Построение изобарных температурных кривых.

Считая, что разделяемая смесь (бинарная) при давлении p близком к атмосферному образует идеальный раствор, подчиняющийся законам Рауля и Дальтона, определяют при заданном давлении p составы жидкой (х) и паровой (у) фаз, находящихся в равновесии, по уравнениям

, (7.1)

, (7.2)

где p – давление системы, мм.рт.ст.; Р_сп – давление насыщенных паров спирта при температуре, мм.рт.ст.; Р_в – давление насыщенных паров воды при температуре, мм.рт.ст..

Поскольку температура кипения данной бинарной смеси в процессе ее разделения при атмосферном давлении изменяется в интервале температур кипения чистых компонентов: воды (100°С) и этилового спирта (78°С) - для построения изобарных температурных кривых равновесия составы жидкой (х) и паровой (у) фаз находят при температурах t, лежащих в указанном интервале (78–100°С). Данные расчетов заносят в табл.7.1.

Таблица 7.1

Таблица расчетных величин

t, оС	Рсп, мм.рт.ст	Рв, мм.рт.ст	π, мм.рт.ст	х’*		у’*=К· х’*

По данным табл.7.2 строят графики t – x^/, y^/; y^/ – x^/ (рис.7.2 и 7.3). По графику t – x^/, y^/ уточняют температуры верха и низа ректификационной колонны, температуру питания и его агрегатное состояние.

 

Описание установки.

Исходная водно–спиртовая смесь из бака питания 1 при помощи насоса 2 поступает через подогреватель 3 в ректификационную колонну 5. Температура вводимого в колонну сырья регулируется ЛАТРом и замеряется с помощью термометра 4, установленного на линии питания. С нижней тарелки колонны жидкость стекает в куб–испаритель 6, снабженный электрообогревателем. Температуру в кубе замеряют термометром 7. Отвод кубового остатка W из куба осуществляется через гидравлический затвор, одновременно являющийся холодильником 8, в емкость 9. Пар, богатый НКК, поступает с верхней тарелки колонны в конденсатор (дефлегматор) 10, который охлаждается циркулирующей водой. Подачу воды регулируют вентилем, который открывают на 1/3. Конденсат из дефлегматора 10 поступает во флегмоделитель 11. Часть этого конденсата насосом 12 подается в качестве орошения в колонну на верхнюю тарелку. Для замера температуры возвращаемой в колонну флегмы установлен термометр 14. Остальная часть конденсата из флегмоделителя 11 самотеком поступает в мерный сосуд 13 в качестве дистиллята, температура которого равна температуре возвращаемой в колонну флегмы. Температура паров, уходящих с верха колонны, замеряется термометром 15.

 

Методика проведения работы.

После ознакомления со схемой и установкой в натуре приступают к работе, предварительно распределив рабочие места. С разрешения преподавателя приступают к пуску установки. Прежде всего пускают воду в конденсатор и холодильник кубового остатка. Проверяют, есть ли жидкость в кубе. Если отсутствует – необходимо куб заполнить на 2/3. Затем включают подогреватель куба и с помощью ЛАТРа постепенно увеличивают напряжение. После этого проверяют, наполнен ли бак питания исходной смесью и, если необходимо, добавляют в него смеси. Когда жидкость в кубе закипит и начнется барботаж на верхней тарелке, подают питание в колонну, предварительно подогревая его до температуры, близкой к температуре кипения. Объемный расход питания F, который необходимо все время держать постоянным, задает преподаватель. Концентрация спирта в питании составляет » 20%. После того как во флегмоделителе накопится достаточное количество дистиллята, часть его начинают подавать в виде орошения на верхние тарелки колонны. Количество подаваемой флегмы регулируется насосом 12 по температуре верха колонны. Избыток дистиллята из флегмоделителя самотеком поступает в мерный сосуд в качестве верхнего продукта. Отбор нижнего продукта (остатка) W осуществляют в конце работы для проведения анализа на содержание НКК. Когда

 

Рис. 7.1. Схема лабораторной установки:

1 – бак питания; 2, 12 – поршневые насосы; 3 – подогреватель; 4, 7, 14, 15 – термометры; 5 – ректификационная колонна; 6 – куб-испаритель; 8 – холодильник; 9 – емкость; 10 – конденсатор (дефлегматор); 11 – флегмоделитель; 13 – мерная емкость

 

начат отбор дистиллята, пусковой период установки считается законченным. Режим считают установившимся (стационарным) при достижении заданной преподавателем температуры верха колонны в пределах 80¸ 84°С. Стационарный режим достигается регулировкой количества орошения и питания и характеризуется постоянством температур по высоте колонны.

Для введения колонны в стационарный режим через каждые 5¸ 6 минут снимают и записывают в табл.7.3 параметры работы колонны (5¸ 6 замеров).

