Helyesbítés

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. november 23-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 17 szerkesztést igényelnek .

A rektifikáció (a latin rectus szóból - közvetlen és facio - I do) a bináris vagy többkomponensű keverékek szétválasztásának folyamata a gőz és a folyadék közötti ellenáramú tömegátadás következtében. A rektifikálás a folyékony keverékek gyakorlatilag tiszta, forráspontjukban eltérő összetevőkre történő szétválasztása a folyadék ismételt elpárologtatásával és a gőzök kondenzációjával.

Alkalmazás

A rektifikációt széles körben alkalmazzák az iparban, például etanol előállítására fuselolajok és aldehidfrakciók elválasztásával, benzinek , kerozinok és egyéb frakciók olajból való elválasztására , valamint levegőkomponensek ( oxigén , oxigén, stb.) előállítására. nitrogén , inert gázok ).

A rektifikálást érintkező eszközökkel (tálcákkal vagy töltetekkel) felszerelt toronyoszlopos berendezésekben - desztillációs oszlopokkal - végzik, amelyekben a gőz- és a folyadékfázis áramlása többszörös érintkezést valósít meg. A rektifikáció hajtóereje a gőzfázisban lévő komponensek tényleges (üzemi) koncentrációja és a folyadékfázis adott összetételére vonatkozó egyensúlyi koncentráció közötti különbség. A gőz-folyadék rendszer egyensúlyi állapot elérésére törekszik. Folyadékkal érintkezve a gőz illékony (alacsony forráspontú) komponensekkel - NK, a folyadék pedig - alacsony illékony (magas forráspontú) komponensekkel - VK-val gazdagodik. A folyadék és a gőz ellenáramban mozog: a gőz felfelé, a folyadék lefelé mozog, ezért a felső részén lévő kellően magas oszlopmagassággal szinte tiszta célkomponenst lehet kapni. Az eljárástól függően az ilyen komponens lehet anyag vagy azeotróp keverék .

Az elválasztandó folyadékok forráspontjától függően a rektifikálást különböző nyomásokon hajtják végre: atmoszférikus - 30-150 °C-on, atmoszférikus feletti forrásban - alacsony forráspontú folyadékoknál, például cseppfolyósított gázoknál, vákuumban - magas forráspontú gázok forráspontjának csökkentésére. A javítás történhet folyamatosan vagy időszakosan. A folyamatos desztillációt szolgáló oszlopok két szakaszból állnak: a felső, erősítés, ahol a gőzt "erősítik" - NK-val dúsítják, és az alsó - kimerítő, ahol a folyékony keveréket elszívják - NK-t vonnak ki belőle és dúsítják VC. Időszakos rektifikálással csak a gőz erősödik az oszlopban. Léteznek bináris (kétkomponensű) és többkomponensű keverékek rektifikálása.

A javítási folyamat számítása

Kézi (grafikus) számítás

A helyesbítési folyamat helyes kézi kiszámítása csak bináris rendszerek esetén lehetséges. Ehhez a kísérleti adatok szerint egy gőz-folyadék fázisdiagramot készítenek, amelyre a folyamat munkavonalát (az ábrán egy periodikus folyamatot mutatjuk be) az átló egy pontjából (folyadék vonal) húzzuk a desztillátum összetételére a pont ordinátavonaláig , ${\megjelenítési stílus x_{d))$ $B$

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

, ahol - váladékszám, , - váladék, - párlat kiválasztása.

R

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

F

D

A desztillált keverék (folyadék) kezdeti koncentrációjának megfelelő ponttól a munkavonaltól a gőzvonallal való metszéspontig függőleges szakaszt, majd egy vízszintes szakaszt a munkavonal metszéspontjáig (ez az ún. „elválasztási szakasznak” nevezik – egy ilyen számítási módszert ez a kifejezés vezetett be). Továbbá a konstrukciót a pontig megismételjük , a refluxarány és az elválasztási lépések teljes száma a minimum, ami egy adott összetételű desztillátum előállításához szükséges, az elválasztási fokozatokat ideálisnak tekintjük, hatékonyan . 100% és végtelenül kicsi folyadékvisszatartás a lemezen. Ebben az esetben a kockában lévő folyadék összetétele folyamatosan változik az illékony komponens eltávolításával. A számítási módszert részletesen az [1] írja le , de mára elavultnak számít, mert. nem teszi lehetővé a helyes számítást , és ennek megfelelően bizonyos idő elteltével . ${\displaystyle x_{p))$ ${\megjelenítési stílus x_{d))$ ${\displaystyle x_{p))$ ${\megjelenítési stílus x_{d))$ $t$

Gépi számítás

A gépi számításnál a komponensek kezdeti koncentrációit a lemezeken és a kockában, az összes többi folyamatparamétert beállítjuk, az oszlopban lévő komponensek koncentrációit pedig tetszőleges időintervallum után számítjuk ki.

Anyagszámítás

A módszerek többsége az elméleti lemezmodellre épül, melynek anyagmérlegéből a következő: .

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

(egy)

Ez a tálcán lévő komponens szakaszos oszlopának frakcionáló részének tálcaegyenlete . $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

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

(2)

Kocka-párologtató egyenletei ( ) $k=1$

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

(3)

Gyűjteményegyenletek:

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

(négy)

ahol

{\displaystyle x_{i,\;k))

- a komponens koncentrációja a folyadékban a lemezen , mólfrakciók ;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

{\displaystyle y_{i,\;k))

, - a komponens koncentrációját a gőzben a lemezen , ppm, figyelembe kell venni;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

F

- a váladék, az időegységre eső anyajegyek száma be van állítva;

V

- gőz, időegységenkénti mólszám , be van állítva;

L

- a tányéron a folyadékvisszatartás, Mol, be van állítva

LD

- a gyűjteményben lévő folyadék kezdeti mennyisége, Mol, megadva

LK

- meg van adva a kockában lévő folyadék kezdeti mennyisége, Mole

t

- teljes folyamatidő (tetszőleges méret, esetleg másodperc, perc, óra, hónap). és ugyanazokban a mértékegységekben adják meg.

F

V

Az (1-4) egyenletek levezetése

A tányér anyagmérlege egy egyszerű feltétel betartását feltételezi:
Volt egy alkatrész a tányéron + időben jött = balra + elment. Azok. az oszlop egyengető részének lemezéhez $én$ $k$ $dt$

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

A felső lemezegyenletek hasonlóak, figyelembe véve azt a tényt, hogy a bejövő reflux összetétele megegyezik a kilépő gőz összetételével.
A kocka anyagmérséklete : az idő pillanatában volt egy komponens + fogadott az idő alatt : ${\megjelenítési stílus (k=1)}$ $t$ $én$ $dt$

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

A kockában maradás idő után + gőzfogyasztás a kockából ugyanannyi ideig $dt$

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

A gyűjtemény anyagi mérlege pillanatnyilag : $t$

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

Az ( 1-4 ) egyenletek ezekből az egyenlőségekből származnak ( és figyelmen kívül hagyva ). A folytonos oszlopra vonatkozó egyenletek is származtatva vannak, míg az erősítő rész egyenletei egybeesnek ( 1 ), és a kimerítő rész egyenletei tartalmazzák az oszlop hatványát is. $\mathbf {dx\cdot dt}$ $\mathbf {dy\cdot dt}$

A periodikus hatású desztilláló üzem matematikai modellje egy ilyen egyenletrendszer, ahol a komponensek száma, az oszlop egyenirányító részének lemezeinek száma. Hozzájuk adjuk az elpárologtató kocka egyenleteit és a gyűjtemény ugyanannyi egyenletét, az összes egyenletet . $\mathbf {n\cdot m}$ $\mathbf {n}$ ${\mathbf {m}}$ $\mathbf {n}$ $\mathbf {n\cdot (m+2)}$

Ez a rendszer szabványos könyvtári programokkal, pl. IMSL

Az (1-4) egyenletekben a komponensek koncentrációja a gőzben ismeretlen. Helyes számításuk általános esetben lehetetlen, a megfelelő közelítő számítási módszerek üzleti titok. A Raoult-törvénytől kismértékben eltérő keverékeknél a gőzben lévő komponensek egyensúlyi koncentrációjának kiszámítása egyszerű. És a Raoult-törvénytől eltérő keverékekhez, beleértve a azeotróp (pl. etanol - víz), egy ilyen számítás hasznos lehet a szennyezőanyag-koncentráció változásának dinamikájának értékeléséhez.
A számítás Raoult törvénye és Dalton törvénye alapján történik .

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

ahol

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

a komponens egyensúlyi koncentrációi gőzökben egy lemezen

\mathbf{i}

\mathbf {k}

{\displaystyle P_{i,\;k))

- az alkatrész részleges nyomása a lemezen

\mathbf{i}

\mathbf {k}

P_{k}

- abszolút nyomás a lemezen,

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

P_a

- Légköri nyomás;

P_{g}

- a folyadékoszlop nyomása a lemez felett

\mathbf {k}

P_d

- az oszlop tömegátvivő berendezései aerodinamikai ellenállásának leküzdéséhez szükséges többletnyomás .

A legtöbb esetben az utolsó tag elhanyagolható a teljes számítási hiba növelése nélkül.
Az alkatrész részleges nyomása a lemezen $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

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

ahol

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

- egy tiszta komponens nyomása egy tányéron egy hőmérsékleten , az Antoine-egyenlet alapján kerül kiszámításra

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

Az egyenlet együtthatóit sok anyagra a [2] tartalmazza . De ebben az egyenletben az ismeretlen a lemez hőmérséklete . Az állapotból kiderül $ABC$ ${\displaystyle T_{k))$

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

, azaz a lemez esetében az egyenlet gyökereit veszik figyelembe

\mathbf {k}

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

,azok. olyan hőmérsékletet találnak, amelynél a komponensek parciális nyomásainak összege a lemezen egyenlővé válik az abszolút nyomással, ezt követően számítják ki a lemezen lévő komponensek egyensúlyi koncentrációit, és a hatásfok figyelembevételével. tányérok működnek. Hatékonyság alatt A lemezek itt a folyadékban és a gőzben lévő komponensek koncentrációja különbségének az elméletileg lehetségeshez viszonyított arányát értjük:

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

Így az (1-4) egyenletek minden megfelelő része ismertté válik , a számításhoz be kell állítani a komponensek kezdeti koncentrációit is a lemezeken.

Ennek a megközelítésnek a gyakorlati probléma megoldására való alkalmazására a cikk [3] mutat példát .

Hőszámítás

A lemez hőegyensúlyának figyelmen kívül hagyása a számítási hiba (gyakran jelentős) növekedéséhez vezet. A gépi számítás előnye (a kézi számításhoz képest) az ilyen lehetőség elérhetősége. A lemez hőmérlegének (valamint az anyagmérlegnek) alapja a tányérra szállított és azon elfogyasztott hő szükséges egyenlősége.

A hő belép a lemezbe (következő ) ${\displaystyle Qp_{k))$

az előző tányérból forróbb gőzzel;
az előző lemezről érkező gőzök lecsapódása során szabadul fel

A hőt egy tányéron költik el (tovább ) ${\displaystyle QR_{k))$

felmelegíteni a felülről érkező hidegebb váladékot;
elpárologtatáshoz
hőveszteségekre (továbbiakban ) $Ql$

Ezeknek a melegeknek az egyenlőtlensége a gőz anyagáramlásának megváltozásához vezet, mert nincs más hőforrás a lemezen, miközben (a hőveszteséget nem számítva) a lemez hőmérlege ritka kivételektől eltekintve pozitív, a lemez több hőt kap, mint amennyit elfogyaszt az alábbi okok miatt:

ha az oszlopot végtelen refluxszámmal üzemeltetjük, a tálcán lévő gőz egy illékonyabb komponenssel gazdagodik, mint az alatta lévő tálcáról érkező gőz. Az elméleti lemezmodell moláris koncentrációk használatát feltételezi, és az illékony komponensek párolgási hője mindig kisebb, mint a kevésbé illékonyoké (a homológ sorozatban, de ez a szabály ritka kivételekkel heterogén keverékekre is igaz).
amikor az oszlop véges refluxaránnyal működik (kivéve az 1. tételt), több forró gőz jut a lemezbe, mint hideg reflux, és a lemezeken az oszlopon átlagosan azonos hőmérsékletkülönbség.

Az egyetlen mennyiség, ami egy nem nulla hőegyensúlyú tányéron változhat, az a gőzáram. Ha a lemez hőmérlege pozitív, további gőz képződik a tányéron , ha negatív, akkor , miközben az anyagmérleget figyelni kell, a tányéron a gőzáram változása is megváltoztatja a gőz áramlását. váladék tőle (de ez a változás nem befolyásolja a lemez hőegyensúlyát). ${\displaystyle \delta V_{k))$ ${\displaystyle -\delta V_{k))$

A tálcák hőmérlegének kiszámítása a teljes oszlopra magában foglalja azokat , amelyeknél az összes tálca hőegyenlege nulla lesz. De a lemezek hőmérlegei összefüggenek, külön nem számíthatók. A számításhoz , és alakú egyenletrendszert állítunk össze ${\displaystyle \delta V_{k))$ $f_{k}\left(\delta V_{k}\right)=Qp_{k}-Qr_{k}=0$ $k=1,..\mathbf {m}$

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

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

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

F=VD

F

- a refluxkondenzátorból az oszlopba belépő váladék, mol egységnyi idő alatt;

V

- az elpárologtató kockából az oszlopba belépő gőz, mol egységnyi idő alatt;

D

- desztillátum kiválasztása, mol időegységenként;

{\displaystyle Cp_{k},Cl_{k))

- gőz hőkapacitása, folyadék tányéron , J * mol / deg;

k

H_{k}

- gőz párolgási (kondenzációs) hője tányéron , J * mol;

k

t_k

- hőmérséklet a lemezen , fok.

k

{\displaystyle Ql_{k))

- hőveszteség a lemezen teljesítményegységben, J időegységben.

k

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

- a váladék áramlásának változása, a gőz tányéron , a mol egységnyi idő alatt.

k

A felső lemez a kilépő gőzzel megegyező összetételű és azonos hőmérsékletű váladékot kap, ez az áramlás nem befolyásolja a hőegyensúlyt (a hőmérsékletkülönbség nulla), a deflegmátorból a felső lemezbe áramló váladék értéke egyenlő és formailag nem függ (a felső lapon a kilépő gőz mennyiségének mínusz az elszívásnak megfelelő mennyiségű folyadék lép be ), de a feltétel teljesülését mindig ellenőrizni kell . A gőz belép az alsó tányérba a mennyiségben ( ). Az elpárologtató kocka hőmérlegét nem veszik figyelembe, mert feltételezzük, hogy a kocka olyan mennyiségű hőt kap, amely egy mól gőz elpárologtatásához szükséges. $(k=\mathbf {m} )$ $F$ ${\displaystyle \delta V_{m))$ $F+\delta V_{m}=V+\delta V_{m}-D$ $V+\delta V_{m}>D$
${\megjelenítési stílus (k=1)}$ $V$ $\delta V_{0}=0$ $V$

A hőszámítást a lemezek hőmérsékletének és a gőzben lévő komponensek koncentrációinak kiszámítása után, valamint az (1-4) egyenlet megfelelő részeinek kiszámítása előtt kell elvégezni , amelyek az anyagáramok beállítását igénylik, figyelembe véve a számított korrekciókat ( nincs feltüntetve az (1-4) egyenletekben).

A keverék hőkapacitása és párolgási hője kellő pontossággal additív a számításokhoz .

A nemlineáris egyenletrendszert is szabványos programok segítségével oldjuk meg. $f_{k}$

A módszer hátránya a nagy számítási bonyolultság .

