Rättelse

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 november 2019; kontroller kräver 17 redigeringar .

Rectification (från latin rectus - direkt och facio - I do) är processen att separera binära eller multikomponentblandningar på grund av motströms massöverföring mellan ånga och vätska. Rättning är separationen av flytande blandningar i praktiskt taget rena komponenter, som skiljer sig i kokpunkter, genom upprepad avdunstning av vätskan och kondensation av ångor.

Applikation

Rektifiering används i stor utsträckning inom industrin, till exempel för framställning av etanol med separation av fuseloljor och aldehydfraktioner, för separation av bensin , fotogen och andra fraktioner från olja , samt för produktion av luftkomponenter ( syre , kväve , inerta gaser ).

Rättning utförs i tornkolonnapparater utrustade med kontaktanordningar (tråg eller packning) - destillationskolonner , i vilka multipel kontakt mellan flödena av ång- och vätskefaserna utförs. Drivkraften för rektifiering är skillnaden mellan de faktiska (arbets)koncentrationerna av komponenter i ångfasen och jämviktskoncentrationerna för en given sammansättning av vätskefasen. Ånga-vätskesystemet strävar efter att uppnå ett jämviktstillstånd. Vid kontakt med en vätska berikas ångan med flyktiga (lågkokande) komponenter - NK, och vätskan - med lågflyktiga (högkokande) komponenter - VK. Vätskan och ångan rör sig motströms: ångan rör sig uppåt, vätskan rör sig nedåt, därför är det med en tillräckligt hög kolonnhöjd i sin övre del möjligt att få en nästan ren målkomponent. Beroende på processen kan en sådan komponent vara antingen ett ämne eller en azeotrop blandning .

Beroende på kokpunkterna för vätskorna som ska separeras utförs rektifikationen under olika tryck: atmosfärisk - för kokning vid 30-150 ° C, över atmosfärisk - för vätskor med låg kokpunkt, till exempel flytande gaser, i vakuum - för att sänka kokpunkterna för högkokande gaser. Rättelse kan utföras kontinuerligt eller periodiskt. Kolumner för kontinuerlig destillation består av två steg: den övre, förstärkning, där ångan "förstärks" - berikad med NK, och den nedre - uttömmande, där den flytande blandningen töms ut - NK extraheras från den och den anrikas med VC. Med periodisk korrigering förstärks endast ånga i kolonnen. Det finns rektifiering av binära (tvåkomponent) och multikomponentblandningar.

Beräkning av rättelseprocessen

Manuell (grafisk) beräkning

Korrekt manuell beräkning av korrigeringsprocessen är endast möjlig för binära system. För att göra detta, enligt experimentdata, konstrueras ett ång-vätskefasdiagram, på vilket arbetslinjen för processen ritas (en periodisk process visas i figuren) från en punkt på diagonalen (vätskelinjen) motsvarande till sammansättningen av destillatet till ordinatan vid punkten , ${\displaystyle x_{d))$ $B$

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

, där - slemnummer, , - slem, - destillatval.

R

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

F

D

Från den punkt som motsvarar den initiala koncentrationen av den destillerade blandningen (vätskan) konstrueras ett vertikalt segment från arbetslinjen till skärningspunkten med ånglinjen och sedan ett horisontellt segment till skärningspunkten med arbetslinjen (detta är så- kallas "separationssteg" - en sådan beräkningsmetod introducerades av denna term). Vidare upprepas konstruktionen upp till punkten , återflödesförhållandet och det totala antalet separationssteg är det minimum som krävs för att erhålla ett destillat av en given sammansättning, separationsstegen antas vara idealiska, med effektivitet 100 % och oändligt liten vätskeretention på plattan. I det här fallet förändras sammansättningen av vätskan i kuben ständigt när den flyktiga komponenten avlägsnas. Beräkningsmetoden beskrivs i detalj i [1] , men anses nu vara föråldrad, eftersom. tillåter inte att korrekt beräkna och följaktligen efter en godtycklig tid . ${\displaystyle x_{p))$ ${\displaystyle x_{d))$ ${\displaystyle x_{p))$ ${\displaystyle x_{d))$ $t$

Maskinberäkning

Vid maskinberäkning ställs de initiala koncentrationerna av komponenterna på plattorna och i kuben, alla andra processparametrar in, och koncentrationerna av komponenterna i kolumnen beräknas efter ett godtyckligt tidsintervall.

Materialberäkning

De flesta av metoderna är baserade på den teoretiska plattmodellen , vars materialbalans följer: .

