Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Procesy przemian fazowych Zatężanie roztworów.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Procesy przemian fazowych Zatężanie roztworów."— Zapis prezentacji:

1 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Procesy przemian fazowych Zatężanie roztworów ciała stałego

2 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Wykresy fazowe i entalpowe. Wobec wpływu wielu parametrów tj. stężenie, prężność pary, ciepła właściwego, ciepła rozcieńczenia, itp. na przebieg procesu zatężania roztworu nielotnego ciała stałego szczególne znaczenie mają metody graficzne oparte na analizie dwóch rodzajów wykresów: fazowych i entalpowych Wykresy fazowe przedstawiać je można w rozmaitych układach współrzędnych o zmiennych : p – prężność pary nad roztworem, t – temperatura wrzenia, x – zawartość ciała stałego w roztworze ( ułamek molowy, stężenie) Prężność pary nad roztworem maleje ze wzrostem jego stężenia. Dla małych stężeń obniżenie to jest proporcjonalne do ułamka ciała rozproszonego (prawo Raoulta). Dla stężeń dużych następują odchylenia od tej reguły.

3 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Dysponując danymi doświadczalnymi prężności pary, można przedstawić pęk izoterm prężności pary w zależności od ułamka molowego ciała rozpuszczonego. roztwór nasycony

4 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Możliwy jest też inny układ, a mianowicie pęk linii stałego stężenia w zależności od temperatury: roztwór nasycony

5 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Prowadząc linię stałego ciśnienia p = const na wykresie izoterm można określić temperatury wrzenia w zależności od stężenia pod określonym ciśnieniem: temperatury wrzenia można to przenieść na nowy wykres

6 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Linia AB przedstawia izobarę P 1. Z wykresu możemy odczytać, że roztwór o stężeniu x c ma temperaturę wrzenia odpowiadającą punktowi C. W stanie równowagi z tym roztworem jest para przegrzana o stanie odpowiadającym punktowi D. Para nasycona pod ciśnieniem P 1 ma temperaturę odpowiadającą punktowi A. (Para nad czystym rozpuszczalnikiem x c = 0). Stąd odcinek DA odpowiada stopniowi przegrzania pary nad roztworem o stężeniu x c. stopień przegrzania pary Najbardziej przegrzana para będzie nad roztworem nasyconym x b. Stan tej pary określa punkt E.

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Tak więc układ linii AB i AE określa izobarę równowagi P 1, przy czym linia AB odnosi się do cieczy, (stężenie cieczy w zależności od temperatury wrzenia) a linia AE do pary będącej w równowadze z tą cieczą. stan pary stan cieczy

8 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Wykresy entalpowe Wykresy te oparte są na znajomości danych termochemicznych a w szczególności ciepła rozcieńczania. Przy określeniu entalpii roztworu trzeba zdefiniować stan odniesienia entalpii. Ponieważ w rozważaniach inżynieryjnych interesują nas tylko różnice entalpii ( efekty cieplne ) stąd stany te możemy przyjmować dowolnie. dla inny dla rozpuszczalnika i inny dla ciała stałego. Wykorzystując bilans entalpowy procesu mieszania 1 kg roztworu z bardzo dużą ilością rozpuszczalnika otrzymać można równanie izotermy podstawowej: ułamek ciała stałegoentalpia rozpuszczalnika ciepło rozpuszczania

9 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Wykorzystując dane termochemiczne dotyczące ciepła rozcieńczania i dysponując entalpią rozpuszczalnika w temperaturze standardowej (np. 20 C ) względem stanu odniesienia dla rozpuszczalnika (0 C) można wykreślić przebieg izotermy na wykresie: izoterma podstawowa Inne izotermy określa się za pomocą ciepła właściwego roztworu C x w zależności od stężenia. Dla określonego stężenia różnica współrzędnej i izotermy t względem izotermy podstawowej wyniesie:

10 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Pole izoterm cieczy jest ograniczone izobarą wrzenia, której przebieg można wyznaczyć na zasadzie wykresu fazowego. Dane zaś entalpii dla pary rozpuszczalnika można odłożyć na lewej osi wykresu. Entalpia mieszania para – roztwór wrzący musi być addytywna, czyli oznacza to prostoliniowy przebieg izoterm w obszarze dwufazowym: wykres ten odnosi się do jednego ciśnienia p = const Na wykresie tym w sposób prosty i przejrzysty można zobrazować bilanse cieplne i materiałowe.