A koncentrációk kezdeti értékei

Időszakos rektifikáció esetén a desztillátum extrakció megkezdése előtt javasolt az oszlopot végtelen refluxszámmal üzemeltetni az illékony szennyeződések lehető legmagasabb koncentrációja érdekében. Ugyanez történik a gépi számításoknál is: a folyadék tetszőleges kezdeti koncentrációjával állítják be a lemezeken (általában megegyeznek a kockában lévő koncentrációjukkal), a váladék és a gőz azonos áramlásával. A számítási eredmények (a komponensek koncentrációja az oszlopban, időre számítva ) aszimptotikusan közelítenek egy bizonyos stacionárius állapothoz, de egy ilyen számítás nagy számítási időt igényel, és nem szükséges - elég stabil három jelentős számjegy. Ezenkívül nem állíthat be null értéket , különben futásidejű hiba keletkezik . Ennek a hibának a kiküszöbölésére valamilyen nullától eltérő értéket állítanak be tetszőleges komponenskoncentrációkkal, és a számítás végén az eredetileg megadott komponensek számát levonják a számítottból. ${\displaystyle t_{1}<t_{2}<t_{3))$
$LD$ $LD$

A számítás helyességének ellenőrzése

A számítások helyességének ellenőrzésére a legegyszerűbb (de nem a leggyorsabb) módszer a fent említett végtelen refluxszámú számítás (a gőzáram egyenlő a visszafolyó áramlással). Ha hibák vannak a programban, akkor a különböző at oszlopban lévő komponensek koncentrációinak kiszámításának eredménye nem lesz állandó. Ezenkívül a következő feltételeknek mindig teljesülniük kell : $t$ $t\to \infty$
$t$

Az oszlop anyagmérlege: az egyes komponensek kezdetben (a kockában, a tányérokon és a kollektorban) megadott teljes mennyiségének meg kell egyeznie az egyes komponensek teljes mennyiségével a számítás végén.
A folyadékban és a gőzben (a kockában és minden lemezen) lévő komponensek koncentrációinak összege eggyel kell, hogy legyen.

Természetesen a modell helyessége nem jelenti azt, hogy pontosan megfelelni fog a valós folyamatnak - a gőzben lévő komponensek egyensúlyi koncentrációinak számításakor tett feltételezések növelik a számítási hibát. A hibát (de kisebb mértékben) befolyásolja a lemez hőmérlegének figyelmen kívül hagyása is. Egy másik hibaforrás az oszlop tömegátadó eszközeinek hatékonyságának túlbecslése (Tálcák hatékonysága - tálcás oszlopoknál vagy csomagolásnál - csomagolt oszlopoknál). Ezek a hibák oda vezetnek, hogy a számítási eredményeket túlbecsülik a valósokhoz képest (azaz a modell egy hatékonyabb valós oszlopként viselkedik, azonos folyamatparaméterekkel), ami érthető – a modell ideális absztrakció, még ha figyelembe vesszük is. figyelembe kell venni a C.P. D lemez vagy fúvóka hatékonyságát (a gyártók ezeket a jellemzőket a lehető legnagyobbnak jelzik).

Lásd még

Jegyzetek

↑ Kaszatkin Andrej Georgijevics . A kémiai technológia alapfolyamatai és berendezései. Tankönyv középiskoláknak. 10. kiadás, sablonos, átdolgozott. Újranyomva az 1973-as kiadásból (Moszkva: Szövetség, 2004), 425. o.
↑ NIST Chemistry WebBook . Letöltve: 2019. április 3. Az eredetiből archiválva : 2007. május 23. (határozatlan)
↑ A folyadékvisszatartás hatása az oszlop hatékonyságára . Letöltve: 2019. december 10. Az eredetiből archiválva : 2019. december 10. (határozatlan)

Irodalom

Devyatykh GG, Elliev Yu. E. Bevezetés az anyagok mélytisztításának elméletébe. - M.: Nauka, 1981. - 320 p.