Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012






НазваниеМетодическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012
страница1/6
Дата публикации23.01.2015
Размер0.67 Mb.
ТипМетодическое пособие
e.120-bal.ru > Документы > Методическое пособие
  1   2   3   4   5   6


Бюджетное образовательное учреждение Омской области среднего профессионального образования

«Омский промышленно-экономический колледж»

Массообменные

процессы и аппараты

Методическое пособие по учебной дисциплине

«Процессы и аппараты»

для специальности 240134 Переработка нефти и газа

Омск-2012


Массообменные процессы и аппараты. Методическое пособие. 2012 г. 73 стр.

Автор: О.Л. Овчинникова, преподаватель высшей категории ОПЭК.
Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» разработано в соответствие с ФГОС СПО для специальности 240134 Переработка нефти и газа.

В пособии изложены сущность массообменных процессов, основные понятия и законы. Рассмотрены типовые конструкции основных аппаратов, описано их устройство и принцип действия.

Для закрепления теоретических знаний предложены расчетные задачи и вопросы для самоконтроля.

Разработанное пособие может быть использовано студентами очной и заочной форм обучения по специальности 240134 Переработка нефти газа.
Рецензенты: Носенко В.Н. к.т.н., доцент кафедры хим. технологий ОмГУ

Г.Н.Звонова, преподаватель высшей категории БОУ ОО СПО ОПЭК

Введение
В химической и нефтехимической промышленности широко используются массообменные процессы, основанные на переносе вещества из одной фазы в другую. Применение массообменных процессов позволяет решать такие задачи, как разделение жидких и газовых смесей, их концентрирование, а также защита окружающей среды (например, очистка сточных вод и сбрасываемых в атмосферу газов).

Массообменные процессы являются обратимыми, что позволяет получать как целевые продукты, так и выделять нежелательные вещества, которые можно направить на последующую переработку. Например, ценные компоненты масла выделяют из растворителя при деасфальтизации гудрона, а нежелательные вещества, например, сероводород, использующийся для производства серы и серной кислоты, – при очистке газов путем абсорбции моноэтаноламином.

В химической промышленности наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы:

  1. Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем.

  2. а) Дистилляция – процесс частичного испарения жидкой смеси и образования пара, при конденсации которого образуется жидкость нового состава.

б) Ректификация – процесс разделения однородных жидких смесей, состоящих из нескольких компонентов, за счет противоточного взаимодействия двух фаз: жидкости и пара, образующегося из этой жидкости.

  1. Экстракция (жидкостная) – извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой.

  2. Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем.

  3. Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов.

  4. Сушка – удаление влаги из твердых материалов, в основном путем ее испарения.

  5. Растворение и экстрагирование из твердых тел – это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель).

  6. Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.

  7. Мембранные процессы – избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой мембраны.

Процессы ректификации широко используются в химической и нефтехимической промышленности для получения отдельных компонентов или смесей более простого состава. С их помощью проводят разделение разнообразных смесей (сжиженные газы, нефтепродукты первичной и вторичной переработки и др.) для получения высокосортных топлив или веществ, имеющих желаемую степень чистоты.


Теоретические основы процесса ректификации

Ректификация – процесс разделения однородных жидких смесей, состоящих из нескольких компонентов, за счет противоточного взаимодействия двух фаз: жидкости и пара, образующегося из этой жидкости; тепломассообменный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых отличаются по температурам кипения.

Ректификация осуществляется в колонных аппаратах, имеющих тарелки или насадки, а также пленочные колонны. В процессе ректификации по всей высоте колонны происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается высококипящим компонентом, а паровая фаза – низкокипящим.

Высококипящий компонент – компонент смеси, имеющий наименьшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров других компонентов смеси и наибольшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов смеси давлении.

Низкокипящий компонент – компонент смеси, имеющий наибольшее давление паров и наименьшую температуру кипения.

Процесс ректификации предназначен для разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения.

Жидкость, выходящая из верхней части колонны и отбираемая как готовый продукт называется дистиллятом (ректификатом).

Жидкость, выходящая из верхней части колонны и возвращаемая в колонну, называется флегмой.

Жидкость, выходящая из нижней части колонны, называется кубовым остатком.

Различают несколько видов ректификации:

  1. Непрерывная бинарная ректификация.

  2. Периодическая ректификация. Работает для укрепления паров. Применяют в тех случаях, когда использование непрерывной нецелесообразно: если разделение смеси требует определенного времени для накопления продуктов и их количество невелико или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами:

а) При постоянном флегмовом числе

б) При постоянном составе дистиллята

  1. Экстрактивная ректификация. Применяется для разделения бинарной смеси, летучести компонентов которой близки. Для облегчения разделения такой смеси и упрощения устройства ректификационной колонны в смесь добавляется третий компонент – экстрагент.

