Файл: Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов.pdf

раствора F. Из кристаллизатора выводятся насыщенный маточный раствор и масса кристаллов, потоки которых обозначим соответ­ ственно через L п В. Тогда

Если обозначить массовую долю растворенного вещества в каж­ дом из этих потоков соответственно через z, у и х, то должно соблю­ даться равенство

вещества у в насыщенном растворе при постоянной температуре есть величина постоянная. Следовательно, регулирование величины х п зфовня раствора в кристаллизаторе должно обеспечиваться путем изменения потоков L и В.

Обычно регулирование плотности суспеизпи (величины х) осуще­ ствляют изменением расхода маточного раствора L , что намного легче и проще, чем изменение расхода суспензии. Подставляя выра­ жение для В пз (XII,19) в ( X I I , 2 0 ) , получим:

Отметим сходство этого уравнения с уравнением процесса ректи*» фпкацпп бинарной смеси, используемым для составления схемы регулирования, причем в рассматриваемом случае величина у по­ стоянна. Это значительно упрощает регулирование кристаллиза­ торов. Отметим также, что суммарное содержание растворенного вещества в суспензии равно х, а содержанпе кристаллов в ней равно

(х - у ) (1 - у).

Таким образом, маточпый раствор нз кристаллизатора должен выводиться в определенном соотношении к подаваемому исходному раствору. Регулирование плотности кристаллпзата с помощью системы с обратной связью не обязательно, так как процесс кри­ сталлизации обладает свойством самовыравннванпя. Нецелесооб­ разно также применять системы, обеспечивающие высокую точность регулирования процесса.

Экстракция и экстрактивная ректификация

Экстракция.— процесс перехода вещества из одного растворителя в другой прп условии, что растворители не смешиваются или ча­ стично смешиваются. Переходящее вещество при нормальных усло­ виях может быть твердым, жидким пли газообразным. В результате процесса экстракции продукт отделяется от растворителя и от содер­ жащихся в нем примесей.

Процесс ректификации неприменим для разделения жидкостей, температуры кипения которых примерно одинаковы. Такие жидкости

320

с успехом могут быть разделены экстракцией или экстракцией сов­ местно с ректификацией.

Важной проблемой в области ректификации является разделение азеотропных смесей, т. е. смесей, которые кипят при постоянной температуре и при равенстве составов жидкой и паровой фаз. В хими­ ческой технологии задача разделения азеотропных смесей встре­ чается очень часто. Методами обычной ректификации, рассмотрен­ ными в предыдущей главе, разделить такие смеси невозможно. Методы разделения азеотропных смесей описаны ниже.

Рпс. ХП-8. Схема регулирования насадочноп экстрак­ ционной колопны.

Экстракция н отстаивание. Если экстракция проводится путем однократного контакта фаз, то концентрации экстрагируемого вещества в обоих выходящих потоках будут в равновесии. Допустим, что вещество, растворенное в растворителе А, экстрагируется ра­ створителем В. Обозначим через ж1 остаточную концентрацию ве­ щества в рафинате (маточном растворе) А, а через уг — его концент­ рацию в экстрагенте 23. Тогда в состоянии равновесия будем иметь:

и у0 — содержание экстрагируемого вещества в потоках этих ра­ створителей на входе в аппарат.

При изменении скорости подачн исходной смеси А и концен­ трации растворенного в ней экстрагируемого вещества х0 для

регулирования концентрации последнего в экстракте обычно из­ меняют расход экстрагента В. Из уравнений ( X I I , 2 2 ) и ( X I I , 2 3 ) вытекает следующая зависимость между величинами В и г/х:

(Х1Г.24)

Особенность этого уравнения материального баланса процесса экстракции состоит в том, что между расходом исходной смеси А и изменяемым расходом экстрагента В существует линейная зави­ симость. Регулирование процесса экстракции (одноступенчатой или многоступенчатой) всегда основано на поддержании требуемого соотношения потоков А и В.

