ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 5, с. 483-489
УДК 66.048.3, 66.021.3
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНТАКТНЫХ ТАРЕЛОК С УЧЕТОМ НЕЭКВИМОЛЯРНОСТИ ПРОЦЕССОВ МАССООБМЕНА © 2011 г. Б. А. Ульянов, И. А. Семёнов, Н. Н. Кулов*
Ангарская государственная техническая академия *Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва
semenov_ia82@mail.ru Поступила в редакцию 24.09.2010 г.
Проведен анализ экспериментальных данных по ректификации смесей метанол—вода, этанол—вода и вода—уксусная кислота. Отмечено существенное отличие эффективности разделения смеси вода-уксусная кислота от водно-спиртовых растворов. Данное явление объяснено различием в теплотах испарения компонентов исследованных смесей и связанной с этим неэквимолярностью массооб-мена. Учет неэквимолярности массообмена позволил описать зависимость коэффициентов массо-отдачи единым уравнением для всех исследованных смесей.
ВВЕДЕНИЕ
Ректификация является одним из основных способов разделения жидких смесей на фракции или чистые компоненты. Изучению закономерностей ректификации посвящено множество работ. Однако некоторые особенности этого процесса нуждаются в дополнительном исследовании. В частности, не дано достаточно удовлетворительного объяснения резкому различию в эффективностях тарелок при разделении смесей, отличающихся физико-химическими свойствами [1-4]. В настоящей работе рассматривается влияние различий теплот испарения компонентов смеси, приводящее к неэквимо-лярности массообмена при ректификации.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ
В работе [5] было выполнено исследование ректификации трех бинарных смесей и определены эффективности тарелок по методу Мак-Кэба и Тиле, как отношение действительного изменения концентрации пара (у2—у1) к максимально возможному (у*-у1) при полном перемешивании жидкости на тарелке:
Е = .
У* - У1
(1)
Опыты проводились в стеклянной колонне диаметром 29 мм, снабженной тремя ситчатыми тарелками, в которых располагалось 60 отверстий диаметром 1.1 мм. Высота перелива составляла 11мм. Было установлено, что при разделении водно-спиртовых смесей эффективности тарелок Е приблизительно вдвое больше эффективно-стей, наблюдаемых при разделении смеси вода-
уксусная кислота. В табл. 1а-1в приведены некоторые результаты экспериментов из работы [5]. Нетрудно убедиться, что эффективность Е для водно-спиртовых смесей изменялась в пределах от 0.7 до 1.0 в зависимости от скорости пара wK. В то же время эффективность разделения смеси вода-уксусная кислота колебалась в диапазоне 0.4-0.5.
Из представленного в работе [5] материала нами были выбраны серии с узким интервалом изменения концентраций для того, чтобы более корректно провести их последующую обработку. В частности, мольный расход пара в колонке О оценивался исходя из линейной скорости пара w, площади сечения колонки Б и средней температуры ?(-,м; давление в колонке принималось равным 1 атм. В этом случае
О =
ПЪ'мБ
22.4 (273 + м)
Водно-спиртовые смеси, в которых легколетучий компонент имеет низкое поверхностное натяжение, относятся к положительным системам, в то время как система вода-уксусная кислота, в которой легколетучий компонент имеет высокое поверхностное натяжение - к отрицательным [6].
В результате массообмена между паром и жидкостью в положительных смесях поверхностное натяжение возрастает, жидкость начинает двигаться изнутри к границе раздела и пенообразова-ние усиливается. При разделении отрицательных смесей поверхностное натяжение на границе раздела фаз уменьшается и пенообразование подавляется.
Систематические визуальные наблюдения за состоянием двухфазного слоя показали [5], что при разделении положительных водно-спирто-
Таблица 1а. Результаты опытов по разделению смеси метанол—вода*
№ опыта т, м/с Е Е' О х 106, кмоль/с ву/ х 103, кмоль/(м2с) х 103 кмоль/(м2с)
Диапазон изменения концентрации: х = 0.70—0.95 мол. д. Среднее значение концентрации метанола: хм = 0.83 мол. д.; ?м = 67.2°С.
