Файл: Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.07.2024
Просмотров: 118
Скачиваний: 0
где Zft — длина диффузионного участка (длина трубки, соединяющей первую и вторую зоны). Используя это со отношение и заменяя .концентрации на давления, из (1-40) получим
К - Я ' ' ) . ( M l )
где Т — средняя температура |
диффузионного |
участка. |
||||
В соответствии |
с выражением |
(1-41) |
скорость переноса |
|||
вещества А будет определяться соотношением |
|
|||||
- с , = — • |
— |
(Р\ — P") = - L |
• — |
(Pi— |
Pr), |
(1-42) |
где Собщ — суммарная концентрация |
газа, |
моль/см5. |
Составив уравнение (1-42) для скорости переноса приме си и, используя соотношение
— _ |
-v* |
_ * |
|
|
хА |
~ |
1 _ х* |
|
|
имеем |
|
|
|
|
v 3 |
|
dc. |
я ' , - / > • ' . |
|
х* = |
• |
• |
. |
(1-43) |
V i |
|
D c |
Р\.-Р» |
|
Это уравнение отличается от соответствующего выраже ния для «метода потока» [уравнение (1-33)] только со множителем DclDc, который близок к единице, так как диффузия не является чисто молекулярной, а в значи тельной степени является конвективной. Рс и Рс в урав нении (1-43) могут быть заменены на Кр и Кр' так же, как это 'было проделано для «метода потока». При этом получается выражение
х = '•—-—-— • -—— |
— |
П-44) |
|
^ c V . |
(КЛр)11*-№)11* |
|
' |
Если реакция экзотермичиа, то KplI<KpI, |
и, как уже от |
мечалось, транспорт вещества будет направлен из холод ной зоны в горячую. Могут быть и такие случаи, когда транспорт одного вещества направлен в одну сторону, а другого — в противоположную, Например, хром и теллу-
24
рид хрома (2) в атмосфере иода переносятся в протйвОположных направлениях (рис. 5) ©следствие протекания реакций:
Сг + 12 (г)^±Сг12 (г), Т2-*Т3 СгТе + 12 (г) ^± Сг!2 (г) + 0,5Те2 (г), Т2 — Т}
СгТе |
Сг + СгТе |
Сг |
зона обратной |
зона прямой |
зона обратной |
реакции |
реакции |
реакции |
Рис. 5. Схема установки для одновременно го проведения двух транспортных реакций (Г1<Г2 <Г3 )
3. Перенос вещества
посредством конвекции
— Перенос вещества из одной зоны в другую при осуще ствлении химических транспортных реакций может быть
.увеличен ва счет конвекции. Если ампулу с очищаемым веществом и газом-реагентом (на пример, ампулу, схематично изобра женную на рис. 4) расположить на клонно, чтобы горячий конец ампу лы был обращен книзу, то в ампуле возникнут конвекционные потоки га за-реагента и продуктов 'реакции.
Эффект конвекции может значи тельно повысить скорость .процесса массопереноса. Для того чтобы оце нить выход транспортной реакции за счет перемещения газообразных ве.
ществ путем конвекции, рассмотрим устройство, изображенное на рис. 6. Рис. 6. Схема уста
новки для переноса
Устройство представляет собой труб вещества из холодной ку длиной Z и радиусом /', которая зоны в горячую по •находится при температуре Т\, за средством конвекции
исключенигм отрезка длиной ZT,;
последний нагрет до температуры Т2(Т2>Т.\). Пусть трубка заполнена газом. Разница в давлениях, а следо вательно, и в 'плотностях газа, находящегося в различ-
25
ных температурных зонах, п вызывает конвекционное движение газа.
Объемная скорость L 0 G 'прохождения газа через труб ку длиной Z и радиусом г, вследствие разницы в давле ниях на концах трубки, определяется известным соотно шением Пуазейля:
|
пг-ПР |
(1-45) |
|
Ць=-—--, |
|
|
8T,Z |
|
в котором 11 — вязкость газа, г)'см-сек; |
||
АР |
ту — т2 -981 дин! |
см*, |
где т2— масса газа в «горячей» части трубки при Т = Т2;
тх — масса газа в таком же объеме |
при Т = Т{. |
Можно |
||
показать, что |
|
|
|
|
mi-m2 |
ZT%m*PM |
/ 1 |
п |
(1.46) |
= |
( |
— _ — ] , |
||
|
R |
U i |
Т2)' |
|
где Z r —длина «горячей» части трубки; М — молеку лярный вес газа; Р—^среднее значение общего давления.