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

(ett)

Detta är brickekvationen för den fraktionerande delen av satskolonnen för komponenten på brickan . $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

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

(2)

Ekvationer för en kub-förångare ( ) $k=1$

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

(3)

Samlingsekvationer:

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

(fyra)

var

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

- koncentration av komponenten i vätskan på plattan , molfraktioner ;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

, - koncentrationen av komponenten i ångan på plattan , ppm, beaktas;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

F

- slem, antal mol per tidsenhet, sätts;

V

- ånga, antal mol per tidsenhet, ställs in;

L

- vätskeretention på plattan, Mol, är inställd

LD

- den initiala mängden vätska i samlingen, Mol, anges

LK

- den initiala mängden vätska i kuben, Mole, anges

t

- Total processtid (godtycklig dimension, kanske sek, min, timme, månad). och ges i samma enheter.

F

V

Härledning av ekvationer (1 - 4)

Plattans materialbalans förutsätter iakttagandet av ett enkelt villkor:
Det fanns en komponent på plattan + kom i tid = vänster + vänster. De där. för plattan för den likriktande delen av kolonnen $i$ $k$ $dt$

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

De övre plattekvationerna är lika, med hänsyn till det faktum att sammansättningen av det inkommande återflödet är lika med sammansättningen av den utgående ångan.
Materialbalansen i kuben : vid tidpunkten fanns en komponent + mottagen under tiden : $(k=1)$ $t$ $i$ $dt$

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

Att ligga kvar i kuben efter tid + ångförbrukning från kuben under samma tid $dt$

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

Materialbalansen i samlingen vid tidpunkten : $t$

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

Ekvationer ( 1 - 4 ) härleds från dessa likheter (försumma och ). Ekvationerna för den kontinuerliga kolumnen härleds också, medan den förstärkande delens ekvationer sammanfaller med ( 1 ), och ekvationerna för den uttömmande delen inkluderar också kolumnens styrka. $\mathbf {dx\cdot dt}$ $\mathbf {dy\cdot dt}$

Den matematiska modellen för en destillationsanläggning med periodisk verkan är ett system av sådana ekvationer, där är antalet komponenter, är antalet plattor i den rätande delen av kolonnen. Till dem läggs ekvationerna för förångarkuben och samma antal ekvationer i samlingen, alla ekvationer . $\mathbf {n\cdot m}$ $\mathbf {n}$ ${\mathbf {m}}$ $\mathbf {n}$ $\mathbf {n\cdot (m+2)}$

Detta system är tidsintegrerat med hjälp av standardbiblioteksprogram, t.ex. IMSL

I ekvationerna (1 - 4) är koncentrationerna av komponenterna i ångan okända. Deras korrekta beräkning i det allmänna fallet är omöjlig, adekvata ungefärliga beräkningsmetoder är en affärshemlighet. För blandningar som avviker något från Raoults lag är beräkningen av jämviktskoncentrationerna av komponenter i en ånga enkel. Och för blandningar som avviker från Raoults lag, inkl. azeotrop (t.ex. etanol - vatten), kan en sådan beräkning vara användbar för att bedöma dynamiken i förändringar i föroreningskoncentrationer.
Beräkningen baseras på Raoults lag och Daltons lag .

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

var

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

jämviktskoncentrationer av komponenten i ångor på en platta

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

- deltryck av komponenten på plattan

\mathbf{i}

\mathbf {k}

P_{k}

- absolut tryck på plattan,

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

P_a

- Atmosfärstryck;

P_{g}

- trycket i vätskekolonnen ovanför plattan

\mathbf {k}

P_d

- ytterligare tryck som krävs för att övervinna det aerodynamiska motståndet hos kolonnens massöverföringsanordningar.

I de flesta fall kan den sista termen försummas utan att det totala räknefelet ökar.
Deltryck av komponenten på plattan $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

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

var

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

- trycket för en ren komponent vid en temperatur på en platta , beräknas enligt Antoines ekvation

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

Ekvationens koefficienter för många ämnen ges i [2] . Men i denna ekvation är det okända temperaturen på plattan . Det finns från tillståndet $A,B,C$ ${\displaystyle T_{k))$

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

, dvs. för plattan beaktas ekvationens rötter

\mathbf {k}

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

,de där. de finner en sådan temperatur vid vilken summan av partialtrycken för komponenterna på plattan blir lika med det absoluta trycket, efter det beräknas jämviktskoncentrationerna av komponenterna på plattan och, med hänsyn till effektiviteten. plattorna fungerar. Under effektivitet plattor förstås här som förhållandet mellan skillnaden i koncentrationerna av komponenterna i vätskan och i ångan till det teoretiskt möjliga:

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

Således blir alla de rätta delarna av ekvationerna (1 - 4) kända , för beräkningen är det också nödvändigt att ställa in de initiala koncentrationerna av komponenterna på plattorna.

Ett exempel på att använda detta tillvägagångssätt för att lösa ett praktiskt problem ges i artikeln [3] .

Termisk beräkning

Underlåtenhet att ta hänsyn till plattans värmebalans leder till en ökning (ofta signifikant) i räknefelet. Fördelen med maskinell beräkning (jämfört med manuell beräkning) är tillgången till en sådan möjlighet. Plattans värmebalans (liksom materialbalansen) baseras på den nödvändiga jämlikheten av värmen som tillförs plattan och förbrukas på den.

Värme kommer in i plattan (nästa ) ${\displaystyle Qp_{k))$

med varmare ånga från föregående platta;
frigörs under kondenseringen av ångor som kommer från föregående platta

Värmen spenderas på en tallrik (vidare ) ${\displaystyle Qr_{k))$

att värma det kallare slem som kommer från ovan;
för förångning
för värmeförluster (vidare ) $Ql$

Ojämlikheten mellan dessa värmer leder till en förändring i materialflödet av ånga, eftersom det finns inga andra värmekällor på plattan, medan (exklusive värmeförluster) plattans värmebalans, med sällsynta undantag, är positiv, tar plattan emot mer värme än vad som förbrukas från den av följande skäl:

när kolonnen drivs med ett oändligt återflödestal, berikas ångan på brickan med en mer flyktig komponent jämfört med ångan som kommer från brickan nedanför. Den teoretiska plattmodellen förutsätter användningen av molära koncentrationer, och det molära förångningsvärmet för flyktiga komponenter är alltid mindre än mindre flyktiga (i den homologa serien, men denna regel, med sällsynta undantag, gäller även för heterogena blandningar).
när kolonnen arbetar med ett ändligt återflödesförhållande (förutom punkt 1), kommer mer het ånga in i plattan än kall återflöde, och temperaturskillnaden på plattorna, i genomsnitt över kolonnen, är densamma.

Den enda mängd som kan förändras på en tallrik med en värmebalans som inte är noll är ångflödet. Om plattans värmebalans är positiv, bildas ytterligare en mängd ånga på plattan , om den är negativ, då , medan materialbalansen måste observeras, ändrar en förändring i ångflödet på plattan också flödet av plattan. slem från det (men denna förändring påverkar inte plattans värmebalans). ${\displaystyle \delta V_{k))$ ${\displaystyle -\delta V_{k))$

Beräkningen av värmebalansen för brickorna för hela kolonnen innebär att hitta de där värmebalanserna för alla brickor kommer att vara noll. Men plattornas värmebalanser är sammankopplade, de kan inte beräknas separat. För beräkningen sammanställs ett ekvationssystem av formen , och ${\displaystyle \delta V_{k))$ $f_{k}\left(\delta V_{k}\right)=Qp_{k}-Qr_{k}=0$ $k=1,..\mathbf {m}$

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

- slem som kommer in i kolonnen från återloppskylaren, mol per tidsenhet;

V

- ånga som kommer in i kolonnen från förångarkuben, mol per tidsenhet;

D

- val av destillat, mol per tidsenhet;

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

- värmekapacitet av ånga, vätska på en platta , J * mol / deg;

k

H_{k}

- förångningsvärme (kondensation) av ånga på en platta , J * mol;

k

t_k

- temperatur på plattan , deg.

k

{\displaystyle Ql_{k))

- värmeförluster på plattan i kraftenheter, J per tidsenhet.

k

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

- förändring i flödet av slem, ånga på en tallrik , mol per tidsenhet.

k

Den övre plattan tar emot slem av samma sammansättning som den utgående ångan och samma temperatur, detta flöde påverkar inte värmebalansen (temperaturskillnaden är noll), värdet på slemflödet från deflegmatorn till den övre plattan är lika med och formellt inte beror på (på den övre plattan vätska kommer in i en mängd som är lika med mängden utgående ånga minus extraktion ), men uppfyllandet av villkoret måste alltid kontrolleras . Ånga kommer in i den nedre plattan i mängden ( ). Värmebalansen för förångarkuben beaktas inte, eftersom det antas att kuben får värme i den mängd som krävs för att förånga en mol ånga. $(k=\mathbf {m} )$ $F$ ${\displaystyle \delta V_{m))$ $F+\delta V_{m}=V+\delta V_{m}-D$ $V+\delta V_{m}>D$
$(k=1)$ $V$ $\delta V_{0}=0$ $V$

Termisk beräkning utförs efter beräkning av temperaturen på plattorna och koncentrationerna av komponenter i ångor och före beräkning av de rätta delarna av ekvationerna (1 - 4) , som kräver inställning av materialflöden, med hänsyn till de beräknade korrigeringarna ( ej angivet i ekvationerna (1 - 4) ).