1 0.209 0.797 0.669 4.943 5.968 5.681
2 0.243 0.731 0.613 5.748 6.637 6.054
3 0.178 0.901 0.756 4.210 5.818 5.468
4 0.143 0.953 0.800 3.383 4.884 4.649
5 0.170 0.924 0.775 3.997 5.595 5.322
6 0.090 0.985 0.826 2.129 3.177 3.021
7 0.072 0.984 0.826 1.703 2.539 2.416
8 0.122 0.963 0.808 2.885 4.210 4.005
9 0.154 0.974 0.817 3.641 4.931 4.690
10 0.122 0.963 0.808 2.885 4.210 4.005
11 0.053 1.0 0.839 1.254 1.900 1.808
12 0.110 0.980 0.822 2.601 3.862 3.673
13 0.171 0.952 0.799 3.098 4.468 4.252
Диапазон изменения концентрации: х = 0.85—0.98 мол. д. Среднее значение концентрации метанола: хм = 0.915 мол. д.; (м = 65.7°С.
14 0.151 0.925 0.770 3.600 5.045 4.763
15 0.174 0.939 0.781 4.140 5.890 5.555
16 0.205 0.833 0.693 4.880 6.159 5.811
17 0.232 0.756 0.628 5.520 6.322 5.956
18 0.166 0.919 0.765 3.950 5.500 5.191
19 0.126 0.943 0.784 3.000 4.287 4.042
20 0.098 0.953 0.793 2.330 3.365 3.175
21 0.158 0.913 0.760 3.780 5.229 4.936
♦Диапазон изменения концентрации, указанный в табл. 1а—1в, соответствует содержанию легколетучего компонента в мольных долях в нижнем и верхнем сечениях колонны, соответственно.
вых смесей образовывалась пена из мелких круглых пузырьков диаметром 2—3 мм. С увеличением скорости пара высота слоя пены возрастала, и поверхность контакта фаз увеличивалась. Однако дальнейшее повышение скорости приводило к изменению структуры пены. Средний диаметр пузырьков увеличивался до 5—6 мм, структура слоя становилась рыхлой, пена приобретала ячеистый характер, а величина межфазной поверхности уменьшалась. При разделении отрицательной смеси вода—уксусная кислота таких пенных слоев не возникало. Жидкость на тарелке оказывалась пронизанной паровыми каналами. Любой образующийся пузырек немедленно разрушался, образуя факел. С увеличением скорости пара вы-
сота слоя жидкости на тарелке возрастала. Однако характер двухфазного слоя оставался прежним. Именно разным характером структуры двухфазного слоя и связанной с этим величиной межфазной поверхности авторы [5] объясняют наблюдаемое различие в эффективностях тарелок при разделении положительных и отрицательных смесей.
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Однако имеет место еще один важный фактор, который не был учтен при анализе результатов, а именно различие в теплотах испарения компо-
Таблица 1б. Результаты опытов по разделению смеси этанол—вода
№ опыта т, м/с Е Е' О х 106, кмоль/с Ру/ х 103, кмоль/(м2с) РУ/ х ^ кмоль/(м2с)
Диапазон изменения концентрации: х = 0.80—0.84 мол. д. Среднее значение концентрации метанола: хм = 0.82 мол. д.; tм = 78.5°С.
1 0.189 0.791 0.765 4.338 5.199 5.702
2 0.195 0.724 0.700 4.475 5.400 5.921
3 0.176 0.912 0.883 4.038 5.579 6.125
4 0.161 0.933 0.903 3.695 5.223 5.732
5 0.101 0.930 0.900 2.319 3.268 3.587
6 0.148 0.875 0.847 3.396 4.502 4.942
7 0.137 0.885 0.857 3.144 4.215 4.629
8 0.166 0.947 0.917 3.806 5.461 5.996
нентов и связанная с этим неэквимолярность процессов массообмена.