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Reguły wykresu entalpowego Bilans materiałowy mieszania A kg roztworu o zawartości składnika rozpuszczonego x A ( ułamek masowy ) oraz B kg roztworu o zawartości x B ma następującą postać: masa mieszaniny ułamek w mieszaninie

12 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Równanie to ma postać równania równowagi dźwigni o ciężarach A i B i ramionach (x B – x m ) i ( x m – x A ) Reguła dźwigni aktualna jest dla mieszania jak i rozdziału.

13 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Bilans cieplny mieszania adiabatycznego przedstawia równanie: dzieląc obydwa równania:

14 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Jest to równanie linii prostej, które wskazuje że punkt M na wykresie ( x, i ) leży na linii prostej łączącej punkty A i B. Jest to reguła linii prostej dla adiabatycznego mieszania. W przypadku mieszania nieadiabatycznego np. przy oddawaniu ciepła, równanie entalpowe bilansu ma postać: oznaczmy przez i` M sumę entalpii i M oraz ciepła na 1 kg mieszaniny Q / M

15 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego czyli równanie bilansu cieplnego będzie miało postać: Punkt M` znajdujemy z reguły linii prostej i odejmujemy wartość Q / M znajdując stan mieszaniny M. Możemy ciepło Q odnieść do 1 kg A lub 1 kg B Q / B Q / A Konstrukcja ta podaje zależność graficzną przeliczania efektu cieplnego towarzyszącego procesowi mieszania na jednostkę masy składników lub mieszaniny.

16 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Do wyparki dopływa S kg surówki o zawartości x s składnika rozpuszczonego. Wyparkę opuszcza R kg roztworu zatężonego o zawartości x R oraz W kg oparów. Równanie bilansu ogólnego ma postać: Bilans wyparki jednodziałowej bilans składnika: eliminując R z tych równań można wyznaczyć ilość oparów:

17 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Bilans cieplny przedstawia się łatwo na wykresie entalpowym: 1 3 izobara wrzenia ciecz ciecz + para Surówka o temperaturze t s odparowuje tak że roztwór zatężony ma skład x R i temperaturę t R. Taką samą temperaturę musi mieć mieszanina cieczy i pary wewnątrz wyparki surówka 2 – mieszanina cieczy i pary w wyparce 3 – roztwór zatężony 3 – opary

18 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego 1 3 ciecz ciecz + para 2 4 Odcinek (1, 2) oznacza ilość ciepła Q jakie należy dostarczyć w przeliczeniu na 1 kg surówki. 5 Zgodnie w regułami wykresów entalpowych odcinki oznaczają: (3, 6) ilość ciepła na 1 kg roztworu zatężonego 6 (5, 4) ilość ciepła na 1 kg oparów

19 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Wyparka jest ogrzewana parą wodną nasyconą. Ciśnienie tej pary musi być wyższe od ciśnienia panującego wewnątrz wyparki. Kondensat bowiem pary grzejnej musi mieć temperaturę nieco wyższą od temperatury roztworu wrzącego zatężonego t R przedłużając izotermę t R w zakresie cieczy aż do x = 0 (kondensat), znajdziemy izobarę P 1 przechodzącą przez punkt x = 0 i t R. Ciśnienie pary musi być nieco wyższe od tej wartości (opory cieplne konwekcji). A więc w wyparce musi występować różnica ciśnień między parą grzejną i oparami miększą niż P 1 – P.

20 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Ilość zużytej pary grzejnej na 1 kg oparów (P/W) może być obliczony przez podzielenie ciepła Q / W z wykresu przez ciepło kondensacji pary grzejnej czyli i`` - i` ilość ciepła dostarczonego do wyparki. Jeżeli surówka była by podgrzana przed wejściem do wyparki do temperatury cieczy wrzącej wówczas ilość ciepła Q / W będzie bliska ciepłu kondensacji pary grzejnej i`` - i `.

21 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego 1 surówka w stanie cieczy wrzącej 2 – mieszanina cieczy i pary w wyparce 3 – roztwór zatężony i` czyli na 1 kg oparów przypada 1 kg pary grzejnej

22 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Proces w wyparce może być prowadzony w sposób ciągły lub okresowy. Przy sposobie ciągłym w komorze znajduje się roztwór o wysokim stężeniu x R, charakteryzujący się wysoką lepkością, a więc o stosunkowo niskiej wartości współczynnika wnikania ciepła α co powoduje umiarkowaną intensywność wymiany ciepła a więc i parowania. Przy sposobie okresowym lun półokresowym (stały dopływ surówki) stężenie w komorze stopniowo wzrasta od x s do x R. Średni współczynnik wnikania α jest wyższy niż w procesie ciągłym. Również temperatura w komorze stopniowo wzrasta od t s do t R a więc średnia różnica temperatur Δt jest wyższa niż w procesie ciągłym. Stąd średnia intensywność wrzenia będzie wyższa w procesie okresowym.