Комбинируем уравнение (1-45) и (1-46):
яг*гГаРМ-981
- о б :
пли
L05 — |
±,7r*ZTPM |
_1_ |
(1-47) |
xZ |
|
||
|
|
|
(L0 6. и т) относятся к температуре Т\). Обозначив, как обычно,"скорость поступления газа-реагента в горячую зону через LB, имеем
^B = PBZ-O6- |
0-48) |
|
|
р . |
|
|
молькм3. |
|
где |
р в = |
в - ( и с х ) — плотность газа, |
Подставим |
|||
|
|
RTX |
|
|
' |
|
соотношение |
(1-48) в выражение (1-47): |
|
||||
|
|
|
|
4,7ZTr*MB |
|
(1-49) |
|
|
LB |
— Р В (исх) |
•nZRT-i |
7 |
|
|
|
|
|
2 |
||
Из |
(1-49) с учетом (1-31) следует: |
|
|
26
(1-50)
riZRTi
Сравнивая (1-50) и (1-42) и учитывая соотношение (1-30), можно видеть, что если в методе диффузии ско рость процесса переноса обратно пропорциональна дав лению газа-ргагента, то в методе конвекции она прямо пропорциональна Рв&юх)- Поэтому диффузионный метод целесообразно осуществлять при низких давлениях газо вой фазы, а метод конвекции — при повышенных. Разде лительный эффект в методе конвекции в общем такой же, как и в методе потока, а вероятность загрязнения очи
щаемого |
вещества примесями, содержащимися |
в газе- |
реагенте, |
меньше. |
|
Методу химических транспортных реакций |
присущи |
|
те же недостатки, что и другим химическим методам. Он |
представляетсобой одноступенчатый процесс разделения и поэтому эффективен только при отделении примесей, существенно отличающихся по свойствам от основного вещества. Важным преимуществом этого метода являет ся то, что при его осуществлении процесс очистки обычно проводится в замкнутом объеме, что резко снижает воз можность загрязнения очищаемого вещества окружаю щей средой.
§ 4. Сравнительная характеристика химических и физико-химических методов очистки веществ
Как было уже по^зано, химические методы очистки веществ обладают большими возможностями. Рассмот рим еще такой пример. Если пропускать смесь азота и кислорода через нагреваемую до некоторой определенной температуры трубку, заполненную свежевосстаиовленной медью, то в результате протекания химической реакции
2Cu + 0 2 —> СиО
кислород будет связываться медью и задерживаться в колонне. Таким образом молено достичь глубокой степе ни очистки азота от кислорода. Если ту же смесь азота с кислородом пропускать через трубку, заполненную ка ким-нибудь адсорбентом, например активированным уг лем, то будет также наблюдаться разделение газовой смеси вследствие различной сорбируемое™- азота- и кис-
27
лорода. Но в этом случае разделение оказывается менее эффективным, чем при применении трубки с медью. В первом -случае разделение основано на различии в хи
мических силах, |
действующих |
между атомами |
меди и |
|
кислорода, |
меди |
и азота. Во втором случае — на |
разли |
|
чии в силах |
'межмолекулярного |
взаимодействия |
между |
углем и кислородом, углем и азотом. Силы межмолеку лярного взаимодействия значительно слабее химических. Различие в энергии взаимодействия молекул азота и кис лорода с адсорбентом намного меньше, чем в энергии хи мического взаимодействия азота и кислорода с медью. Поэтому эффект разделения смеси азота с кислородом в адсорбционном процессе, который относится к физикохимическим, будет существенно ниже, чем в реакции их химического взаимодействия с медью. Однако несмотря на то, что элементарный разделительный эффект, проис ходящий в физико-химических процессах, обычно неве лик, последние широко используются для глубокой очист ки веществ. Это объясняется 'следующими причинами:
1. Не всегда удается подобрать химическую реакцию, с помощью которой можно было бы эффективно очистить данное вещество, так как химические методы не пригод ны для очистки веществ от примесей с близкими к основ ному веществу свойствами. Это обусловлено тем, что до настоящего времени еще не разработаны схемы многосту пенчатых процессов глубокой очистки веществ с помо щью химических реакций. Существующие многоступен чатые химические методы разделения смесей (экстрак ция, метод химобмена при разделении изотопов и др.) всегда сопровождаются загрязнением выделяемого ве щества химическими реагентами, т. е. при их использова нии глубокой очистки веществ не происходит.
