Файл: Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие.pdf

(II-15) следует:

хо — хр

Vi — хо

Величина Фтт также может быть найдена графическим путем.

Понятие минимального флегмового числа широко используется в технологических расчетах процесса ректи­ фикации. Обычно ректификационные колонны работают при флегмовом числе, несколько большем минимального:

Фденстп = (1.4 Ч- 2) Ф м н н .

Для приближенной оценки величин /?макс И Фтт можно полагать, что y\~axQ\ последнее справедливо лишь в случае, если колонна содержит бесконечно большое ЧТТ. Тогда из соотношений (П-ЗЗ) и (11-34) .

Для получения высоко чистых веществ требуются ко­ лонны с большим числом тарелок. При этом для изготов­ ления колонны необходимо подбирать такой материал, который бы в заметной степени не загрязнял очищаемое вещество. В противном случае эффективность колонны будет резко падать, а увеличение ее длины с целью повы­ шения разделительной способности не даст желаемого результата (см. § 9 этой главы).

§6. Насадочные колонны

Внасадочных колоннах контакт между движущимися противотоком жидкостью и паром происходит на насад­ ке, заполняющей весь объем ректифицирующей части (рис. 14). В качестве насадки используются фарфоровые

ния площади взаимодействия жидкой и паровой фаз, что приводит к возрастанию эффекта разделения в колонне. При глубокой очистке веществ 'важную роль играет мате­ риал насадки, который может быть источником возмож­ ного загрязнения очищаемого вещества. В качестве мате­ риала насадки широко используется кварцевое стекло особой чистоты.

Один из путей анализа работы насадочных ректифи­ кационных колонн состоит в решении дифференциальных

46

уравнений, составленных на основе материального балан­ са разделяемой смеси. При составлении таких уравнений учитывается, что массообмен между жидкостью и паром имеет место по всей высоте колонны.

1. Понятие о движущей силе массообмена

Исходя из непрерывного характера процесса межфа­ зового массообмена по высоте колонны, составим урав­ нение материального баланса по редкому компоненту (примеси) для единицы объема слоя n°P насадки (рис. 15). Для случая, ког-

I I I

дрчнон колонны

да колонна работает в стационарном состоянии, т. е. ког­ да изменения концентрации примеси по высоте колонны со временем не происходит,

где х-—мольная доля примеси в жидкой фазе в некото­ ром поперечном сечении слоя насадки; z — координата вдоль высоты колонны; v—скорость межфазового пере­ хода примеси; количество примеси, переходящее из жид­ кой фазы в паровую (или, наоборот, из паровой фазы в жидкую) в единице объема колонны в единицу времени,

моль/см3-сек.

47

Скорость межфазового перехода компонентов в це­ лом определяется механизмом массообмена и величиной поверхности раздела фаз. Скорость перехода примеси из одной фазы в другую зависит от величины отклонения системы жидкость — пар от равновесного состояния. Если паровая и жидкая фазы находятся в термодинами­ ческом равновесии, то скорость перехода примеси (или основного вещества) из одной фазы в другую будет рав­ на нулю. Отсюда вытекает, что чем больше система жид­ кость—пар отклоняется от равновесного состояния, тем выше в этой системе будет скорость перехода компонен­ тов из одной фазы в другую (скорость массообмена)*.

Мерой отклонения системы от равновесия может слу­ жить разность между текущим и равновесным значения­ ми химического потенциала какого-либо компонента в одной из фаз. Из вышеизложенного следует, что когда эта разность равна нулю, то перераспределения компо­ нентов между фазами происходить не будет. Следова­ тельно, скорость массообмена можно охарактеризовать следующим соотношением:

в одной из фаз. Линейная зависимость между и и р, — р.* соблюдается тем точнее, чем меньше величина и.—р.*. Поэтому значения химического потенциала р и р.* в соот­ ношении (11-36) целесообразно рассматривать примени­ тельно к основному компоненту, для которого разность р—р* всегда меньше, чем для примесного компонента; эту разность обычно относят к паровой фазе.

Химический потенциал основного компонента в паро­ вой фазе связан с концентрацией последнего известным уравнением

* Следует помнить, что, например, сколько примесного компо­ нента будет перенесено из паровой фазы в жидкость, столько же основного вещества перейдет из" жидкой фазы в паровую, так как скорости потоков жидкой и паровой фаз в колонне принимаются постоянными.

48

где R — газовая постоянная; Т — температура; у, у— текущая и равновесная концентрации примесного компо­

равна по величине скорости переноса основного компо­

пропорциональности. В интересующем нас случае глубо­

скорости массообмена, или коэффициента массопередачя,

В насадочной колонне в течение процесса ректифика­ ции жидкая фаза обычно распределена в виде тонкой пленки, обволакивающей поверхность элементов насадки. Массообмен при этом происходит на границе раздела пар — жидкая пленка. Так как можно считать, что в тон­ кой жидкой пленке однородность состава по толщине этой пленки устанавливается сравнительно быстро, то массообмен в целом будет определяться скоростью диффузии примесного компонента в паровом простран­ стве. В соответствии с этим величина k в уравнении (11-40) будет тем-больше, чем больше удельная поверх­ ность контакта фаз и чем выше скорость диффузии при­ месного компонента в паровой фазе. С другой стороны, диффузия в паре имеет турбулентный характер, посколь­ ку пар проходит между элементами насадки по каналам различной формы и различных направлений. При возра­ стании линейной скорости парового потока турбулент­ ность в паре увеличивается, вследствие чего может про­ исходить изменение величины k и, следовательно, скоро­ сти массообмена.

49

Нетрудно заметить, что движущая сила процесса является выражением меры различия неравновесного и равновесного значений химического потенциала одного из компонентов смеси в одной из фаз. В силу сказанного движущая сила может быть выражена и через концентра­ ции в жидкой фазе.

2. Фактор разделения в стационарном состоянии и безотборном режиме

Дифференциальное уравнение (П-35) материального баланса по примесному компоненту для элемента объема насадки колонны, работающей в стационарном состоя­ нии, в соответствии с (Н-40) и (П-5) будет иметь вид

на через концентрацию х с помощью уравнения рабочей

где х и у означает соответственно концентрации примеси в жидкой я паровой фазах в некотором поперечном сече­ нии колонны.

Для безотборного режима работы колонны (р = 0) из выражения (11-42) следует, что у — х, т. е. составы жид­ кости и пара в одном и том же сечении колонны одина­ ковы и, следовательно, неравновесны. Последнее и явля­

В соответствии с принятой схемой процесса интегрируем

50