23 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Obliczanie powierzchni grzejnej w wyparce pracującej w sposób ciągły jest oparte na równaniu: temperatura pary grzejnej temperatura roztworu stężonego współczynnik przenikania k ( stały dla całego procesu) Ciepło Q może być wyznaczone z wykresu entalpowego przez odczytanie Q / S przy znanym natężeniu przepływu surówki S na godzinę.

24 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego W przypadku procesu okresowego aktualne jest równanie różniczkowe : temperatura roztworu w danej chwili t współczynnik przenikania ciepła jest zmienny w czasie bo zmienia się temperatura i stężenie roztworu a więc i lepkość.

25 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Całkując równanie różniczkowe można wyznaczyć czas trwania procesu okresowego : Obliczenia przeprowadza się z wykorzystaniem wykresów entalpowych

26 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Wyróżnić tu można dwa etapy. Etap pierwszy to zagrzanie surówki, któremu odpowiada odcinek (1, 4). Dla kilku stanów pośrednich pomiędzy punktami 1 i 4 np. dla stanu 5 możemy odczytać ciepła Q 5 i temperaturę t 5 dysponując wartościami współczynników przenikania ciepła k dla roztworu o składzie x 5 możemy określić wartość k 5. analogicznie można wyznaczyć szereg wartości Q, t, k dla innym momentów pierwszego etapu tj. podgrzewania.

27 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Drugim etapem procesu jest wrzenie izobaryczne, odpowiada mu odcinek (4, 3). Tu również dla dowolnego stanu pośredniego np. punkt 6, można odczytać z wykresu entalpowego Q 6 / S temperaturę t 6 i skład x 6 a to pozwala wyznaczyć : analogicznie można wyznaczyć szereg wartości Q, t, k dla innym momentów wrzenia izobarcznego.

28 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Dla znanej wartości T możemy zebrać szereg numerycznych wartości funkcji: można to przedstawić na wykresie: Pole pod otrzymaną krzywą w zakresie od 0 do Q 2 daje nam wartość całki: Znając F można wyznaczyć czas trwania procesu, lub znając czas można wyznaczyć wartość F

29 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Bilans wyparki mechanicznej Wyparka mechaniczna jest ogrzewana własnymi oparami po adiabatycznym ich sprężeniu od p 1 do p 2 w celu podwyższenia ich temperatury. Zwykle wyparka taka posiada wymiennik ciepła, gdzie kosztem ciepła kondensatu K zostaje podgrzany roztwór surowy S.

30 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego temperatura surówki gorącej t s może być wyznaczona graficznie. surówkaroztwór zatężony Znając ciśnienie p 2 po kompresji można znaleźć temperaturę kondensatu t k. izoterma przechodząca przez punkt A (x=0, p 2 ) Odcinek AB oznacza ciepło oddane w wymienniku prze 1 kg kondensatu podczas jego chłodzenia do temperatury t 0. Z bilansu masowego wynika: kondensat stosując reguły już poznane można przeliczyć ciepło wymiennika na 1 kg surówki  odcinek CD Przez D przechodzi izoterma t s temperatura surówki

31 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Zużycie pracy w wyparce może być znalezione z bilansu cieplnego (bez wymiennika): entalpia surówki entalpia roztworu zatężonego entalpia kondensatu zużycie pracy w kompresorze bilans ten można przedstawić graficznie:

32 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego entalpię kondensatu opisuje punkt K na izobarze p 2 entalpię roztworu zatężonego opisuje punkt R na izobarze p 1. Punkt D odpowiada entalpii surówki. Zgodnie z regułami przeliczania ciepła na wykresach enatlpowych odcinek DE oznacz ilość doprowadzonej pracy na 1 kg surówki L / S. Odcinek KF oznacza natomiast doprowadzoną pracę na 1 kg kondensatu.

