Berigtigelse

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. november 2019; checks kræver 17 redigeringer .

Rectification (fra latin rectus - direkte og facio - I do) er processen med at adskille binære eller multikomponentblandinger på grund af modstrøms masseoverførsel mellem damp og væske. Rectifikation er adskillelsen af flydende blandinger i praktisk talt rene komponenter, der adskiller sig i kogepunkter, ved gentagen fordampning af væsken og kondensering af dampe.

Ansøgning

Rectifikation anvendes i vid udstrækning i industrien, for eksempel til fremstilling af ethanol med adskillelse af fuselolier og aldehydfraktioner, til adskillelse af benzin , petroleum og andre fraktioner fra olie , samt til produktion af luftkomponenter ( ilt , nitrogen , inerte gasser ).

Retificering udføres i tårnsøjleapparater udstyret med kontaktanordninger (bakker eller pakning) - destillationskolonner , hvor multipel kontakt mellem strømmene af damp- og væskefaserne udføres. Drivkraften for ensretning er forskellen mellem de faktiske (arbejds)koncentrationer af komponenter i dampfasen og ligevægtskoncentrationerne for en given sammensætning af væskefasen. Damp-væske-systemet stræber efter at opnå en ligevægtstilstand. Ved kontakt med en væske beriges dampen med flygtige (lavtkogende) komponenter - NK, og væsken - med lavtflygtige (højtkogende) komponenter - VK. Væsken og dampen bevæger sig i modstrøm: dampen bevæger sig opad, væsken bevæger sig nedad, derfor er det med en tilstrækkelig høj søjlehøjde i dens øvre del muligt at opnå en næsten ren målkomponent. Afhængigt af processen kan en sådan komponent enten være et stof eller en azeotrop blanding .

Afhængigt af kogepunkterne for de væsker, der skal adskilles, udføres rektifikation under forskellige tryk: atmosfærisk - til kogning ved 30-150 ° C, over atmosfære - for væsker med lavt kogepunkt, for eksempel flydende gasser, i vakuum - at reducere kogepunkterne for højtkogende gasser. Udbedring kan udføres løbende eller periodisk. Kolonner til kontinuerlig destillation består af to trin: den øverste, forstærkning, hvor dampen "forstærkes" - beriget med NK, og den nederste - udtømmende, hvor den flydende blanding er udtømt - NK udvindes fra den, og den beriges med VC. Ved periodisk rektifikation forstærkes kun damp i søjlen. Der er rektifikation af binære (to-komponent) og multikomponent blandinger.

Beregning af berigtigelsesprocessen

Manuel (grafisk) beregning

Korrekt manuel beregning af korrigeringsprocessen er kun mulig for binære systemer. For at gøre dette er der ifølge de eksperimentelle data konstrueret et damp-væske-fasediagram, hvorpå arbejdslinjen for processen tegnes (en periodisk proces er vist i figuren) fra et punkt på diagonalen (væskelinjen) svarende til sammensætningen af destillatet til ordinatlinjen ved punktet , ${\displaystyle x_{d))$ $B$

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

, hvor - slimnummer, , - slim, - destillatudvælgelse.

R

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

F

D

Fra det punkt, der svarer til startkoncentrationen af den destillerede blanding (væske), konstrueres et lodret segment fra arbejdslinjen til skæringspunktet med damplinjen og derefter et vandret segment til skæringspunktet med arbejdslinjen (dette er den så- kaldet "adskillelsestrin" - en sådan beregningsmetode blev indført med dette udtryk). Ydermere gentages konstruktionen indtil punktet , tilbagesvalingsforholdet og det samlede antal separationstrin er det minimum, der er nødvendigt for at opnå et destillat af en given sammensætning, separationstrinene antages at være ideelle med effektivitet 100% og uendelig lille væskeophobning på pladen. I dette tilfælde ændrer sammensætningen af væsken i terningen sig konstant, når den flygtige komponent fjernes. Beregningsmetoden er detaljeret beskrevet i [1] , men anses nu for at være forældet, pga. tillader ikke at beregne korrekt og følgelig efter nogen vilkårlig tid . ${\displaystyle x_{p))$ ${\displaystyle x_{d))$ ${\displaystyle x_{p))$ ${\displaystyle x_{d))$ $t$

Maskinberegning

Ved maskinberegning indstilles de indledende koncentrationer af komponenterne på pladerne og i kuben, alle andre procesparametre, og koncentrationerne af komponenterne i kolonnen beregnes efter et vilkårligt tidsinterval.

Materialeberegning

De fleste af metoderne er baseret på den teoretiske plademodel , hvor materialebalancen følger: .

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

(en)

Dette er bakkeligningen for den fraktionerende del af batchkolonnen for komponenten på bakken . $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

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

(2)

Ligninger for en terning-fordamper ( ) $k=1$

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

(3)

Samlingsligninger:

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

(fire)

hvor

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

- koncentration af komponenten i væsken på pladen , molfraktioner ;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

, - koncentrationen af komponenten i dampen på pladen , ppm, tages i betragtning;

\mathbf{i}

\mathbf {k}

F

- slim, antal mol pr. tidsenhed, er indstillet;

V

- damp, antal mol pr. tidsenhed, indstilles;

L

- væskeophobning på pladen, Mol, er indstillet

LD

- den oprindelige mængde væske i samlingen, Mol, er angivet

LK

- den indledende mængde væske i terningen, Mole, er angivet

t

- Samlet procestid (vilkårlig dimension, måske sek, min, time, måned). og er givet i de samme enheder.

F

V

Udledning af ligninger (1 - 4)

Pladens materialebalance forudsætter overholdelse af en simpel betingelse:
Der var en komponent på pladen + kom i tide = venstre + væk. De der. for pladen af den ensrettede del af søjlen $jeg$ $k$ $dt$

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 øvre pladeligninger er ens, idet der tages højde for det faktum, at sammensætningen af den indkommende tilbagesvaling er lig med sammensætningen af den udgående damp.
Materialebalance af kuben : på tidspunktet for tiden var der en komponent + modtaget i løbet af tiden : $(k=1)$ $t$ $jeg$ $dt$

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

Forbliver i terningen efter tid + dampforbrug fra terningen i samme tid $dt$

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

Samlingens materialebalance på tidspunktet : $t$

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

Ligningerne ( 1 - 4 ) er afledt af disse ligheder (forsømmer og ). Ligningerne for den kontinuerte søjle udledes også, mens forstærkningsdelens ligninger falder sammen med ( 1 ), og ligningerne for den udtømmende del omfatter også søjlens potens. $\mathbf {dx\cdot dt}$ $\mathbf {dy\cdot dt}$

Den matematiske model af et destillationsanlæg med periodisk virkning er et system af sådanne ligninger, hvor er antallet af komponenter, er antallet af plader i den ensrettede del af kolonnen. Til dem lægges ligningerne for fordamperterningen og det samme antal ligninger fra samlingen, alle ligninger . $\mathbf {n\cdot m}$ $\mathbf {n}$ ${\mathbf {m))$ $\mathbf {n}$ $\mathbf {n\cdot (m+2)}$

Dette system er tidsintegreret ved hjælp af standard biblioteksprogrammer, f.eks. IMSL

I ligning (1 - 4) er koncentrationerne af komponenterne i dampen ukendte. Deres korrekte beregning i det generelle tilfælde er umulig, tilstrækkelige omtrentlige beregningsmetoder er en forretningshemmelighed. For blandinger, der afviger lidt fra Raoults lov, er beregningen af ligevægtskoncentrationerne af komponenter i en damp enkel. Og for blandinger, der afviger fra Raoults lov, inkl. azeotropisk (f.eks. ethanol - vand), kan en sådan beregning være nyttig til at vurdere dynamikken i ændringer i urenhedskoncentrationer.
Beregningen er baseret på Raoults lov og Daltons lov .

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

hvor

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

ligevægtskoncentrationer af komponenten i dampe på en plade

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

- deltryk af komponenten på pladen

\mathbf{i}

\mathbf {k}

P_{k}

- absolut tryk på pladen,

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

P_a

- Atmosfæretryk;

P_{g}

- tryk af væskesøjlen over pladen

\mathbf {k}

P_d

- yderligere tryk, der kræves for at overvinde den aerodynamiske modstand i kolonnens masseoverførselsanordninger.

I de fleste tilfælde kan det sidste led negligeres uden at øge den samlede regnefejl.
Deltryk af komponenten på pladen $\mathbf{i}$ $\mathbf {k}$

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

hvor

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

- tryk af en ren komponent ved en temperatur på en plade , beregnes i henhold til Antoines ligning

\mathbf{i}

\mathbf {k}

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

Koefficienterne for ligningen for mange stoffer er angivet i [2] . Men i denne ligning er det ukendte temperaturen på pladen . Det er fundet ud fra tilstanden $A,B,C$ ${\displaystyle T_{k))$

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

, dvs. for pladen betragtes ligningens rødder

\mathbf {k}

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

,de der. de finder en sådan temperatur, hvor summen af komponenternes partialtryk på pladen bliver lig med det absolutte tryk, hvorefter ligevægtskoncentrationerne af komponenterne på pladen beregnes og under hensyntagen til effektiviteten. pladerne virker. Under effektivitet plader her forstås som forholdet mellem forskellen i koncentrationerne af komponenterne i væsken og i dampen og det teoretisk mulige:

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

Således bliver alle de rigtige dele af ligningerne (1 - 4) kendt , til beregningen er det også nødvendigt at indstille startkoncentrationerne af komponenterne på pladerne.

