83. Азеотропная ректификация.

азеотропная ректификация заключается в осуществлении процесса в присутствии разделяющего компонента, образующего с компонентами разделяемой смеси один или несколько азеотропов, которые в основном отбираются в виде дистиллята.

Исходную смесь, состоящую из компонентов А и В, подают на тарелку питания колонны 1 для экстрактивной ректификации. Несколько выше тарелки питания вводят разделяющий агент С. Низкокипящий компонент отбирают в виде дистиллята, а смесь высококипящего компонента В и разделяющего компонента С из нижней части колонны 1 направляют на разделение в колонну 2. Разделяющий компонент, отбираемый в виде кубового остатка, возвращают на орошение колонны 1.

Рис. 3.31. Схема установки для азеотропной ректификации: 1 – колонна; 2 – конденсатор; 3 – отстойник; 4 – кипятильник

При азеотропной ректификации (рис. 3.31) исходную азеотропную смесь подают на тарелку питания колонны, которая орошается сверху разделяющим агентом С. Расход разделяющего агента в основном зависит от состава исходной смеси. Так, при азеотропной ректификации расход разделяющего компонента увеличивается с повышением в исходной смеси концентрации тех компонентов, которые отбирают в дистиллят. При экстрактивной ректификации, наоборот, расход разделяющего компонента возрастает при увеличении в исходной смеси концентрации компонентов, отбираемых в виде кубового остатка.

Наиболее сложной задачей при использовании методов экстрактивной и азеотропной ректификации является выбор разделяющего компонента, который должен удовлетворять следующим требованиям:

1) обеспечивать возможно большее повышение коэффициента относительной летучести разделяемых компонентов;

2) достаточно легко регенерировать;

3) хорошо растворять разделяемые компоненты для предотвращения расслаивания жидкой фазы при температурных условиях в колонне;

4) быть безопасным в обращении, доступным, дешевым, термически стабильным. Обычно при выборе разделяющего агента основываются на справочных данных.

Если в качестве разделяющего агента используют растворимые твердые вещества, то такой процесс разделения называют солевой ректификацией.

84.Виды связи влаги с материалом. Явление термовлагопроводности. Кривые и скорости сушки

 В наиболее широком смысле влагу, находящуюся в твердом материа­ле (ТМ), можно классифицировать на свободную и связанную. Свободной называют влагу, удерживаемую материалом только в результате механического сцепления. Такая влага ничем не отличается от разлитой на какой–нибудь поверхности.

Связанной называется влага, удерживаемая материалом какими–либо дополнительными (помимо механического сцепления) силами: физической адсорбции, капиллярными, гигроскопическими и др. Эту влагу при сушке надо оторвать от материала, затратив дополнительную энергию.

Связь влаги с материалом может быть механической, физико–химической и химической. Механически с твердым материалом связана по­верхностная влага и влага, заполняющая поры и крупные капилляры в ма­териале при его смачивании. Такая влага легко удаляется из материала и обычно называется внешней. Физико–химически с твердым материалом связана влага, поглощенная поверхностью мелких капилляров (адсорбци­онная влага) или проникшая внутрь клеток органического материала вследствие диффузии (структурная и осмотическая влага). Химически свя­зана с твердым материалом гидратная влага (или кристаллизационная), ко­торая в процессе сушки обычно не удаляется. В отличие от внешней, вла­гу, прочно связанную с материалом, называют гигроскопической.

В зависимости от формы связи влаги с материалом она может быть удалена различными способами:

механическими – прессованием, отсасыванием, фильтрованием и центрифугированием. Эти способы используются в тех случаях, когда тре­буется частичное удаление внешней влаги;

физико–химическими – путем поглощения влаги гигроскопическими веществами (хлористым кальцием, спиртом, серной кислотой и др.). Эти способы применяются главным образом для удаления влаги из газов;

тепловыми – испарением, выпариванием, конденсацией и вымора­живанием. Эти способы применяются, когда требуется практически полное удаление внешней влаги и частично гигроскопической.

Критическая влажность материалов с развитыми порами характеризует состояние, когда давление пара в порах становится меньше давления насыщенного пара при данных условиях.  

Критическая влажность материала характеризует окончание периода постоянной скорости сушки и начало второго периода падающей скорости.  

Величина критической влажности материала зависит от его свойств, температуры сушки, скорости и влажности воздуха.  

Следовательно, уменьшение критической влажности материала с уменьшением толщины слоя позволяет сократить время сушки за счет увеличения доли влаги, испаряемой с наибольшей скоростью.  

