Материал: Ректификация

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ ЖИДКОСТЕЙ»

СТУДЕНТЫ группа

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с устройством и работой ректификационной установки; разделение жидкой бинарной смеси этанол-вода периодической ректификацией; определение состава дистиллята, числа ступеней изменения концентраций (теоретических тарелок) и высоты, эквивалентной теоретической тарелке, числа единиц переноса и высоты единицы переноса, коэффициента массопередачи.

II. Схема установки

III. Выполнение работы

Экспериментальные и расчётные величины

Расчётная часть.

1. Найдем мольные доли этанола в кубе и дистилляте.

x_w = 0,0363 мол.доли (табл. 5.3 «Равновесные составы для смеси этанол-вода»)

y_w = 0.253 мол.доли (табл. 5.3 «Равновесные составы для смеси этанол-вода»)

= 0,93 масс.доли

x_p = = 0,8387 мол.доли

2. Построим рабочую линию процесса ректификации на диаграмме y-x.

Рассчитаем длину отрезка B:

В = 0,2097

А = = 0,75

Уравнение рабочей линии процесса имеет вид: y = 0,75x+0,2097

3. Определим минимальное флегмовое число R_min:

= 0,3995

= 0,5518 (найдено методом интерполяци)

R_min = = 0,9602

Определим значение коэффициента избытка флегмы β:

R=β * R_min  β = = 3,124

4. Определим общее число единиц переноса по концентрациям в паровой фазе.

График по координатах (из таблицы выше): y = 1/(y*-y)

Площадь криволинейной трапеции или общее число единиц переноса по концентрациям в газовой фазе равно N_Oy = 13,209

Определим высоту единиц переноса, разделив высоту насадки на общее число единиц переноса:

h_Oy = = 0,0136 м

5. Определим мольный расход дистиллята:

P = = 5,8112*10^-6 кг/кмоль

6. Определим мольный расход по паровой фазе:

= P(R+1) = 2,3245*10^-5 кг/кмоль

Определим площадь поверхности массопередачи А:

А = a * H * S = 0,6511 м²,

где а = 750 м²/м³, Н – высота насадки (H = 0,18 м), S = , = 0,08 м

Рассчитаем коэффициент массопередачи: K_y = = 2,7028*10^-6 кмоль/м²*с

7. Определим число теоретических ступеней графическим построением между рабочей линией и равновесной в интервале xp-xf (см. Пункт 2):

N_T = 14 cтупеней

Рассчитаем высоту теоретической ступени h_T:

h_T = = 0,0129 м

VI. Выводы

В ходе лабораторной работы мы ознакомились с устройством и работой ректификационной установки; разделили жидкую бинарную смесь этанол-вода с помощью периодической ректификации; определили состава дистиллята, число ступеней изменения концентраций (число теоретических тарелок N_T = 14) и высоты (h_T = 0,0129 м), эквивалентной теоретической тарелке, число единиц переноса (N_Oy = 13,209) и высоты единицы переноса (h_Oy = 0,0136 м) и коэффициент массопередачи (K_y = 2,7028*10^-6 кмоль/м²*с).

Список используемой литературы

1. Лабораторные работы по процессам и аппаратам химической технологии // под. ред. проф. В. М. Лекае. – М.: МХТИ им. Д. И. Менделеева, 1980. – 47 с

2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973. – 752 с.

V. Ответы на контрольные вопросы

1. Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При определенном числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость – из высоко кипящих компонентов.

2. Флегмовое число - параметр работы ректификационной колонны, определяющий эффективность процесса разделения в концентрационной секции колонны; Флегмовое число представляет собой отношение количества жидкости, стекающей с любой тарелки в концентрационной секции колонны (от места ввода сырья до отбора верхнего продукта - дистиллята), к количеству отбираемого дистиллята.

Определяем минимальное флегмовое число: R_min = y_F - концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью x_F Рабочее флегмовое число определяется как R=β*R_min где β – коэффициент избытка флегмы (β = 1,02÷3,5) Определяется рабочее флегмовое число R, отрезок B, число теоретических тарелок в колонне n_T, путем вписывания «ступенек» между равновесной и рабочими линиями. Рабочие линии строятся для каждого отрезка  .

3. Число единиц переноса – изменение рабочей концентрации, приходящееся на единицу движущей силы. Теоретическая тарелка (теоретическая ступень разделения) — теоретическая модель массообменных процессов в двухфазных средах, основанная на представлении массообменного устройства (тарелки) как теоретически идеальной, изолированной системы в состоянии термодинамического равновесия. Характеризует максимальную, теоретически возможную разницу концентраций компонентов в фазах при заданных условиях. Высота единиц переноса (ВЕП) соответствует высоте участка аппарата, эквивалентного одной единице переноса. ВЕП обратно пропорциональны коэффициентам массоотдачи и массопередачи. Чем больше эти коэффициенты, тем меньше ВЕП и тем меньшую высоту Н будет иметь аппарат, обеспечивающий требуемое разделение веществ. Высота эквивалентная теоретической ступени разделения (ВЭТС) h, м – высота, равная высоте участка колонны, на которой при бинарной ректификации достигается полное термодинамическое равновесие между паром и жидкостью в выходящих с этого участка потоках. Так как в итоге ВЭТС определяет высоту колонны, то ее значение при заданных условиях разделения должно быть по возможности меньшим.

4. Эффективность ступени (тарелки) по Мерфри (КПД Мерфри) выражают отношением изменения концентрации данной фазы на ступени к движущей силе на входе той же фазы в ступень. КПД Мерфри зависит от скорости массопереноса (т.е. от коэффициентов массоотдачи и числа единиц переноса), взаимного направления движения фаз, структуры потоков, площади поверхности контакта фаз и других факторов. С помощью КПД Мерфри можно графическим построением определить число реальных тарелок. Данный метод расчёта высоты масособменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз называют методом кинетической линии. Если известны функции равновесной линии y* = f(x) и рабочей линии y = f(x), а также известен КПД Мерфри (как функция Ey = f(x) или как константа), то кинетическая линия может быть найдена как функция yк = f(x)

5. Допущения принятые при ректификации 1) Разделяемая смесь следует правилу Трутона: отношение мольной теплоты испарения или конденсации r_i к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей T_i является приближенно величиной постоянной. 2) Состав пара, выходящего из ректификационной колонны в дефлегматор, равен составу дистиллята, т.е. укрепляющим действием дефлегматора можно пренебречь 3) Состав пара, выходящего из кипятильника и поступающего в колонну, равен составу кубовой жидкости, т.е. исчерпывающим действием кипятильника можно пренебречь 4) Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю

6. Верхняя (укрепляющая) часть колонны Запишем уравнение материального баланса для малого объема с поверхностью d_А в верхней части колонны Проинтегрируем это уравнение с учетом того, что концентрация в паровой фазе меняется от y до yP, концентрация в жидкой фазе меняется от x_p до x: Последние уравнение связывает рабочие концентрации в паровой y и жидкой x фазах. Для удобства использования этого уравнения представим его в другом виде. Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны Нижняя (исчерпывающая) часть колонны Запишем уравнение материального баланса для малого объема с поверхностью dA в нижней части колонны