Лабораторна робота № 8.

1. ТЕМА: Вивчення процесу ректифікації бінарних систем.

2. МЕТА: вивчити роботу ректифікаційної установки, експериментально визначити і розрахувати основні робочі характеристики колони з ковпачковими тарілками.

3. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Процес ректифікації широко застосовується у виробництві нафтопродуктів, спиртів, мономерів і інших речовин високої чистоти. За допомогою ректифікації розділяють рідкі суміші на компоненти, які мають різну температуру кипіння при однаковому тиску.

Суть процесу ректифікації полягає у протитечійній взаємодії нерівноважних рідкої і парової фаз, в результаті чого парова фаза збагачується низькокиплячим компонентом (НКК), а рідка - висококиплячим компонентом (ВКК).

Пара і рідина рухаються через ректифікаційну колону протитечійно. Пара йде знизу вверх, рідина стікає зверху вниз. На кожній тарілці колони вони вступають в контакт, дякуючи барботажу - проходженню пухирців і струминок пари через шар рідини на тарілці. Внаслідок відсутності термодинамічної рівноваги між парою і рідиною при цьому виникають процеси тепло- і масообміну, в результаті яких стан двохфазної системи наближається до рівноваги. Пара стає багатшою більш летким (низькокиплячим) компонентом, а рідина - менш летким (висококиплячим). Температура пари падає, рідини -зростає.

Процес ректифікації проводять в тарілчастих, насадочних і плівкових апаратах, які, як правило, складаються із нижньої (відпарної) і верхньої (концентраційної) секцій. Вихідна суміш (живлення) подається у верхню частину відпарної секції. Рідина, що стікає у нижню частину колони, поступає у куб випарник. Парова фаза повертається у колону, а кубовий залишок відводиться як готовий продукт, збагачений ВКК. Пара, яка виходить вверху колони, повністю конденсується у дефлегматорі і ділиться на дві частини. Одна частина конденсату повертається на верх колони у якості флегми, друга - використовується як готовий продукт (дистилят), збагачений НКК. Флегма, стікаючи вниз по тарілках збіднюється більш летким компонентом і приходить у куб-випарник.

Для обігріву випарників ректифікаційних колон частіше використовують насичену водяну пару. Рідше застосовують електронагрів, па?ивні гази і високотемпературні органічні теплоносії. Охолодження конденсаторів (дефлегматорів) проводять частіше за все водою, рідше – атмосферним повітрям.

Зміна концентрацій при розділенні рідких сумішей в секціях колони описується рівняннями робочих ліній:

для верхньої (концентраційної) секції

(1)

для нижньої (випарної) секції

(2)

де х, у - мольні долі НКК у паровій і рідкій фазах відповідно;

хD, xw - мольні долі НКК у дистиляті і кубовому залишку;

R - флегмове число, яке представляє собою відношення кількості флегми до кількості дистиляту (в молях);

Ш - відносний розхід живлення, який представляє собою відношення кількості живлення до кількості дистиляту (в молях).

При виведенні рівнянь робочих ліній (1), (2) прийняті допущення, які мало спотворюють фактичні умови протікання процесу:

1) кількість пари, що піднімається в колоні, постійна по її висоті;

2) вихідна суміш поступає в колону нагрітою до температури кипіння;

3) склад пари на виході із колони рівний складу флегми і складу дистиляту: уD= хD= хШ (3)

а внизу колони - складу кубового залишку: уw= xw

Положення робочих ліній на діаграмі залежить від концентрацій НКК xw, хD, хФ і флегмового числа R, яке може змінюватись в межах Rmin<R< ?

При R = Rmin робоча лінія дотикається лінії рівноваги. У даному випадку процес не може бути здійснений у реальній колоні, так як необхідна безмежно велика площа поверхні контакту фаз. При R = ? робоча лінія (кількість верхнього продукту, що відбирається = 0) співпадає з лінією рівних концентрацій на діаграмі у - х. Такий режим називається роботою колони "на себе". В цьому випадку різниця між рівноважною і робочою концентраціями ("рушійна сила" процесу) буде максимальною, а необхідна площа поверхні контакту фаз – мінімальною.

Стійка робота ректифікаційної колони багато в чому залежить від швидкості пари w, усередненої по поперечному перерізу. Для апарату з відомою площею перерізу S швидкість пари можна визначити з рівняння витрати: G(n)=(n)•W•S (4)

Густина пари (n)• розраховується за рівнянням Клапейрона

(5)

де Р, Р0 - тиск в колоні і атмосферний тиск, Па;

t - температура, °С;

М- молярна маса пари.

Молярна маса пари знаходиться за формулою

M = MНКК•у + MВКК•(1-у) (6)

При проектуванні тарілчастих ректифікаційних колон максимально допустиму швидкість пари визначають за емпіричним рівнянням:

(7)

Коефіцієнт С в рівнянні залежить від типу тарілки, навантажень по фазах і фізичних властивостей фаз. Для ковпачкових тарілок коефіцієнт С можна знайти за рис. 1, де L, Gn - масові витрати рідини і пари, кг/с; (р) -густина рідини, кг/м3.

Оптимальна швидкість в колоні менша максимально допустимої

wопт=0,8wmax (8)

Важливим параметром, який характеризує роботу тарілчастих колон є ефективність тарілки, яка представляє собою відношення фактичної зміни концентрацій у будь-якій з фаз до рушійної сили процесу при вході тієї ж фази на тарілку.

(9)

Де увх, увих, у* - концентрації НКК в газовій фазі на вході в тарілку, виході з тарілки і концентрація, рівноважна з рідиною, що покидає тарілку, відповідно.

Якщо прийняти, що ефективність тарілки постійна по висоті колони, то можна записати

(10)

де Nm - число теоретичних тарілок, необхідних для очікуваного розділення (тобто при досягненні рівноважного стану фаз на кожній тарілці);

Nд – число дійсних тарілок для даного розділення.

Рис. 1. Значення коефіцієнта С в рівнянні (7).

Віддаль між тарілками:

1 - 0,7м; 2 - 0,6м; 3 - 0,5м;

4 - 0,4м; 5 - 0,3м.

Число теоретичних тарілок найбільш просто розраховується графічно побудовою ламаної лінії (сходинок) між кривою рівноваги і робочими лініями на діаграмі у-х.

Визначення ефективності контактних тарілок на основі теорії тепло-і масообміну представляє собою складну задачу, яка до теперішнього часу повністю не вирішена. Однією із причин цього є відсутність надійних методів