Et eksempel på at bruge denne tilgang til at løse et praktisk problem er givet i artiklen [3] .

Termisk beregning

Manglende hensyntagen til pladens varmebalance fører til en stigning (ofte signifikant) i regnefejlen. Fordelen ved maskinel beregning (sammenlignet med manuel beregning) er tilgængeligheden af en sådan mulighed. Pladens varmebalance (såvel som materialebalancen) er baseret på den nødvendige lighed af den varme, der tilføres pladen og forbruges på den.

Varme kommer ind i pladen (næste ) ${\displaystyle Qp_{k))$

med varmere damp fra den forrige plade;
frigivet under kondenseringen af dampe, der kommer fra den foregående plade

Varmen bruges på en tallerken (yderligere ) ${\displaystyle Qr_{k))$

at opvarme den koldere slim, der kommer fra oven;
til fordampning
for varmetab (yderligere ) $Ql$

Uligheden af disse varme fører til en ændring i materialestrømmen af damp, fordi der er ingen andre varmekilder på pladen, mens (bortset fra varmetab) pladens varmebalance med sjældne undtagelser er positiv, pladen modtager mere varme, end der forbruges fra den af følgende årsager:

når kolonnen betjenes med et uendeligt tilbagesvalingstal, beriges dampen på bakken med en mere flygtig komponent sammenlignet med dampen, der kommer fra bakken nedenfor. Den teoretiske plademodel antager brugen af molære koncentrationer, og den molære fordampningsvarme af flygtige komponenter er altid mindre end mindre flygtige (i den homologe serie, men denne regel, med sjældne undtagelser, gælder også for heterogene blandinger).
når kolonnen arbejder med et endeligt tilbagesvalingsforhold (undtagen punkt 1), kommer mere varm damp ind i pladen end kold tilbagesvaling, og temperaturforskellen på pladerne, i gennemsnit over kolonnen, er den samme.

Den eneste mængde, der kan ændre sig på en plade med en varmebalance, der ikke er nul, er dampstrømmen. Hvis pladens varmebalance er positiv, dannes der en ekstra mængde damp på pladen , hvis den er negativ, så ændrer en ændring i dampstrømmen på pladen, mens materialebalancen skal overholdes, også flowet af pladen. slim fra det (men denne ændring påvirker ikke pladens varmebalance). ${\displaystyle \delta V_{k))$ ${\displaystyle -\delta V_{k))$

Beregningen af bakkernes varmebalance for hele kolonnen går ud på at finde dem , hvor varmebalancerne for alle bakkerne vil være nul. Men pladernes varmebalancer er indbyrdes forbundne, de kan ikke beregnes separat. Til beregningen er der udarbejdet et ligningssystem af formen , og ${\displaystyle \delta V_{k))$ $f_{k}\left(\delta V_{k}\right)=Qp_{k}-Qr_{k}=0$ $k=1,..\mathbf {m}$

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

- slim, der kommer ind i kolonnen fra tilbagesvalingssvaleren, mol pr. tidsenhed;

V

- damp, der kommer ind i kolonnen fra fordamperterningen, mol pr. tidsenhed;

D

- valg af destillat, mol pr. tidsenhed;

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

- varmekapacitet af damp, væske på en plade , J * mol / deg;

k

H_{k}

- fordampningsvarme (kondensation) af damp på en plade , J * mol;

k

t_k

- temperatur på pladen , gr.

k

{\displaystyle Ql_{k))

- varmetab på pladen i effektenheder, J pr. tidsenhed.

k

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

- ændring i strømmen af slim, damp på en tallerken , mol per tidsenhed.

k

Den øverste plade modtager slim af samme sammensætning som den udgående damp og samme temperatur, denne strøm påvirker ikke varmebalancen (temperaturforskellen er nul), værdien af slimstrømmen fra deflegmatoren til den øvre plade er lig med og formelt ikke afhænger af (på den øverste plade kommer væske ind i en mængde svarende til mængden af udgående damp minus ekstraktion ), men opfyldelsen af betingelsen skal altid kontrolleres . Der kommer damp ind i den nederste plade i mængden ( ). Fordamperterningens varmebalance tages ikke i betragtning, pga det antages, at kuben modtager varme i den mængde, der er nødvendig for at fordampe et mol damp. $(k=\mathbf {m} )$ $F$ ${\displaystyle \delta V_{m))$ $F+\delta V_{m}=V+\delta V_{m}-D$ $V+\delta V_{m}>D$
$(k=1)$ $V$ $\delta V_{0}=0$ $V$

Termisk beregning udføres efter beregning af temperaturen på pladerne og koncentrationerne af komponenter i dampe og før beregning af de rigtige dele af ligningerne (1 - 4) , som kræver indstilling af materialestrømme under hensyntagen til de beregnede korrektioner ( ikke angivet ) i ligning (1 - 4) ).