  2. Азеотропная ректификация. Применяется для разделения азеотропных смесей, т.е. смесей, имеющих точки на фазовых диаграммах, в которых составы пара и жидкости равны. Для этого к смеси добавляется другой компонент, образующий с одним из компонентов исходной смеси новую более летучую азеотропную смесь. Новая смесь отгоняется в качестве дистиллята, другой чистый компонент выводится в виде кубового остатка.

Факторы, оказывающие влияние на процесс ректификации:

  1. Разность между рабочими и равновесными концентрациями. Чем больше разность, тем скорость массообмена выше.

  2. Разность между температурами кипения кубовой жидкости и дистиллята. Чем выше разность, тем большее происходит обогащение пара низкокипящим компонентом, а стекающей вниз флегмы – высококипящим.

  3. Физические свойства сред. Иногда возможно существенное изменение физических свойств сред по высоте колонны, что может повлиять не только на скорость массопереноса, но и на величину поверхности контакта фаз (ухудшение или улучшение смачиваемости насадки, изменение размеров пузырьков и т.д.), что может быть связано с изменением поверхностного натяжения жидкости вследствие изменения ее состава и температуры.

Равновесие в системах жидкость - пар
Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействия между всеми молекулами равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Следовательно, парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т.е. парциальное давление компонента возрастает пропорционально его содержанию в жидкой смеси. Эта зависимость выражается законом Рауля:

pA = PоA ∙ xA и pB = PоB ∙ (1 – xA),

где pA, pB – парциальные доля компонентов А и В; PоA, PоB, - давления паров чистых компонентов А и В; xA, (1 – xA) – мольные доли компонентов А и В.

По закону Дальтона парциальные давления паров в системе

рА = Ру; рВ = Р ∙ (1 – у),

где Р – общее давление паров в системе; у, (1 – у) – мольные доли компонентов А и В.

Для установившегося равновесия из уравнений законов Рауля и Дальтона

рА = Ру и 1 – у = ∙ (1 – х)

Поскольку процессы в аппаратах осуществляются практически всегда при изобарических условиях, равновесную зависимость рассматриваемого процесса можно представить как функции двух переменных t – x, t – y и y – x. При этом графики t – y и t – x можно совместить (рис.1)



Рис.1 Зависимость температуры парожидкостной системы от состава фаз в условиях равновесия

Нижняя ветвь на диаграмме отвечает температурам кипения жидкой смеси, верхняя – температурам конденсации паровой смеси.

Используя диаграмму (рис.1), можно по составу жидкой фазы х1 найти равновесный ей состав пара у1 и температуру в системе t1.

Для идеальных смесей в соответствии с законами Рауля и Дальтона можно записать

y = = =

Введя величину относительной летучести компонента А по отношению к компоненту В

=

получаем

y =

Графическая зависимость этого уравнения для разных давлений в системе представлена на рис.2



Рис.2 Влияние изменения давления на положение равновесной кривой для идеальных смесей

Поскольку отношение РА и РВ не являются постоянными в диапазоне температур кипения разделяемых компонентов, в уравнение следует вводить среднее уравнение относительной летучести

ср = ,

где 1 и 2 – относительные летучести компонентов А и В.

Также следует учитывать, что равновесие в рассматриваемой смеси зависит от давления в системе (рис.2).

Кроме идеальных систем существуют реальные системы, характеризующиеся положительными или отрицательными отклонениями от закона Рауля (рис.3)



Рис 3

. Диаграмма р – х для смеси с положительным отклонением от закона Рауля

По степени растворимости компонентов смеси жидкостей можно разделить на три группы: взаимно растворимые в любых соотношениях, частично растворимые и взаимно нерастворимые.

Взаимная растворимость жидкостей обычно увеличивается с повышением температуры. Взаимно растворимые жидкости можно разделить на следующие группы:

  1. Идеальные растворы. Подчиняются закону Рауля.

  2. Нормальные растворы – смеси, частично отклоняющиеся от закона Рауля, но не образующие азеотропных смесей, т.е. смесей

  3. Неидеальные растворы – смеси, значительно отклоняющиеся от закона Рауля, в том числе образующие азеотропные смеси.

Для реальных систем представлены диаграммы t – x,y и x – y на рис.4



а) б) в) г)

Рис.4 Равновесные кривые для различных типов бинарных смесей:

а – равновесная зависимость; б – для частично растворимых смесей; в, г – для хорошо растворимых смесей с минимумами и максимумами температур кипения

На приведенных диаграммах имеются точки пересечения равновесной линии с диагональю, в которых состав пара равен составу жидкости. Эти точки называются точками азеотропного состава, в которых системы находятся в термодинамическом равновесии, и разделение их методами дистилляции и ректификации невозможно.

Материальный баланс процесса ректификации
Работа ректификационной колонны характеризуется материальным балансом по потокам и каждому компоненту смеси. Для бинарной смеси обычно составляют баланс по низкокипящему компоненту.

Материальный баланс может вычисляться в массовых и мольных долях. Расчеты ректификационных аппаратов количество и состав фаз удобнее проводить в молярных величинах.

Для процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара, принимают следующие допущения:

  1. Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, т.е. при конденсации каждого Кмоль пара испаряется такое же количество Кмоль жидкости. След – но, количество пара, движущегося в аппарате снизу вверх, выраженное в Кмоль, одинаково в любом сечении ректификационной колонны.

  2. При конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, т.е. состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу получаемого дистиллята и флегмы (yD = xD).

  3. При испарении кубовой жидкости в испарителе изменение ее состава не происходит, т.е. состав жидкости, выгружаемой из нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара (yW = xW).

  4. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Введем обозначения:

GF – количество смеси, поступающей на ректификацию;

GD – количество получаемого дистиллята;

GW – количество получаемого кубового остатка;

GR – количество флегмы, возвращаемой в колонну;

GV – количество паров в верхней части колонны.

xF, xD, xW, xR, y – содержание низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке, флегме и паре.

Материальный баланс для всей колонны

Уравнение материального баланса состоит из двух равенств:

по входящим и выходящим потокам

GF = GD + GW;

по низкокипящему компоненту в этих потоках

GF ∙ xF = GD ∙ xD + GW ∙ xW.

Материальный баланс для верхней части колонны

по входящим и выходящим потокам

GV = GR + GD

по низкокипящему компоненту в этих потоках

GV ∙ y = GR ∙ xR + GD ∙ xD

(GR + GD) ∙ y = GR ∙ xR + GD ∙ xD

Разделим на GD

(+ 1) ∙ y = ∙ x + xD

Введем обозначение

R =

R – флегмовое число – отношение количества дистиллята, возвращенного в колонну в виде жидкости (флегмы), к количеству дистиллята, отобранного в качестве готового продукта.

Заменим на R

(R + 1) ∙ y = R ∙ x + xD

Получаем уравнение рабочей линии верхней части колонны

y = ∙ x +

Уравнение рабочей линии устанавливает связь между концентрациями потоков пара и жидкости.

Рабочая линия имеет наклон относительно оси абсцисс

tg =

Отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси оу

B =

Материальный баланс для нижней части колонны

по входящим и выходящим потокам

GV + GW = GR + GF

по низкокипящему компоненту в этих потоках

GV ∙ y + GW ∙ xW = (GR + GF) ∙ x

GV ∙ y = (GR + GF) ∙ x – GW ∙ xW

(GR + GD) ∙ y = (GR + GD) ∙ x – (GF – GD) ∙ xW

Разделим на GD

( + 1) ∙ y = ( + 1) ∙ x – ( - 1) ∙ xW

Введем обозначение

F =

F – относительный мольный расход питания на 1 Кмоль дистиллята.

Заменим на F

(R + 1) ∙ y = (R + F) ∙ x – (F – 1) ∙ xW

Получаем уравнение рабочей линии нижней части колонны

y = ∙ x – ∙ xW

Рабочая линия имеет наклон относительно оси абсцисс

tg =

Отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси оу

В = ∙ xW
  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconМетодические указания содержат сведения по основам теории массообменных...
...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconМетодическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине “
Данное методическое пособие издается в соответствии с учебным планом для студентов II курса дневного и III курса заочного обучения...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconУчебно-методическое пособие для практических занятий и самостоятельной...
Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственным стандартом высшего профессионального образования специальности...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconПланы семинарских занятий по курсу макроэкономика ч. П. для студентов...
Данное методическое пособие составлено в помощь студентам 1 курса факультета экономики и управления ргу нефти и газа им. И. М. Губкина,...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconПланы семинарских занятий по курсу макроэкономик а часть П
Данное методическое пособие составлено в помощь студентам 1 курса факультета экономики и управления ргу нефти и газа им. И. М. Губкина,...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconПланы семинарских занятий по курсу экономическая теория микроэкономика, часть 1
Данное методическое пособие составлено в помощь студентам 1 курса факультета экономики и управления ргу нефти и газа им. И. М. Губкина,...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconМикроэкономика сборник задач и упражнений
Сборник задач и упражнений по курсу «Микроэкономика». Учебно-методическое пособие. – М.: Ргу нефти и газа, 2010. – 53

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconДобыча нефти и газа в Норвегии Суверенитет Норвегии
Король, на практике правительство, может давать разрешение на разведку и добычу нефти и газа. В тот же год нефтяным компаниям была...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconПрограмма разработана Институтом проблем развития кадрового потенциала...
Программа предназначена преимущественно для лиц, работающих или желающих работать в нефтегазовом секторе экономики, и имеющих высшее...

Методическое пособие по учебной дисциплине «Процессы и аппараты» для специальности 240134 Переработка нефти и газа Омск-2012 iconМетодическое пособие по дисциплине Экономика отрасли Для всех специальностей
Методическое пособие предназначены для студентов выпускников и преподавателей колледжей, реализующих Государственный образовательный...






При копировании материала укажите ссылку © 2016
контакты
e.120-bal.ru
..На главную