Объемное количество дистиллята замеряют мерным цилиндром. Концентрацию спирта в питании, дистилляте и остатке определяют по табл.7.4. в зависимости от их плотностей, замеренный ареометрами. После окончания работы прекращают подачу напряжения на все обогревательные элементы колонны, отключают насосы питания. Воду на дефлегматор закрывают после того, как остынет колонна.

Массовые концентрации питания, дистиллята и остатка пересчитывают в мольные

, (7.5)

Таблица 7.3

Результаты измерений

№	Измеряемая величина	Замеры	Среднее расчетное значение
	Температура в кубе, оС
	Температура ввода сырья, оС
	Температура орошения, оС
	Температура верха колонны, оС
	Напряжение, подаваемое на подогрев куба, В
	Содержание спирта, масс. доли: а) в питании б) в дистилляте в) в остатке
	Объемные количества, мл/мин: а) питания б) дистиллята
	Массовые расходы, кг/с: а) питания б) дистиллята в) орошения
	Время отбора заданного количества дистиллята, с

 

, (7.6)

, (7.7)

Средние молекулярные массы потоков М_СМ рассчитывают, исходя из мольных составов

, (7.8)

, (7.9)

где М_i – молекулярные массы i – го компонента в смеси; , x_i –молярная и массовая доля i – го компонента в смеси.

3. Тепловой баланс колонны.

На основании закона сохранения энергии

Q_{прихода}=Q_{расхода}+Q_пот.(7.10)

а) приход тепла

Q_{прихода}=Q_F+Q_L+Q_B , (7.11)

где Q_F – тепло, вносимое в колонну с питанием, Вт;

Q_F=F·C_F··t_F, (7.12)

где Q_L – тепло, вносимое в колонну с орошением, Вт;

Q_L=L·C_L·t_L , (7.13)

где F, L – массовые расходы питания и орошения, кг/с; t_F, t_L – температуры питания и орошения, °С; С_F, C_L – удельные массовые теплоемкости питания и орошения, Дж/кг·град.

C_F=C_сп·z+C_в·(1-z) (7.14)

С_L= C_сп·y_D+C_в·(1-y_D) , (7.15)

где C_СП, С_В – удельные массовые теплоемкости спирта и воды при температурах потоков (°С), Дж/(кг× град), определяют по табл. 7.3; z, y_D – состав питания и орошения (массовые доли); Q_В – тепло, подводимое к кубу колонны, Вт.

Q_B=U·I= (7.16)

где: I – сила тока, А; U – напряжение, В; R – сопротивление нагревателей, Ом, R=80 Ом.

б) расход тепла

Q_{расхода}=Q_(D+L)+Q_W,

где Q_(D+L)– тепло, отводимое в конденсаторе, Вт;

Q_(D+L)=(D+L)·r+(D+L)·C_D·(t_K-t_L),

Q_W– тепло, уносимое остатком, Вт;

Q_W=W·C_W··t_W,

где D, W, L – массовые расходы дистиллята, остатка и орошения, кг/с; С_D, C_W – удельные массовые теплоемкости дистиллята и остатка, определяемые по правилу аддитивности в зависимости от составов дистиллята (у) и остатка (х) и теплоемкостей спирта и воды при температуре дистиллята и остатка, Дж/(кг× град)

С_D= C_сп·y_D+C_в·(1-y_D)

С_W= C_сп·x_W+C_в·(1-x_W),

где r – теплота конденсации паров, уходящих с верха колонны в дефлегматор, Дж/кг;

r= r_сп·y_D+r_в·(1-y_D),

где r_сп, r_в – удельная теплота конденсации паров спирта и воды, (см. табл.7.3), Дж/кг; t_Д, t_W, t_L, t_K – температуры дистиллята, остатка, орошения и конденсации паров дистиллята (t_Д = t_L).

Таблица 7.3

Удельные теплоемкости и теплота парообразования

Этилового спирта и воды

Температура, °С	Удельная теплоемкость, кДж/(кг× град)	Удельная теплота парообразования, кДж/кг
спирт	вода	спирт	вода
	2, 292	4, 212	921, 8	2493, 1
	2, 485	4, 183	913, 4	2448, 2
	2, 715	4, 174	900, 8	2403, 0
	2, 966	4, 179	879, 9	2356, 9
	3, 222	4, 195	850, 6	2310, 0
	3, 515	4, 220	812, 9	2260, 0

 

в) количество тепла, теряемое в окружающую среду

Q_пот.= Q_{прихода}- Q_{расхода}.

4. Из уравнения теплового баланса для верха колонны определяют количество флегмы (g), стекающей с верхней тарелки

, (7.17)

где L – массовый расход орошения, кг/с; - соответственно энтальпия паров дистиллята при температуре верха колонны, энталпия дистиллята при температуре конденсации (t_K) и при температуре орошения (t_L), Дж/кг.

,

,

,

где r – теплота концентрации паров верхнего продукта, Дж/кг.

5. Определяют минимальное флегмовое число R_MIN

,

где – равновесные составы жидкой и паровой фаз питания определяют по графику t–x^/, y^/ при температуре питания (R_min определяюм, если питание поступает при температуре кипения и выше).

