McCabe – Thielova metoda - McCabe–Thiele method

The McCabe – Thielova metoda je považována za nejjednodušší a možná nejvíce poučnou metodu pro analýzu binárního souboru destilace.[1][2][3] Využívá skutečnost, že složení u každého teoretický podnos (nebo rovnováha fáze) je zcela určeno molární zlomek jedné ze dvou složek a je založen na předpokladu konstantního molárního přetečení, který vyžaduje, aby:

Metodu poprvé publikoval Warren L. McCabe a Ernest Thiele v roce 1925,[4] kteří oba pracovali v Massachusetts Institute of Technology (MIT) v té době.

Konstrukce a použití McCabe – Thieleho diagramu

Před zahájením konstrukce a použití McCabe-Thieleova diagramu pro destilaci binárního zdroje je rovnováha pára-kapalina (VLE) údaje musí být získány pro nízkovroucí složku krmiva.

Obrázek 1: Typický McCabe – Thieleův diagram pro destilaci binárního zdroje

Prvním krokem je nakreslení stejně velké vertikální a horizontální osy grafu. Vodorovná osa bude pro molární zlomek (označený x) nízkovroucí krmné složky v kapalné fázi. Svislá osa bude pro molární zlomek (označený y) nízkovroucí vsázkové složky v plynné fázi.

Dalším krokem je nakreslení přímky od počátku grafu do bodu, kde x a y se rovnají 1,0, což je na obrázku 1 čára x = y. Tato 45stupňová čára se používá jednoduše jako grafická pomůcka pro kreslení zbývající řádky. Poté nakreslete rovnovážnou čáru pomocí datových bodů VLE složky s nízkou teplotou varu, což představuje rovnovážné složení v plynné fázi pro každou hodnotu složení v kapalné fázi. Rovněž nakreslete svislé čáry od vodorovné osy po čáru x = y pro krmivo a pro požadované složení produktu z vrchního destilátu a odpovídajícího produktu z dna (na obrázku 1 červeně).

Dalším krokem je nakreslení ovládací čáry pro usměrňovací sekci (část nad vstupem přívodu) destilační kolona, (na obrázku 1 zobrazeno zeleně). Počínaje průsečíkem linie složení destilátu a linie x = y nakreslete rektifikační pracovní linii se sklonem dolů (Δy / Δx) L / (D + L), kde L je molární průtok reflux a D je molární průtoková rychlost produktu destilátu. Například na obr. 1, za předpokladu, že molární průtok refluxu L je 1 000 mol za hodinu a molární průtok destilátu D je 590 mol za hodinu, pak sklon sestupného vedení usměrňovacího provozu je 1000 / (590 + 1000) = 0,63, což znamená, že souřadnice y libovolného bodu na přímce se sníží o 0,63 jednotek pro každou jednotku, o kterou se souřadnice x sníží.

Obrázek 2: Příklady svahů q-linie

Dalším krokem je nakreslení modré čáry q (viděné na obrázku 1) z čáry x = y tak, aby protínala usměrňující pracovní čáru.

Parametr q je molární podíl kapaliny v krmivu a sklon linie q je q / (q - 1). Například pokud je nástřik nasycená kapalina, nemá žádné páry, tedy q = 1 a sklon q-přímky je nekonečný, což znamená, že přímka je svislá. Jako další příklad, pokud je přívodem veškerá nasycená pára, q = 0 a sklon linie q je 0, což znamená, že linka je vodorovná.[2]

Některé příklady svahů q-linie jsou uvedeny na obrázku 2. Jak je nyní vidět, typický McCabe-Thieleův diagram na obrázku 1 používá q-čáru představující částečně odpařené krmivo.

Dále, jak je znázorněno na obrázku 1, nakreslete fialovou provozní čáru pro stripovací část destilační kolony (tj. Část pod vstupem pro přívod). Počínaje průsečíkem červené kompoziční linie dna a linie x = y, nakreslete pracovní linii odizolovací sekce až k bodu, kde modrá q-linie protíná zelenou provozní linii pracovní linie usměrňovací sekce.

Nakonec, jak je znázorněno na obrázku 1, nakreslete kroky mezi provozními liniemi a rovnovážnou linií a poté je spočítejte. Tyto kroky představují teoretické desky (nebo rovnovážné fáze). Požadovaný počet teoretických pater je 6 pro binární destilaci znázorněnou na obrázku 1.

Všimněte si, že použití barevných čar není povinné a používá se pouze zde, aby se metodika snáze popisovala.

v kontinuální destilace s měnícím se refluxním poměrem bude molární podíl lehčí složky v horní části destilační kolony klesat, jak se refluxní poměr snižuje. Každý nový poměr zpětného toku změní sklon provozního vedení usměrňovací sekce.

Pokud předpoklad konstantního molárního přetečení není platný, provozní linie nebudou přímé. Pomocí bilancí hmotnosti a entalpie lze kromě údajů o rovnováze páry a kapaliny a údajů o koncentraci entalpie vytvořit provozní vedení na základě Ponchon – Savaritovy metody.[5]

Pokud směs může tvořit azeotrop, jeho linie rovnováhy pára-kapalina překročí hranici x = y, čímž zabrání další separaci bez ohledu na počet teoretických desek.

Viz také

Reference

  1. ^ McCabe, W. L. & Smith, J. C. (1976). Unit Operations of Chemical Engineering (3. vyd.). McGraw-Hill. ISBN  0-07-044825-6.
  2. ^ A b Perry, Robert H. & Green, Don W. (1984). Příručka Perryho chemického inženýra (6. vydání). McGraw-Hill. ISBN  0-07-049479-7.
  3. ^ Beychok, Milton (květen 1951). „Algebraické řešení McCabe-Thieleho diagramu“. Pokrok chemického inženýrství.
  4. ^ W.L. McCabe & E.W. Thiele (červen 1925). "Grafický design frakčních sloupců". Průmyslová a inženýrská chemie. 17: 605–611. doi:10.1021 / ie50186a023.
  5. ^ King, C. Judson (1971). Separační procesy. McGraw-Hill. ISBN  0-07-034610-0.

externí odkazy