Многоступенчатая экстракция может проводиться в нескольких смесительных аппаратах с отстойными камерами для разделения растворителей при их встречном перемещении. Часто процесс эк­ стракции проводится в насадочных колоннах, в которых исходная смесь и экстрагент движутся противотоком. Растворитель с меньшей плотностью подается в нижнюю часть колонны и перемещается вверх со скоростью, определяемой разностью плотностей раство­ рителей. ~

Для поддержания в такой колонне определенных количеств обоих растворителей регулируют уровень жидкости в ней и поверх­ ность раздела растворителей. На рис. ХН - 8 приведена принци­ пиальная схема регулирования типовой экстракциопной колонны. Место поверхности раздела между двумя растворителями легко определяется по перепаду давления в двух расположенных на разной высоте точках колонны или по величине подъемной силы, действу­ ющей на чувствительный элемент поплавкового уровнемера. В каж­ дом из этих случаев выходной сигнал прибора пропорционален средней плотности вещества, находящегося в объеме колонны, заключенном между точками отбора импульсов.

Для разделения двух несмешивагощпхся растворителей после процесса экстракции, смешения или конденсации из паровой фазы используются отстойники, в которых регулируются уровень жидкости и высота поверхности раздела фаз. Во многих случаях регулирование этих параметров достигается автоматически путем соответствующего выбора конструктивных размеров аппарата, ука­ занных на рис. X I 1 - 9 .

При правильно сконструированном отстойнике статические да­ вления на границе раздела фаз, определяемые относительно точки вывода легкой жидкости и наивысшей точки петли, по которой отводится из аппарата тяжелая жидкость, равны между собой.

322

При уменьшении скорости отвода тяжелой жидкости расстоя­ ние hx будет уменьшаться, а поверхность раздела будет подниматься. Однако аналогичное устройство не может быть применено для регу­ лирования уровня поверхности раздела в экстракционной колонне, приведенной па рис. X I 1 - 8 , из-за неравенства давлений в линиях входных и выходных потоков.

Азеотропная ректификация. Азеотроп представляет собой смесь двух или более веществ, не разделяющуюся методом ректификации, так как составы паровой и жидкой фаз такой смеси одинаковы, и температуры кипения н конденсации совпадают. Температуры кипения отдельных компонентов, образующих азеотропную смесь,

различны. Температура кипения смеси обычно либо выше, либо ниже температур кипения составляющих ее компонентов. Характери­ стиками азеотропов являются их состав н температура кппеиня при определенном давлении.

Гетерогенная азеотропная смесь при ее конденсации разделяется на два несмешивающихся слоя жидкостей различного состава. Эта особенность гетерогенных смесей позволяет разделить их на чистые компоненты путем отстаивания. Смесь веществ, дающая гетерогенный азеотроп, может быть разделена па составляющие ее компоненты на технологической установке (рпс. X I I - 1 0 ) . Исходная смесь разде­ ляется в двух колоннах, пары пз которых, представляющие собой азеотроп, направляются в один конденсатор. Единственными неза­ висимыми переменными являются расходы греющего пара в колонны. Их изменяют с целью регулирования составов получаемых про­ дуктов.

В некоторых случаях бинарный гомогенный азеотроп мажет быть разделен путем добавления к нему третьего компонента, называемого разбавителем. При этом образуется тройной гетерогенный азеотроп. Разбавитель не выводится нз системы, а циркулирует в контуре орошения колонны. Для разделения бинарного гомогенного азеотропа на установке (рнс. Х П - П ) необходимо, чтобы тройной азео­ троп кипел при более низкой температуре, чем бинарный. Коли­ чество ннзкокнпящего компонента, выводимого из сборника,.прямо пропорционально количеству паров, поднимающихся вверх по колонне. Состав продукта на выходе из куба колонны регулируется путем изменения количества подаваемого в кипятильник тепла.