В табл. 2 приведены средние значения теплот испарений для метанола, воды и уксусной кислоты в исследованном диапазоне температур.
Видно, что молярные теплоты испарения компонентов существенно отличаются друг от друга. Это неизбежно ведет к неэквимолярности массо-обмена и возникновению результирующего потока массы.
На рис. 1 показана схема процессов тепло- и массообмена между паром и жидкостью на участке поверхности при ректификации бинарной смеси.
Принимая за положительное направление переход из жидкости в пар, можно написать следующее уравнение теплового баланса для установившегося процесса тепло- и массообмена:
>ьв^в - 1"нвтнв - Уо - Уь = 0. (2)
Как указывается в [5], ректификационная колонка была тщательно теплоизолирована и процесс протекал в условиях близких к адиабатическим. Удельные потоки тепла qG и qL, обусловленные разностью температур в ядрах О, tL и на границе раздела фаз t,, невелики. Если пренебречь ими, то можно выразить результирующий поток массы из одной фазы в другую т = тьв — — тнв следующим уравнением:
т = mLв (Гнв - /Ь)/>ив.
В зависимости от величин скрытых теплот испарения результирующий поток массы может быть направлен как из жидкости в пар, так и в противоположном направлении.
Если допустить, что на границе раздела фаз имеет место равновесие и концентрации пара и
жидкости равны у, и х,, то результирующий поток массы будет увлекать с собой низкокипящий компонент в паровой и жидкой фазах, соответственно, ту, и тх,. В этом случае уравнение массоотдачи для каждой из фаз можно записать как [7]
mLв = ву/Р (У - У о) + ту{, (3)
mLв = вх/Р (Хь - х1) + тх (4)
Жидкость Пар
Рис. 1. Схема распределения температур и концентраций по направлению потоков тепла и массы на участке поверхности контакта фаз.
Таблица 1в. Результаты опытов по разделению смеси вода-уксусная кислота
№ опыта ш, м/с Е Е' О х 106, кмоль/с Руг х 103, кмоль/(м2с) РУ/ х кмоль/(м2с)
Диапазон изменения концентрации: х = 0.78-0.87 мол. д. Среднее значение концентрации метанола: хм = 0.825 мол. д.; М = 101°С.
1 0.355 0.493 0.812 7.634 5.702 10.650
2 0.287 0.515 0.848 6.172 4.822 8.993
3 0.236 0.471 0.776 5.075 3.622 6.766
4 0.172 0.388 0.639 3.699 2.174 4.061
5 0.403 0.465 0.766 8.667 6.107 11.408
6 0.481 0.450 0.741 10.344 7.052 13.169
7 0.549 0.448 0.738 11.806 8.013 14.970
8 0.629 0.447 0.736 13.505 9.146 17.078
9 0.713 0.437 0.720 15.269 10.109 18.889
10 0.820 0.422 0.695 17.630 11.272 21.053
11 0.513 0.456 0.751 11.032 7.622 14.235
12 0.587 0.451 0.743 12.624 8.627 16.116
13 0.476 0.462 0.761 10.237 7.166 13.386
Диапазон изменения концентрации: х = 0.97-0.98 мол. д. Среднее значение концентрации метанола: хм = 0.975 мол. д.; М = 100.2°С.
14 0.312 0.474 0.816 6.710 4.819 9.408
15 0.610 0.442 0.761 13.110 8.780 17.142
16 0.362 0.474 0.816 7.780 5.588 10.908
17 0.425 0.467 0.804 9.140 6.467 12.626
18 0.284 0.503 0.866 6.110 4.656 9.091
19 0.194 0.484 0.833 4.170 3.058 5.968
20 0.823 0.424 0.730 17.700 11.371 22.200
21 0.162 0.475 0.818 3.480 2.504 4.891
Отношение потока низкокипящего компонента т1ББ к результ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.