Тема: Дослідження тарілчастої ректифікаційної установки

Лабораторна робота №1

Мета роботи: дослідити процес ректифікації, розрахувати число ступеней зміни концентрації(теоретичних тарілок), розрахувати коефіцієнт збагачення(так названого ККД) установлених в колоні сітчастих тарілок.

Вступ і основні задачі дослідження:

Вхімічній, харчовій, нафтопереробній та інших галузях промисловості для розділення рідких сумішей на технічно чисті компоненти широко застосовують ректифікацію. Цей процес базується на різній летючості компонентів суміші, тобто на різниці в температурах кипіння компонентів при однаковому тиску зовнішнього середовища. Процес ректифікації здійснюють ректифікаційними колонами. Одним з найбільш розповсюджених в цих галузях промисловості є тарілчасті ректифікаційні колони із ковпачковими, сітчастими та клапанними тарілками.

Таким чином метою даної роботи є вивчення основних закономірностей процесу ректифікації, реалізованих в тарілчастій колоні.

Для досягнення цієї мети повинні бути вирішені наступні задачі:

1. Теоретичне вивчення та відображення процесу ректифікації в х - у діаграмі.

2. Визначення числа ступенів змінення концентрації (числа теоретичних тарілок).

3. Знаходження числа збагачення, або так званого К.К.Д. сітчастих тарілок, встановлених в верхній та нижній частині колони.

Теоретична частина

Процес ректифікації, що відбувається в ректифікаційній колоні, являє собою тепло і масообмін між компонентами суміші в паровій фазі, яка піднімається по колоні і рідинній фазі, що стікає зверху вниз. При цьому менш летючі, або висококиплячі компоненти (ВКК), по висоті колони частково, або повністю переходять із пари в рідину, а більш летючі, або низькокиплячі компоненти (НКК) за рахунок теплоти конденсації випаровуються і переходять із рідини в пару.

В результаті такого масообміну, що відбувається в протибіжних ректифікаційних колонах, тарілчастого чи іншого типу, потік пари піднімається вверх і збагачується НКК, а потік рідини, стікаючи вниз по колоні, поступово збіднюється на НКК, тобто збагачується на ВКК. Рідина, в свою чергу, збіднюючись на НКК по висоті колони стікає в куб, де в вигляді чистого ВКК витікає із колони, як кубовий залишок

Частково збагачена на НКК пара в верхній частині колони барботує на тарілках через шар рідини, що являє собою збагачену на НКК суміш. При цьому із пари в першу чергу буде конденсуватися ВКК, і також за рахунок теплоти конденсації із рідини на тарілках буде випаровуватись НКК. Таким чином іде процес збагачення пари на НКК.

Досить збагачена на НКК пара, в кінцевому результаті, барботує через шар рідини на верхній тарілці верхньої частини колони. Рідина на цій тарілці являє собою майже чистий НКК, який в вигляді флегми подається в колону.

Таким чином пара із верхньої тарілки подається в холодильник - конденсатор (дефлегматор), де частково або повністю конденсується. Одна частина цього конденсату, як відмічалось раніше, подається в вигляді флегми Gф, а друга - у вигляді готового продукту Gр.

Конденсація продуктів, які одержують в процесі ректифікації, залежить від виду суміші, числа тарілок та теплового режиму роботи колони.

Для того, щоб в кубі - випаровувачі відбувалось безперервне кипіння рідини, його підігрівають водяною парою, а для конденсації пари, яка поступає в дефлегматор, останній, охолоджується водою.

Опис дослідної установки:

Початкова спирто – водяна суміш із збірника початкової суміші 4 (рисунок 1.1) подається на верхню тарілку нижньої частини, колони 1. Колона 1 являє собою вертикальний циліндричний латунний апарат, на висоті якого рівномірно розміщено 9 сітчастих тарілок. Підігрів кубової рідини колони 1 проводиться гострим паром, одержаним в випаровувачі, де підігрів води виконується електричним підігрівачем. Тиск пари контролюється манометром М1. Перед підводженням в колону гріюча пара проходить через водовідділювач. Витрата гріючої пари регулюється пробковим краном. Пари збагачені легко летючим (НК) компонентом піднімаються з верхньої тарілки верхньої частини колони 1 поступають в дефлегматор 2 (рисунок 1.1). Дефлегматор являє собою трубчатий холодильник – конденсатор, в трубний простір якого подається вода. Сконденсовані в дефлегматорі пари розділяються на дві частини. Одна з них – у вигляді готового продукту – надходить до збірника, а друга через регулюючий кран поступає до збірника флегми. Після збірника ця рідина у вигляді флегми подається на зрошення верхньої тарілки верхньої частини колони. Витрата флегми контролюється мірним циліндром. Склад дистиляту і початкової суміші визначається ареометром-спиртометром.

1 – ректифікаційна колона; 2 – дефлегматор; 3 – збірник флегми;

4 – збірник початкової суміші; 5 – водовідділювач;

6 – збірник кубового залишку; 7 – випаровувач; 8 – електричний нагрівач;

9 – збірник дистиляту.