33 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Odparowanie wielostopniowe Koncepcja polega na przeprowadzeniu zatężania w kilu szeregowo połączonych wyparkach, z których pierwsza jest ogrzewana parą grzejną, każdy zaś następny dział jest ogrzewany oparami z działu poprzedniego. Przez to osiąga się kilkakrotne zmniejszenie zużycia pary grzejnej w porównaniu z tym samym zatężaniem w wyparce jedno działowej. Najczęściej stosuje się baterie współprądowe:

34 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Ponieważ ciśnienie pary grzejącej dany dział musi być wyższe od ciśnienia oparów, stąd występuje spadek ciśnienia w całej baterii. Pod wpływem tych różnic ciśnień następuje samoczynny przepływ roztworu. W ostatnim dziale panuje niskie ciśnienie (próżnia). Skraplacz kondensujący musi być podłączony do pompy próżniowej. Wadą tego układu jest to, że roztwór w miarę zatężania przechodzi do działów o coraz to niższym ciśnieniu. Maleje stąd temperatura wrzenia, a wzrasta lepkość. W ostatnim dziale współczynniki wnikania ciepła są niskie co wymaga odpowiedniego zwiększenia powierzchni grzejnej, o ile chcemy utrzymać wydajność odparowania współmierną we wszystkich działach.

35 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Wady tej nie posiada rozwiązanie przeciwprądowe, gdzie do ostatniego działu podawany jest roztwór surowy. Wskutek niskiego stężenia lepkość jest tu mała, co daje dobre wartości współczynników wnikania ciepła. Natomiast w dziale pierwszym roztwór jest ostatecznie zatężony, ale w skutek wysokiej temperatury wrzenia przy dużym ciśnieniu lepkość jest tu mała a więc dobre są też warunki wnikania ciepła. Wadą tego układu jest konieczność pompowania roztworu z działu do działu (przepływ w kierunku rosnącego ciśnienia)

36 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Stosuje się też systemy równoległego zasilania c) lub systemy mieszane d):

37 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Zatężanie przez samoodparowanie Roztwór surowy podgrzewany pod wyższym ciśnieniem P 1 ekspanduje przez zawór dławiący (i = const ) do niższego ciśnienia P 2. W tych warunkach (x=const, i=const) roztwór przechodzi w mieszaninę pary i roztworu stężonego.

38 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Ciśnienie P 2 jest wytworzone przez działanie skraplacza kondensującego parę w temperaturze t k. Ponieważ dławienie zachodzi dla x = cost i i = const więc na wykresie entalpowym punkt przed i po dławieniu nie zmieniają swego położenia: przed dławieniem po dławieniu ciecz ciecz + para

39 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Z reguły dźwigni można określić ilość roztworu otrzymanego o stężeniu x R oraz ilość pary przegrzanej którą trzeba skroplić. odpowiednie odcinki na wykresie entalpowym Z wykresu można również odczytać ilośc ciepła Q zużytego w zagrzewaczu. Zwykle ciśnienie P 1 jest wyższe lub równe atmosferycznemu, ciśnienie P 2 zaś niższe, zależne od temperatury wody chłodzącej w skraplaczu. Im niższe ciśnienie P 2 tym większe uzyskamy zatężenie roztworu x R.

40 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Proces zatężania przez odparowanie może być też prowadzony być wielostopniowo: (np. odsalanie wody morskiej) Roztwór surowy S po przejściu przez wymiennik i zagrzewacz jest dławiony i ulega samoodparowaniu w dziale pierwszym. Opary są skraplane przez zetknięcie się z kondensatem z działu niższego. Proces powtarzany jest w przeciwprądzie. Najniższy dział jest zasilany częścią zawracanego kondensatu, opuszczającego układ K. Najniższy dział opuszcza roztwór zatężony R.

41 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Bezpośrednie ogrzewanie roztworu za pomocą pary przegrzanej Roztwór soli można ogrzewać za pomocą pary wodnej wprowadzanej bezpośrednio przez bełkotkę do tego roztworu (Barbotaż). Zależnie od stopnia przegrzania tej pary, jej ilości w stosunku do ilości roztworu, różne mogą być skutki tego typu ogrzewania: może nastąpić rozcieńczanie lub zatężanie roztworu. Pełen obraz procesu można uzyskać dopiero po analizie wykresów entalpowych

42 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 11 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Doprowadzenie do roztworu zimnego 1 pary o entalpii i p w małej ilości powoduje przejście w stan 2. Nastąpiło rozcieńczenie roztworu. Jeżeli wprowadzimy większą ilość pary w stosunku do roztworu wówczas nastąpi początkowo ogrzanie połączone z rozcieńczaniem (3, 4) aż do osiągnięcia stanu wrzenia 4. Przy jeszcze większej proporcji pary zacznie następować wydzielanie pary z roztworu i towarzyszące temu zatężanie. W punkcie 5 osiąga się takie samo zatężenie jak dla roztworu surowego 3. W punkcie 6 w ogólnym bilansie nastąpi zatężenie roztworu


Pobierz ppt "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 12 : Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego Procesy przemian fazowych Zatężanie roztworów."

Podobne prezentacje


Reklamy Google