Blandningens värmekapacitet och förångningsvärme är additiv med tillräcklig noggrannhet för beräkningar .

Systemet med olinjära ekvationer löses också med standardprogram. $f_{k}$

Nackdelen med metoden är den höga beräkningskomplexiteten .

Initiala värden för koncentrationer

Vid periodisk korrigering, innan destillatextraktionen påbörjas, rekommenderas att man använder kolonnen med ett oändligt återflödestal för högsta möjliga koncentration av flyktiga föroreningar. Detsamma görs i maskinberäkningar: de ställs in av godtyckliga initiala koncentrationer av vätska på plattorna (vanligtvis lika med deras koncentrationer i kuben) med lika flöden av slem och ånga. Beräkningsresultaten (koncentrationer av komponenter i kolumnen, beräknade för tid ) kommer asymptotiskt att närma sig ett visst stationärt tillstånd, men en sådan beräkning kräver en lång beräkningstid och är inte nödvändig - stabil nog tre signifikanta siffror. Du kan inte heller ange ett nollvärde , annars kommer ett körtidsfel att genereras . För att eliminera detta fel sätts de till ett värde som inte är noll med godtyckliga koncentrationer av komponenter och, i slutet av beräkningen, subtraheras det initialt specificerade antalet komponenter från det beräknade. ${\displaystyle t_{1}<t_{2}<t_{3))$
$LD$ $LD$

Kontrollera att beräkningen är korrekt

Det enklaste (men inte det snabbaste) sättet att kontrollera beräkningarnas korrekthet är den ovan nämnda beräkningen med ett oändligt återflödestal (ångflödet är lika med återflödesflödet). Om det finns fel i programmet kommer resultatet av att beräkna koncentrationerna av komponenter i kolumnen för olika vid inte att vara konstant. Dessutom måste följande villkor alltid uppfyllas : $t$ $t\to \infty$
$t$

Materialbalansen i kolonnen: den totala mängden av varje komponent, given initialt (i kuben, på plattorna och i uppsamlaren) måste vara lika med den totala mängden av varje komponent i slutet av beräkningen.
Summan av koncentrationerna av komponenterna i vätskan och i ångan (i kuben och på varje platta) måste vara lika med en.

Modellens riktighet betyder naturligtvis inte att den exakt kommer att motsvara den verkliga processen - de antaganden som görs vid beräkning av jämviktskoncentrationerna av komponenterna i ångan ökar beräkningsfelet. Felet påverkas också (men i mindre utsträckning) av bristande hänsyn till plattans värmebalans. En annan felkälla är överskattning av effektiviteten hos massöverföringsanordningarna i kolonnen (Effektivitet av brickor - för brickkolonner eller packning - för packade kolonner). Dessa fel leder till det faktum att beräkningsresultaten kommer att överskattas jämfört med de verkliga (dvs modellen beter sig som en mer effektiv reell kolumn med samma processparametrar), vilket är förståeligt - modellen är en idealisk abstraktion, även om man tar ta hänsyn till C.P. D-plattans eller munstyckseffektiviteten (tillverkarna anger dessa egenskaper som högsta möjliga).

Se även

Anteckningar

↑ Kasatkin Andrey Georgievich . Grundläggande processer och apparater inom kemisk teknik. Lärobok för gymnasieskolor. 10:e upplagan, stereotyp, reviderad. Återtryckt från 1973 års upplaga (Moskva: Alliance, 2004), s.425
↑ NIST Chemistry WebBook . Hämtad 3 april 2019. Arkiverad från originalet 23 maj 2007. (obestämd)
↑ Effekten av vätskeretention på kolonnens effektivitet . Hämtad 10 december 2019. Arkiverad från originalet 10 december 2019. (obestämd)

Litteratur

Devyatykh GG, Elliev Yu. E. Introduktion till teorin om djuprening av ämnen. — M.: Nauka, 1981. — 320 sid.