Рисунок 1. 1 – Схема установки

Методика проведення експерименту:

Експеримент потрібно проводити в наступному порядку:

1. Ввімкнути в електромережу трансформатор 1 за допомогою регулятора напруги подати на нагріваючий елемент напругу 220 В.

2. Залити в збірник початкову суміш, спочатку визначивши її концентрацію густинометром – спиртометром.

3. Ввімкнути воду в систему охолодження дефлегматора 2. При досягненні тиску в котлі відкрити кран подачі пари із водовідділювача в колону 1.

4. Після прогрівання колони, про що свідчить поява рідини в збірнику дистилятора, відкрити кран подачі початкової суміші на живлячу тарілку.

5. Процес ректифікації вести до досягнення температури вихідних парів 82°С, яку визначають по термометру, встановленому в кишені верхньої частини колони.

6. Під час проведення експерименту слідкувати за тиском в котлі (не більше 2 МПа і не менше 1 МПа) і регулювати його за допомогою регулятора напруги нагріваючого елементу.

7. Виміряти і записати в таблицю наступні величини:

7.1. Концентрацію та об'єм флегми.

7.2. Концентрацію та об'єм початкової суміші.

7.3. Концентрацію та об'єм дистиляту.

7.4. Концентрацію та об'єм кубового залишку.

8. Вимкнути з мережі трансформатор.

9. Після падіння тиску в котлі до нуля вимкнути воду в системі охолодження дефлегматора.

Опрацювання результатів дослідження:

Із рівняння матеріального балансу ректифікаційної колони

1. G_ф+G_F=G_w+G_p 2. G_FX_F+ФX_p=G_pX_p+G_wX_w

Знайти значення G_w та Х_w,
де – масова витрата, кг/сек;

V – об'ємна витрата, м³/сек;

р – густина, кг/м³;

х – мольна доля НКК (спирту);

індекси F – початкова суміш;

W – кубовий залишок;

Р – дистилят;

Ф – флегма.

Для визначення числа ступенів змінення концентрації (теоретичних тарілок) побудувати на міліметровому папері по довідковим даним криву рівноваги рідина – пара в координатах X – У (Рисунок 1.3) і відкласти на осі абсцис значення Х_F, Хw, Хр в мольних долях.

Потім на цей графік нанести робочі лінії концентрації для верхньої і нижньої частини колони. Рівняння цих двох прямих ліній виводиться з рішення рівнянь матеріального балансу верхньої і нижньої частини колони 1 виражають залежність між змінними по висоті колони можливими концентраціями НКК в рідині (х) і в парі (у) в будь-якому поперечному розрізі колони, між двома сусід ними тарілками.

Рівняння робочих ліній мають наступний вигляд: для верхньої частини колони;

для нижньої частини колони:

Відбираємо флегму до кількості одержаного дистиляту.

Число живлення колони, рівне відношенню кількості піддаваємої суміші до кількості одержаного дистиляту:

Робоча лінія верхньої частини колони перетинає діагональ діаграми

(Рисунок 1.3) в точці А, а робоча лінія нижньої частини колони в точці В. Обидві робочі лінії перетинаються в точці С. Для нанесення їх на графік відкласти на осі ординат величину – X,

і одержану точку О з'єднати прямою лінією з точкою А, а точку В, з точкою С. Потім між рівноважною і робочою лініями побудувати ступені змінення концентрації, як показано на мал. 3. Кожна ступінь співпадає з одною теоретичною тарілкою.

Визначивши число теоретичних ступенів n_с і знаючи число реальних тарілок n в верхній і нижній частині колони, знайти для кожної частини колони середнє значення (в даних умовах роботи колони) коефіцієнта збагачення чи так званого ККД.

Для тарілок визначається по формулі:

Величина не являє собою постійну величину. Ті ж тарілки при інших гідродинамічних умовах (витрати пари і рідини) і інших фізико – хімічних властивостях пар – рідина можуть мати інше значення коефіцієнта збагачення (ККД).

Склад киплячої суміші спирт – вода, утворюємої з неї пари і температуру кипіння цієї рідини при атмосферному тиску.

Таблиця 1.1.Рівноважні склади рідини, пари і температури кипіння бінарної суміші етиловий спирт-вода

Таблиця 1.2.Густини водних розчинів етилового спирту у воді

Концентр. мас. долі, %	Р2/см3 t=20 °С	Р2/см3 t=40 °С	Концентр. мас. долі, %	Р2/см3 t=20 °С	Р2/см3 t=40 °С
	0,769	0.772		0,13	0,001
	0,903	0,786		0,924	0,912
	0,61	0,800		0,925	0,923
	0,620	0,814		0,943	0,934
	0,643	0,828	30	0,952	0,955
	0,355	0,840		0,960	0,966
	0,866	0,853		0,939	0,957
	0,576	0,865		0,977	0,968
	0,391	0,878		0,934	0,979
	0,902	0,900		0,002	0,990

Рисунок 1.3 – визначення числа ступенів змінення концентрації

Таблиця 1.3.Результати початкових експериментальних даних

Поиск по сайту: