 – S – образные элементы; 2 – насадка шаровая

со струйной тарелкой с двойной зоной фазового контакта

1– пластина; 2 – карман сливной; 1 – тарелка ситчатая;

3 – перегородка переливная; 4 – тарелка. 2 – насадка шаровая;

По способу слива жидкости: 1) тарелки со сливным устройством; 2) тарелки без сливного устройства.

Колпачковые тарелки – ТСК; с туннельными колпачками – ТСТ; с чугунными колпачками – ТЧК; с медными – ТМК; с S – образными элементами – ТСБ.

– Колпачковые тарелки стальные d_опр= 400; 500; 600; 800; 1000 мм колпачки царговые.

d_колп = 80; 100; 150 мм; углеродистая сталь Ст3кп; легированная сталь 08Х13; 12Х18ХН10Т.

Колпачки с прорезями: ширина – 4 мм, высота 15, 20, 30 мм.

Расстояние между тарелками – 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 мм.

– ТСК – Р (секции), d от 1000 – 3600 мм, цельносварные.

– ТСТ, d ≥ 1400 мм, для нефтеперерабатывающей промышленности, длина колпачка 760, 810, 1092 и 1800 мм; ширина и высота 80 мм.

– кКлапанные тарелки d от 1000 до 4000мм, материал тарелки ВСт3сп4, 08Х13.

– Ситчатые тарелки, d от 1200 до 4000 мм, расстояние между тарелками – 450, 500, 600, 700, 800, 900 мм, суммарная площадь сечения отверстий 10% от площади тарелки.

– Решетчатые тарелки d от 1000 до 2400 мм, расстояние между тарелками от 300 – 600 мм.

а) схема устройства колонны; б) схема работы тарелки; 1 – корпус; 2 – тарелка горизонтальная; 3 – переливная труба; 4 – стакан.

Газ движется в виде отдельных струек и пузырьков. Но газ должен двигаться с определенной скоростью, чтобы жидкость не «проваливалась» в отверстия тарелки.

Тарелка имеет небольшое сопротивление, но, однако, чувствительна к загрязнению и не горизонтальности.

Колпачковые тарелки – эти тарелки менее чувствительны к загрязнениям и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны. Прорези колпачков выполнены в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости движения газа и глубины нагружения колпачка в жидкость.

1 – тарелка; 2 – газовый патрубок; 3 – колпачки; 4 – сливные трубки.

Колпачковые тарелки изготавливают с радиальным или диаметральным переливом жидкости.

Тарелка с радиальным переливом представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 располагаются в шахматном порядке. Жидкость переливается по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7 и затем снова движется к периферии.

Тарелка с диаметральным переливом жидкости представляет собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, с другой – сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5. Здесь вместо сливных трубок установлены сегментообразные отверстия, ограниченные перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

а – радиальный перелив; 1 – диск; 2 – прокладка; 3 – болты; 4 – опорное кольцо; 5 – колпачки; 6 – периферийные переливные трубки; 7 – центральная сливная трубка; б – диаметральный перелив; 1 – диск; 2 – опорный лист; 3 – приемный порог; 4 – сливной порог; 5 – сменная гребенка; 6 – перегородка; 7 – колпачки.

Недостатки: сложность устройства и высокая стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Клапанные и балластные тарелки – в случае если скорость газа сильно меняется.

а, б – круглые клапаны; в – тарелка с балластным клапаном; 1 – клапан; 2 – кронштейн – ограничитель; 3 – балласт.

Балластные тарелки отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном 1 и кронштейном – ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и поднимается вместе с ним. Они отличаются равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Клапанные тарелки. Диаметр клапана 45 – 50 мм, отверстия под клапаном 35 – 40 мм, шаг между ними 75 – 150 мм, высота подъема 6,5 – 8мм. Своим весом клапанные пластинки автоматически регулируют величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки.

Достоинства: высокая пропускная способность, гидродинамическая устойчивость. Недостатки: высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана и балласта.

Колонны с провальными тарелками без сливных устройств: дырчатые (диаметр отверстий 4 – 10 мм, суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10 – 25%); решетчатые (отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных шелей шириной 3 – 8 мм); трубчатые (решетки, образованные из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору); волнистые тарелки (гофрированные металлические листы с отверстиями 4 – 8 мм).

Дробление потока с использованием механических и инерционных сил.

В зависимости от способа подвода энергии и конструктивных схем: 1) аппараты с мешалками; 2) роторные; 3) пульсационные – экстракция.

– роторно – пленочная колонна. Недостатки: ограниченность по высоте и диаметру (требования к жесткости и прочности ротора), высокие эксплуатационные расходы.

– роторно – дисковые – разделение вследствие разности плотностей при обтекании кольцевых перегородок.

– роторно – центробежный экстрактор напорный.

В каналах движется: ТФ – от оси к периферии ротора; ЛФ – от периферии к оси; ТФ – отводится у стенок аппарата; ЛФ – около оси аппарата.

Пульсационные аппараты – жидкости сообщают возвратно – поступательные колебания:

1) с помощью вибрирующих внутри аппарата перфорированных тарелок;

2) посредством специального механизма (пульсатора).

Пульсаторы могут быть: поршневые, пневматические, мембранные.

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Характеристики двухфазных систем жидкость – пар