2.Физико-химические методы разделения смесей не тоебуют химических реагентов для своего осуществления. Поэтому они, в конечном итоге, являются менее энерго емкими, чем химические методы, особенно если учесть, что при осуществлени последних почти всегда возникает проблема отделения очищаемого вещества от продуктов реакции.
3.Физико-химические процессы, в отличие от химиче ских реакций, сравнительно просто осуществлять с ис пользованием принципа противотока. Это позволяет мно гократно умножить разделительный эффект и тем са мым достигать требуемой глубины очистки.'
Г Л А В А II ДИСТИЛЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
К дистилляционным методам относятся: простая пере гонка, ректификация и молекулярная дистилляция. Эти методы основаны на использовании различия в составах жидкости и испаряющегося >с ее поверхности пара. Это различие можно охарактеризовать величиной относитель ной летучести интересующего компонента, называемой в этом случае обычно коэффициентом разделения.
§ 1. Коэффициент разделения
Понятием «коэффициент разделения» мы уже поль зовались при рассмотрении химических методов глубо кой очистки веществ. Применительно к системе жид кость— пар, обозначая через х мольную долю редкого (примесного) компонента в жидкости, а через у — моль ную долго этого же компонента в равновесном с жидко стью паре, соответственно будем иметь:
а = |
х |
: —и . |
(II-1) |
|
1-х |
1-у |
К |
При этом принципиально не важно, какую из фаз считать в качестве первой; выражение вида (Н-1) обычно состав ляется таким образом, чтобы величина коэффициента разделения а была больше единицы.
• Величина коэффициента разделения а является важ
нейшей |
характеристикой |
однократного, элементарного |
|
процесса |
разделения. Из |
соотношения (II-1) видно, что |
|
если а = 1 , то разделения |
смеси не происходит, |
т. е. со |
|
став обеих равновесных фаз будет одинаков. Чем |
больше |
а отличается от единицы, тем 'больше эффект разделения. Поэтому в теории процессов разделения часто пользуют ся величиной
s = a — 1 , (II-2)
29
называемой коэффициентом обогащения. В химических методах разделения обычно всегда а^>1 и с достаточной точностью можно 'принимать, что' е^сс. Поэтому понятие о коэффициенте обогащения используется лишь в теории физико-химических процессов разделения, в которых ве личина а иногда 'мало отличается от единицы.
Коэффициент разделения в общем случае зависит от температуры проведения процесса, а также от природы и состава разделяемой смеси. При глубокой счистке ве ществ, когда суммарное содержание примесей, в очищае
мом веществе незначительно |
по сравнению с |
содержани |
ем основного компонента (2,v,-<Cl и 2г/г<1), |
взаимным |
|
i |
i |
|
влиянием примесей можно |
пренебречь. Следовательно, |
многокомпонентную смесь, каковой, как уже отмечалось, является каждое очищаемое вещество, можно рассматри вать как бинарную, состоящую из основного компонента
и данной примеси, с характерным для глубокой |
очистки |
соотношением |
|
х <С 1 и у € 1, |
(П-З) |
которое характеризует очень разбавленные растворы (твердые, жидкие, газообразные). При выполнении усло вия (П-З) можно полагать также, что коэффициент раз деления смеси основной компонент — примесь не будет зависеть от ее состава и при заданной температуре про ведения процесса будет являться постоянной величиной.
Использование условия (П-З) и принятие допущения о постоянстве величины коэффициента разделения а для
данной |
смеси основное вещество — примесь существенно |
|||
упрощает многие расчеты по оценке эффекта |
глубокой |
|||
очистки |
веществ. |
С учетом |
условия (П-З) |
выражение |
(II-1) запишется |
в виде |
|
|
|
|
|
а = |
*/(/. |
(11-4) |
Соотношение (П-4) характеризует процесс разделения, когда примесь концентрируется в жидкой фазе. В том случае, когда жидкая фаза обедняется примесью, коэф фициент разделения будем выражать следующим соотно шением:
a = yjx. |
(II-5) |
Использование уравнения (П-4) или (П-5) в расчетах определяется схемой проведения процесса разделения.
Знание величины коэффициента разделения необхо димо в каждом конкретном случае очистки для оценки
30