Термовлагопроводность в капиллярно-пористом теле может быть вызвана расширением защемленного воздуха в капилляре.

Термовлагопроводность - процесс влагопереноса в материале, обусловленный наличием градиента температуры. Происходит за счет перемещения влаги в виде пара, жидкости и пленок по механизму неизотермического скольжения пара, термодиффузии пара в капиллярах, термокапиллярного скольжения пленок.  

Термовлагопроводность в пористом теле может быть вызвана другой причиной-наличием защемленного ( не сообщающегося с наружным) воздуха. При повышении температуры давление защемленного воздуха увеличивается, пузырьки воздуха расширяются, в результате чего жидкость в капилляре проталкивается по направлению потока тепла.

Термовлагопроводность в грунтах вызывается рядом явлений. Вследствие разной скорости молекул нагретых и холодных слоев грунта - за счет молекулярной термодиффузии в основном в виде молекулярного течения пара. Из-за капиллярной проводимости, прямо пропорциональной поверхностному натяжению, которое с повышением температуры уменьшается, также уменьшается и капиллярный потенциал, поэтому влага в виде жидкости перемещается из нагретых слоев грунта к холодным. Движение влаги в грунте по направлению потока тепла может быть вызвано также наличием воздуха, защемленного в грунте.

Термовлагопроводность зависит прежде всего от разности температур в толще и от влажности материала. Для каждого материала существует вполне определенная влажность, при которой при наличии разницы температур в толще материала проявляется максимальная Термовлагопроводность. Термовлагопроводность появляется в начальный период прогрева изделий, так как в это время наблюдается наибольшая разница между температурами поверхности и центра.  

Для исследования термовлагопроводности в твердеющем асбестоцементе был применен метод гаммаскопии, который позволяет определять локальное влагосодержание материала без нарушения его сплошности. Возможность применения метода гаммаскопии для определения поля влагосодержания основана на поглощении и рассеянии дисперсными материалами гамма-квантов вследствие фото - и комптоновского эффектов.  

По закону термовлагопроводности влага перемещается в направлении меньших температур и влажности. Поэтому наиболее целесообразно иметь максимальные температуры при сушке в центральных слоях каркаса, там где влажность наибольшая.

В капиллярно-пористых телах Термовлагопроводность слагается из термодиффузии жидкости и пара, капиллярной термовлаго-проводности и относительной термодиффузии пара и воздуха.  

Скорость сушки – количество влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого материала за единицу времени.

 (3)

где u - скорость сушки, кг/м*с

W – количество испаряемой влаги, кг,

F – поверхность высушиваемого материала, м²,

t - время сушки, с.

Скорость сушки зависит от следующих факторов:

1) природы высушиваемого материала – его структуры, химического состава,

2) характера связи влаги с материалом и др.

3) формы высушиваемого материала – размеров кусков, толщины слоя

4) начального и конечного влагосодержания материала

5) внешних факторов – влажности, температуры, скорости движения воздуха

6) характера и условий сушки – перемешивание материала, характер перемешивания или сушки в неподвижном слое.

Процесс сушки как массообменный процесс выражается уравнением массопередачи, объединяющим молекулярную и конвективную диффузии:

W = K × F(P_п – P₁) × t (4)

где W – количество испарившейся влаги,

K – коэффициент массопередачи,

F – поверхность раздела фаз.

Р_п – давление паров влаги у поверхности материала,

P₁ – парциальное давление паров в воздухе,

t - время сушки.

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давлений Р_п – Р₁. Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги. При Р_п – Р₁ = 0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой, и сушка прекращается.

85.Материальный баланс конвективной сушки

Материальный баланс по высушиваему материалу является общим для всех видов сушки.

Цель составления материального баланса – определение количества испаренной влаги  , определение расхода сушильного агента  .

Если обозначить через  расходы исходного и высушенного материала;  их влажности, расход удаляемой влаги из материала, то можно записать общий баланс в виде:

  

баланс по сухому твердому материалу  :

 

Из уравнений (5.24) и (5.25) находим  :

 

 

Используя вязь между влажностью  и влагосодержанием  в виде

, получим:

 

Эта влага  в процессе сушки поступает в виде пара в сушильный агент, влагосодержание которого повышается. Таким образом, для газовой фазы можно записать:

 

где  расход абсолютно сухого газа (кг/с);  влагосодержание газа соответственно на входе и на выходе из сушильной камеры в расчете на 1 кг сухого газа в кг. Определяем  :

 

Удельный расход сухого газа (в кг абсолютно сухого газа на 1 кг испаряемой воды):