Яне на многокомпонентни системи
Ректификационно разделяне на течни, хомогенни многокомпонентни смеси
Изтегляне 2.42 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- Фактори влияещи влияещи върху ефективността на масообмена
3 Ректификационно разделяне на течни, хомогенни многокомпонентни смеси3.1 Същност и физикохимични особености на многокомпонентната ректификацияПод ректификация се разбира технологичен процес за разделяне на течни смеси от летливи вещества. Този процес се осъществява в контактни апарати от тарелков или пълнежен тип, където се формира възходящ паров поток, влизащ в хидродинамичен контакт, дифузионно взаимодействие и топлообмен с обратно насочен течен поток в условия на кипене. Резултат от този контакт е, че леснолетливите компоненти се извличат и концентрират в паровия поток, а труднолетливите в течния поток, след което се извеждат в парова или течна фаза от подходящо подбрани точки по височина на колонните апаратти за провеждане на процеса. За да се осъществи ректификация обаче, само ректификационна колона не е достатъчна. Колоната е поточно свързана с ред други апарати в сложна ректификационна инсталация (фиг.1). Главното във физикохимичната същност на процеса е, че течният флегмов поток, който се стича надолу и паровия поток, издигащ се нагоре, влизат в масообменен контакт помежду си в обедняващата и обогатяващата част от колоната, в резултат на което парите се обогатяват на леснолетливи, а течността на труднолетливи компоненти. Понеже компонентите се пренасят чрез дифузия към и през междуфазната повърхност, контактът има дифузионнен характер. Фактори влияещи влияещи върху ефективността на масообменаВърху ефективността на кой да е масообмен през междуфазна повърхност влияят основно два фактора: масообменната повърхност и турболентността на фазовия контакт. Известно е, че всяка междуфазна дифузия се ускорява, ако се увеличи съответната междуфазна повърхност. Именно за тази цел, колоната е запълнена с т.нар. контактни елементи: тарелки или пълнеж. Тарелките диспергират газовия поток и го принуждават да барботира през течен слой във вид на финни мехури (пяна). По този начин се създава газотечна структура с голяма междуфазна площ. Някои видове тарелки са показани на фигура 2. Пълнежът увеличава повърхността на междуфазен контакт чрез разтичане на течния поток по пълнежа във вид на тънка ципа. Някои видове пълнеж са показани на фиг.3. Вторият фактор, освен повърхността, който активно влияе върху ефективността на масообмена е турбулентността на фазовия контакт. За обяснение на това явление се използват няколко теории, които изхождат от различни представи за хидродинамичната обстановка в съседство с фазовата граница. Такива са например ципестата теория на Lewis и Witmann, ципесто-пенетрационната теория за каратките времена на контакт на Higbi и др. При построяване на математичните модели застъпени в този курс е използвана класическата теория на Lewis и Witmann. Според тази теория от двете страни на междуфазната повърхност се формират два гранични слоя (фиг.4) – течен и паров. Дифузионното съпротивление на самата междуфазна повърхност се пренебрегва. По този начин теорията дава израз за т.нар. общ коефициент на масопренасяне в паровата фаза се вижда, че неговата стойност зависи от съответните частни коефициенти на масопреност и , които характеризират дифузионните съпротивления съответно в паровия и течния граничен слой. В горния израз представлява средния наклон на равновесната линия . Последният може да се определи от диаграмата на фазово равновесие. За да се интензифицира процесът на масопренасяне през граничните слоеве от двете страни на междуфазната повърхност, е необходимо последните да се турболизират, което предполага нарастване на стойностите и , включващи в себе си съответно скоростите на фазовите потоци в паровата ( ) и съответно в течната ( ) фаза. При колоните от тарелков тип (фиг.5а), междуфазната повърхност е повърхността на барботиращите парови мехури. При пълнежните колони (фиг.5б), междуфазната повърхност е повърхността на стичащия се течен филм върху пълнежа. От фигурата се вижда, че в условия на барботаж издигащите се нагоре газови мехури се трият с околната течна среда, т.е. турболизира се течният граничен слой, докато газовият граничен слой във вътрешността на мехурите остава сравнително неподвижен (нетурболентен). Обратно при стичане на течна ципа върху повърхността на пълнеж, на интензивно триене с околната среда е подложен газовият граничен слой на повърхността на ципата докато течният граничен слой остава сравнително спокоен. Следователно при ректификация и абсорбция следва да се предпочитат колоните с пълнеж ако основното дифузионно съпротивление е съсредоточено в газовата фаза. Обратно ако основното дифузионно съпротивление е съсредоточено в течната фаза, т.е масопреноса се лимитира от течния граничен слой е целесъобразно да се използват колоните от тарелков тип. Съществуват и други фактори, които наред с големината на междуфазната площ и турбулентността на контакта влияят върху ректификационния масообмен. Отдавна например е забелязано,че ефективността на ректификационното масопренасяне (стойността на КПД на тарелките, височината на преносната единица ВПЕ и еквивалентната височина на теоретичната тарелка ЕВТТ) зависи екстремално от състава на изходната смес, като при ниски концентрации на някои от компонентите ефективността се влошава. Теорията предлага две обяснения за това които не се изключват взаимно: съществуване на месопренос по чисто термичен път (т.е. термични ефекти), влияние на повърхностното напрежение върху стабилизацията или дестабилизацията на междуфазната повърхност и върху коефициента на масопренасянето (ефект на Maragoni). Едно от основните различия между процесите абсорбция и ректификация се състои в това, че през междуфазната повърхност при ректификация се осъществява не само двупосочен масообмен, но и обмен на топлина между по-горещия поток от пари и стичащата се течност (флегма). При охлаждането си от течността, парите частично кондензират, при което отделената кондензационна топлина довежда флегмата до състояние на кипене. Съществува обаче, значителна разлика между топлопроводността в течния и паровия граничен слой от двете страни на фазовата повърхност. Понеже коефициентът на топлопроводност за пари е значително по-малък, отколкото за течности, паровия граничен слой трудно се охлажда, съответно температурното понижение на фазовата граница откъм страната на парите е по-голямо. Повишената температура на паровия граничен слой в непосредствено съседство с фазовата повърхност предизвиква рязко прегряване на съответния течен граничен слой (фиг.6), което от своя страна довежда до бурно кипене и изпаряване във вътрешността на този слой. Това кипене, обаче извежда в парите преимуществено леснолетливите компоненти, т.е. налице е т.нар. парциално изпаряване. Крайният резултат е, че освен по дифузионен механизъм (обусловен от разлика в концентрациите на дадена компонента от двете страни на фазовата граница), парите допълнително се обогатяват с леснолетливи компоненти по чисто термичен път. В това се изразява влиянието на т.нар. термични ефекти върху масопренасянето при ректификация. От температурната равновесна диаграма на паротечната смес (фиг.7) се вижда, че разликата между температурите на кипене напарите и течността е най-голяма в областта на средните концентрации (около 50%) и най-малка в краищата на диаграмата. Следва да се очаква, че съответно термичните явления, т.е. прегряванията на течния граничен слой, водещи до допълнително термично обогатяване на парите с леснолетлива компонента, ще се проявяват в най-голяма степен в областта на средните концентрации и сравнително слабо в краищата на равновесната диаграма. В потвърждение на казаното по експериментален път е доказано, че КПД на тарелките минава през максимум в областта на средните концентрации и е минимелен в областта на крайните, т.е. ниските и високи концентрации. Съответно, за височината на преносната единица е характерна обратната зависимост, т.е в краищата на равновесната диаграма последната има най-високи стойности, а при средните концентрации тя е минимална (фиг.9). Ефективността на масопренасянето при ректификация зависи и от т.нар. ефект на Maragoni. Резултатът от този ефект е, че също се предизвиква появата на екстремален характер на зависимостта на характеристиките на масопреноса (КПД и ВПЕ) от състава. Причината обаче, се търси не в термичните ефекти, а във възникващите градиенти на повърхностното напрежение върху повърхността на стичащата се по пълнежа течна ципа. Нека за целите на процеса ректификационно разделяне, като пълнеж се използва слой от рашингови пръстени (фиг.8). Дебелината на течния филм върху пълнежа никога не остава постоянна. Това означава, че при еднаква интензивност на масопренасянето за единица междуфазна повърхност и при различни повърхностни напрежения на компонентите на сместа, в по-тънката и в по-дебелата част на филма ще възникнат различни концентрации на компонентите ( ) и тъй като повърхностното напрежение на сместа зависи от тези концентрации ( ) ще възникнат и различни повърхностни напрежения. Ако допуснем, че сместа за разделяне е двукомпонентна и поглъщаната от течността труднолетлива компонента има по-голямо повърхностно напрежение, отколкото това на отделяната от течността леснолетлива компонента (т.нар. „позитивни” смеси ). Очевидно е, че по-тънките части на филма в хода на ректификация ще се обогатяват в по-голяма степен с труднолетлива компонента, отколкото по-дебелите части ( ). В резултат та това и поради възникналия градиент на повърхностно напрежение, ще възникнат сили на притегляне и придвижване на течност от по-дебелата в по-тънката част на ципата. В следствие на това, филмът се стабилизира, пълнежът се омокря по-добре и междуфазната повърхност нараства. В обратния случай, („негативни” смеси ) увеличената концентрация на труднолетливата компонента води до по-ниско повърхностно напрежение в по-тънката част на ципата. Притеглянето и придвижването на течност става от по-тънката към по-дебелата част, което дестабилизира и накъсва течната ципа върху пълнежа. Наблюдава се ручейно (ривулентно) стичане на течността през пълнежния слой, омокряемостта се влошава и повърхността на междуфазен контакт намалява. Естествено е ефектът на Maragoni да се проявява по-отчетливо, подобно на термичните ефекти, в областта на средните концентрации, където движещата сила на процеса разликата между работната и равновесната концентрация е най-голяма. Съществуват гледища, според които разликата в повърхностното напрежение на леснолетливата и труднолетливата компонента може при „позитивните” смеси да интензифицира, а при „негативните” смеси – да подтиска възникването на потоци и вихри в течния граничен слой в непосредствено съседство с фазовата граница (т.нар. спонтанна турболентност). В този случай всъщност се приема,че масопренасянето се подобрява по-скоро поради увеличение на коефициента на масопренасяне , отколкото поради по-добра умокряемост на пълнежа и увеличение на междуфазната повърхност . Разбира се и двата механизма се наслагват, като формират влиянието на повърхностното напрежение върху ефективността на масопренасянето, т.е. ефектът на Maragoni водещ до увеличение или намаление на и . Резултатът обаче е един, зависимостта на височината на преносната единица ВПЕ и КПД на тарелките зависят екстремно от състава на сместта (фиг.9). В зависимост от ефекта на Maragoni и термичните ефекти при „позитивните” смеси ВПЕ минава през минимум (фиг.9а), а КПД през максимум(фиг.9б), а при „негативните” обратно, КПД минава през минимум а ВПЕ през максимум. ВПЕ
КПД
1
1 В
В А А Изтегляне 2.42 Mb. Сподели с приятели:
|