Метод однократного испарения (ОИ)

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
РАЗДЕЛЕНИЯ ГОРЮЧИХ
ИСКОПАЕМЫХ
И ПРОДУКТОВ ИХ
ПЕРЕРАБОТКИ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МЕТОДОВ ОДНОКРАТНОГО ИСПАРЕНИЯ,
РЕКТИФИКАЦИИ, АДСОРБЦИИ, АБСОРБЦИИ,
ЭКСТРАКЦИИ, КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, МЕМБРАННЫХ
МЕТОДОВ РАЗДЕЛЕНИЯ

Скорость перехода вещества
пропорциональна степени отклонения от
равновесия:
*
q   KF C
C  C  C
где q – количество вещества, перешедшее из одной фазы в
другую, кг/с;
К – коэффициент пропорциональности (или коэффициент
массопередачи, м/с);
F – поверхность соприкосновения фаз, м2;
3
 С – движущая сила массопередачи, кг/м ;
С – фактическая концентрация компонента в одной из фаз;
С* – равновесная концентрация компонента в той же фазе.
Метод однократного испарения

Метод однократного испарения (ОИ)
многокомпонентной углеводородной
смеси заключается в определении доли
паров, которые образуются при
нагревании исходной смеси до заданной
температуры.
Расчетное уравнение получают
совместным решением уравнения
материального баланса процесса ОИ по
содержанию компонента i и уравнения
равновесия фаз:
'
XF
i
'
'
'
'
'
'
 e yi  (1  e ) xi yi  Kp  xi
i
K p  Pi / П
i
при П < 0,4–0,5 МПа
X F' i– мольная доля компонента i в исходной смеси;
e'
и
(1 –e ') мольные доли паров (доля отгона) и жидкой фазы
соответственно;
K–р константа фазового равновесия компонента i.
Pi
– давление насыщенных паров компонента i при температуре ОИ;
П – давление в системе, при котором производится ОИ.
Совместным решением уравнений
получаем:
'
'
Xi

xF
xi / M i
x 'i 
 ( xi / M i )
i
1  e '( K р  1)
i
М
M
X 'F 
XF
i
Mi i
M
Мi– молекулярная масса компонента;
М – средняя молекулярная масса сырья.
1
m
XF

i 1 M
i
i
Ректификация

Ректификацией
называется
массообменнный процесс разделения
жидких смесей на чистые компоненты,
различающиеся
по
температурам
кипения,
за
счет
противоточного
многократного контактирования паров и
жидкости.
В работающей ректификационной колонне
через каждую тарелку проходят 4 потока:
1) жидкость – флегма, стекающая с
вышележащей тарелки;
 2) пары, поступающие с нижележащей
тарелки;
 3) жидкость – флегма, уходящая на
нижележащую тарелку;
 4) пары, поднимающиеся на вышележащую
тарелку.

Схема потоков колонны:
При установившемся режиме работы колонны уравнение
материального баланса представляется в следующем
виде:
F=D+W,
тогда для низкокипящего компонента FxF = DxD + WxW.
Из полученных уравнений, при известных F и xF,
определяют количество либо дистиллята D, либо кубового
остатка W:
FxF  DxD  ( F  D) xW
( xF  xW )
D
F
xD  xW
xF  xD
W
F
xW  xD
Адсорбция

Адсорбция
–
это
процесс
концентрирования газов или жидкостей
на поверхности твердых адсорбентов.
Уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра
mmax Api*
m
1  Api*
где m – количество вещества, поглощенное массовой (или об.) единицей
сорбента;
А – константа, зависящая от свойств сорбента и поглощаемого вещества;
mmax – емкость монослоя (максимальная адсорбция при покрытии активных
pi
центров монослоя);
– равновесное парциальное давление адсорбируемого i-го газа.
Например, при восстановлении СО2 (в
газогенераторе, доменных печах) по
реакции
С(Т) + СО2(Г) = 2СО(Г)
K
1  хр 
*
( pCO
)2
хр 
pCO2
*
рCO
2
Р
ΔН = –167,5 КДж,
Кр 
*
pCO
хр2 Р 2
(1  хр ) Р
Р

хр2 Р
1  хр
Основные различия между физической
и химической адсорбцией
Физическая адсорбция
1) Теплота адсорбции ~ 10 ÷ 30
кДж/моль
2) Скорость адсорбции W ~ a –
число ударов о стенку
3) Температурная зависимость
скорости W ~ a ~ T
4) Адсорбция неспецифична и ряд
по адсорбируемости сохраняется
на любом адсорбенте.
Химическая адсорбция
1) ~ 100 ÷ 300 кДж/моль
2) W  ae

E
RT
, где Е > 80 ÷ 120 кДж/моль
3)
Скорость
процесса
резко
увеличивается с температурой
4) Адсорбция специфична. Данный
газ может с одним адсорбентом
реагировать, с другим – нет.
Абсорбция
Абсорбция – это процесс объемного
поглощения газов и паров жидкостью с
образованием раствора.
Для абсорбционно-десорбционных процессов равновесие
между газами и их растворами в жидкости выражается
законом Генри:
р  ψN
*
где р* – равновесное парциальное давление поглощаемого компонент
в газе;
N – молярная доля поглощаемого компонента в растворе;
ψ – постоянная Генри (размерность давления).
Экстракция
Движущая сила любого процесса, в том числе и при образовании
раствора, характеризуется свободной энергией. Для любого
раствора справедливо равенство
G  I  T S
Углеводородные системы можно рассматривать в первом
приближении как идеальные, подчиняющиеся закону Рауля:
0
Pi  Pi X i
Коэффициент относительной летучести (α)
растворяемых компонентов рассчитывается как
отношение давлений насыщенного пара:
P10
α 0
P2
При введении полярного растворителя система становится неидеальной:
Pi  γi Pi X i
0
Коэффициент относительной летучести (αр) разделяемых компонентов в
присутствии растворителя
0
αp 
Селективность
γ1P1
γ2 P20
αp γ1
S

α γ2
Значение коэффициентов активности
углеводородов различных гомологических
рядов (при одинаковом числе углеродных
атомов в молекуле) в полярных
растворителях изменяется в ряду
алканы > циклоалканы > алкены > алкадиены > арены.
Максимальная селективность при данной температуре
достигается при бесконечном разбавлении углеводородов:
γ1
0
Smax 
γ2
0