Blandingens varmekapacitet og fordampningsvarme er additive med tilstrækkelig nøjagtighed til beregninger .

Systemet med ikke-lineære ligninger løses også ved hjælp af standardprogrammer. $f_{k}$

Ulempen ved metoden er den høje beregningsmæssige kompleksitet .

Indledende værdier af koncentrationer

I tilfælde af periodisk rektifikation anbefales det før start af destillatekstraktion at betjene kolonnen med et uendeligt tilbagesvalingstal for den højest mulige koncentration af flygtige urenheder. Det samme gøres i maskinberegninger: de indstilles af vilkårlige begyndelseskoncentrationer af væske på pladerne (normalt lig med deres koncentrationer i kuben) med lige store strømme af slim og damp. Beregningsresultaterne (koncentrationer af komponenter i kolonnen, beregnet for tid ) vil asymptotisk nærme sig en bestemt stationær tilstand, men en sådan beregning kræver en lang beregningstid og er ikke nødvendig - stabil nok tre signifikante cifre. Du kan heller ikke indstille en null-værdi , ellers vil en runtime-fejl blive genereret . For at eliminere denne fejl sættes de til en værdi, der ikke er nul med vilkårlige koncentrationer af komponenter, og ved slutningen af beregningen trækkes det oprindeligt specificerede antal komponenter fra den beregnede. ${\displaystyle t_{1}<t_{2}<t_{3))$
$LD$ $LD$

Kontrol af korrektheden af beregningen

Den enkleste (men ikke den hurtigste) måde at kontrollere rigtigheden af beregninger på er den ovennævnte beregning med et uendeligt tilbagesvalingstal (dampstrømmen er lig med tilbagesvalingsstrømmen). Hvis der er fejl i programmet, vil resultatet af beregningen af koncentrationerne af komponenter i kolonnen for forskellige ved ikke være konstant. Derudover skal følgende betingelser til enhver tid være opfyldt : $t$ $t\to \infty$
$t$

Søjlens materialebalance: den samlede mængde af hver komponent, angivet i begyndelsen (i terningen, på pladerne og i opsamleren) skal være lig med den samlede mængde af hver komponent ved slutningen af beregningen.
Summen af koncentrationerne af komponenterne i væsken og i dampen (i terningen og på hver plade) skal være lig med én.

Rigtigheden af modellen betyder naturligvis ikke, at den nøjagtigt vil svare til den virkelige proces - de antagelser, der er gjort ved beregning af ligevægtskoncentrationerne af komponenterne i dampen, øger regnefejlen. Fejlen påvirkes også (men i mindre grad) af den manglende hensyntagen til pladens varmebalance. En anden fejlkilde er overvurdering af effektiviteten af kolonnens masseoverførselsanordninger (Effektivitet af bakker - til bakkekolonner eller pakning - for pakkede kolonner). Disse fejl fører til, at beregningsresultaterne vil blive overvurderet i forhold til de reelle (dvs. modellen opfører sig som en mere effektiv reel søjle med de samme procesparametre), hvilket er forståeligt - modellen er en ideel abstraktion, selv hvis man tager tage højde for C.P. D-pladen eller dyseeffektiviteten (producenterne angiver disse egenskaber som de maksimalt mulige).

Se også

Noter

↑ Kasatkin Andrey Georgievich . Grundlæggende processer og apparater inden for kemisk teknologi. Lærebog for gymnasier. 10. udgave, stereotypt, revideret. Genoptrykt fra 1973-udgaven (Moskva: Alliance, 2004), s.425
↑ NIST Chemistry WebBook . Hentet 3. april 2019. Arkiveret fra originalen 23. maj 2007. (ubestemt)
↑ Effekten af væskeophobning på kolonneeffektiviteten . Hentet 10. december 2019. Arkiveret fra originalen 10. december 2019. (ubestemt)

Litteratur

Devyatykh GG, Elliev Yu. E. Introduktion til teorien om dyb rensning af stoffer. — M.: Nauka, 1981. — 320 s.