6. Рабочее флегмовое число определяют как отношение мольного расхода флегмы в верхней части колонны (g') к мольному расходу дистиллята (D')

. (7.18)

7. Число ступеней изменения концентрации (теоретических тарелок) определяется графическим способом. Для этого используют кривую равновесия фаз в координатах х’^* - y’^*. На этот же график наносят кривые концентраций (рабочие линии) для верхней и нижней частей колонны:

а) рабочая линия верхней части колонны строится по уравнению линии концентрации (рабочей линии) для верха

, (7.19)

где – мольные концентрации верхних потоков пара жидкости в любом i–том сечении верхней части колонны.

Если мольные количества пара и жидкости по высоте секции не меняются, то уравнение (7.19) представит собой прямую линию, и для построения рабочей линии верхней части колонны достаточно двух точек. Решая уравнение (7.19) при , получим и при получим .

Следовательно, имеем две точки: А ( ) и В ( ).

Нанеся эти точки на график х’^* - y’^* и соединив их, получим рабочую линию верхней части колонны АВ (рис.7.4);

б) рабочую линию нижней части колонны строим аналогично, используя уравнение рабочей линии (линия концентрации) для низа

, (7.20)

где П – паровое число, это есть отношение расхода паров нижней части колонны к расходу остатка

, (7.21)

где – мольное количество паров в нижней части колонны, определяется из уравнения материального баланса для нижней части колонны, моль/с.

, (7.22)

где: – мольное количество жидкой части питания, моль/с (если питание подается в колонну при температуре его кипения или более низкой, то ).

При постоянных мольных потоках пара и жидкости по высоте секции уравнение (7.20) представляет собой уравнение прямой линии, и для построения ее достаточно двух точек. Решая уравнение (7.20) при , получаем , а при соответственно .

Через две полученные точки С ( ) и Д ( ) проводим рабочую линию нижней части колонны (рис.7.4). Для облегчения графического расчета можно использовать условную линию q (МN), определяющую точки пересечения рабочих линий верхней и нижней частей колонны, положение этой условной линии зависит от величины q, характеризующей тепловое состояние исходного сырья (рис. 7.5).

Далее из точки А( ), под углом, тангенс которого равен , проводят рабочую линию верхней части колонны до пересечения со вспомогательной линией q. Соединив точку пересечения с точкой С( ), получают рабочую линию нижней части колонны.

Для определения числа теоретических тарелок как в первом, так и во втором случае проводят ступенчатую линию между кривой равновесия и рабочими линиями от точки А до точки С. Число ступеней соответствует числу теоретических тарелок.

При этом ордината каждой горизонтали ступени соответствует составу паров, поднимающихся с той или иной тарелки, а абсцисса каждой вертикали определяет состав жидкости, стекающей с тарелки.

Коэффициент полезного действия тарелки h определяется из соотношения

, (7.27)

где N_T – число теоретических тарелок в колонне; N_P – число реальных тарелок в колонне.

Контрольные вопросы.

1. Сущность процесса ректификации.

2. Движущая сила процесса ректификации.

3. Материальный баланс колонны. Уравнение концентрации для верхней части колонны.

4. Флегмовое число. Минимальное флегмовое число, рабочее (оптимальное) флегмовое число.

5. Уравнение концентрации для нижней части колонны.

6. Паровое число. Минимальный вес паров.

7. Тепловой баланс колонны.

8. Материальный баланс колонны.

9. Уравнение и кривая равновесия фаз.

10. Изобарные температурные кривые равновесия.

11. Расчет состава фаз при помощи констант фазового равновесия.

12. Графические и аналитические методы расчета числа теоретических тарелок в колонне.

13. Взаимосвязь между числом тарелок и количеством орошения в колонне.

14. Способы создания орошения в колонне.

15. Способы подвода тепла в низ колонны.

16. Влияние давления на процесс ректификации. Выбор давления в колонне.

17. Основные типы ректификационных колонн.

 

Литература

Основная литература

 

1. Баранов, Д. А Процессы и аппараты [Текст]: учебник для студентов среднего профобразования / Д. А. Баранов, А. М. Кутепов. - М.: Академия, 2004. - 304 с.

2. Романков, П. Г. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учебное пособие / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; под ред. П. Г. Романкова. - М.: РусМедиаКонсалт, 2004. - 576 с.

1. Процессы и аппараты химической технологии [Текст]: лабораторный практикум / Э. А. Беев [и др.].; ТюмГНГУ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - 124 с.

 

5.Дополнительная литература

1. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст]: учебник / А. Г. Касаткин. - М.: Альянс, 2005. - 750 с.
2. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учебное пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; под ред. П. Г. Романкова. - М.: РусМедиаКонсалт, 2004. - 576 с.
3. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст]: справочное издание / Н. Б. Варгафтик. - М.: ООО " Старс", 2006. - 720 с.

 

 

⇐ Предыдущая123

Поделиться: