1.7. Классификация и основы расчета массообменных аппаратов.
Массообменные аппараты могут подразделяться по различным признакам:
по способу организации процесса:
— периодические,
— непрерывные;
по расположению в пространстве:
— вертикальные,
— горизонтальные,
— наклонные;
по давлению в аппарате:
— атмосферное,
— под избыточным давлением,
— под вакуумом;
по назначению: абсорберы, перегонные аппараты, ректификационные колонны, экстракторы, адсорберы, сушилки, кристаллизаторы и т.д.;
по способу организации контакта фаз:
— с непрерывным контактом фаз (плёночные, насадочные),
— со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые);
по конструкции (будет рассматриваться при изучении конкретных типовых процессов).
1.7.1 Технологический расчет аппарата с непрерывным контактом фаз
Большинство массообменных процессов проводят в цилиндрических вертикальных аппаратах (колоннах) непрерывного действия. Технологический расчёт заключается в определении основных размеров аппарата, для колонны это диаметр D и высота Н.
Исходными данными при проектном расчёте являются:
-
расход одной из фаз
,
начальная и конечная концентрация
распределяемого компонента в ней
и
.
-
начальная концентрация распределяемого
компонента в другой фазе
.
Определяются в ходе расчёта:
-
конечная концентрация
и расход второй фазы
.
Расчёт ведётся по основному уравнению массопередачи:
(1.56)
Согласно
этому уравнению, для нахождения F
необходимо найти количество распределяемого
компонента, переходящего из одной фазы
в другую за единицу времени
,
среднюю движущую силу
и коэффициент массопередачи
.
Определение
и
.
Запишем уравнение материального баланса для распределяемого вещества для аппарата в целом:
(1.57)
По
известным
,
,
находим
.
По уравнению
найти
и
невозможно.
Задаваясь
произвольным значением
можно найти
,
однако на
существует ограничение, связанное с
направлением процесса массопередачи.
Допустим, надо организовывать процесс
переноса распределяемого компонента
из фазы у в фазу х. Условие его проведения
у > y*
= mx
(рис.1.9).
Рис.1.9.Располажение рабочей и равновесной линий (противоток)
Точка
,
соответствует верхнему сечению аппарата.
Из точки
,
проводим серии рабочих линий, до касания
равновесной, для точки касания движущая
сила равна нулю и
=
min,
:
Надо,
чтобы
>
min.
можно найти решив задачу оптимизации.
Для начала можно брать
.
Для этого случая
находим из (1.57)
,
а затем среднюю движущую силу
;
,
- движущая сила массопередачи в верхнем
и нижнем сечениях аппарата.
Определение
скорости движения фаз и диаметра аппарата
.
Расчётные формулы:
(1.58)
Здесь
,
- объёмные расходы фаз;
,
-
первоначальные фиктивные скорости фаз,
отнесенные ко всей поперечной площади
аппарата
.
По D
подбираем по каталогу колонных аппаратов
и далее уточняют фиктивные скорости.
Реальные фиктивные скорости отличаются
от первоначальных. Для первоначального
подбора
и
обычно пользуются эмпирическими
зависимостями.
От скорости движения фаз зависят гидродинамический режим работы аппарата, коэффициенты массопередачи, величина поверхности контакта фаз.
Расчёт
коэффициента массопередачи
Вначале
находят коэффициент массоотдачи каждой
из фаз, пользуясь критериальным уравнениям
для
.
При выборе критериальных зависимостей
необходимо отдать предпочтение
уравнениям, полученным путем решения
дифференциальных уравнений. Эмпирические
зависимости, обычно, имеют границы
применения.
Определение требуемой межфазной поверхности F
По основному уравнению массопередачи определяется требуемая межфазная поверхность:
Нахождение высоты аппарата Н