Министерство образования и науки РФ

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова

Институт Энергетики и Автоматики

Кафедра теплотехнических и энергетических систем

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

БИНАРНОЙ СМЕСИ

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «Тепломассообменное оборудование предприятий»

для студентов направления 140100

Магнитогорск

2012

Составители: С. В. Осколков

И.Х.Валеев

Изучение процесса ректификации бинарной смеси: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Тепломассообменное оборудование предприятий» для студентов направления 140100. Магнитогорск: МГТУ, 2012. 22с.

МГТУ им.Носова, 2012

1. Теоретическое введение.

Перегонка и ректификация широко распространены во многих от­раслях промышленности и применяются для получения разнообразных продуктов в практически чистом виде путем разделения их жидких сме­сей в производствах органического синтеза, изотопов, полимерных и полупроводниковых материалов, пищевых продуктов и т. д., а также для получения чистых газов из сжиженных газовых смесей (кислорода и азота при разделении воздуха, углеводородных газов и т. д.).

Перегонка - термический процесс разделения бинарных или много­компонентных паровых, а также жидких смесей на практически чис­тые компоненты или их смеси, обогащенные легкокипящими компонентами. Разделение основано на различии (при одном и том же давлении) в темпера­турах кипения компонентов, составляющих смесь.

Различают два способа перегонки: дистилляцию и ректификацию.

Дистилляция - метод разделения смеси путем однократного испарения и последующей полной конденсации паров.

Ректификация - это процесс многократного (многоступенчатого) испаре­ния и многократной частичной конденсации образующихся паров, протекаю­щий в одном аппарате.

Состав паров в процессах перегонки и ректификации определяется различной фугитивностью (летучестью) компонентов при одной и той же температуре. Исходя из этого различают низкокипящие (легколету­чие) и высококипящие (труднолетучие) компоненты. Низкокипящий. компонент имеет наибольшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров любого другого компонента смеси и соответственно наименьшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов давлении. Компонент, обладающий наименьшим дав­лением или наивысшей температурой кипения, называется высококипя­щим компонентом. Не испарившаяся в результате перегонки или ректи­фикации высококипящая жидкость называется остатком, а низкокипя­щая жидкость, полученная в результате конденсации паров — дистил­лятом или ректификатом.

1.1. Физическая сущность процесса ректификации.

В процессе ректификации происходит двухсторонний массо- и теплообмен между противоточно движущимися непрерывными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации контакти­рующих фаз. Пары при движении вверх обогащаются легкокипящими, а жид­кость, опускаясь вниз - труднокипящими компонентами. Благодаря многократ­ному контакту фаз можно получить практически чистые пары легкокипящих компонентов и жидкость из труднокипящих компонентов. Процесс разделения компонентов проводится в ректификационной колонне. Ее назначение –создание разви­той поверхности контакта фаз и условий, благоприятных для эф­фективного массообмена между материальными потоками.

Ректификационные установки состоят из колонны, подогревателей, испарителя, дефлегматора, сепаратора, холодильника - конденсатора и вспо­могательных элементов оборудования (рис.1).

Они подразделяются на: периодические (разделяемая смесь единовременно загружается в куб и процесс ректификации протекает до получе­ния продуктов заданного состава); непрерывные (разделяемая смесь по­ступает и продукты разделения выводятся из колонны непрерывно).

Расчет процесса ректификации смесей с учетом влияния всех входя­щих в них компонентов крайне затруднителен. По этой причине сложные мно­гокомпонентные смеси обычно анализируются как бинарные или тройные. Это допущение существенно упрощает расчет.

В общем случае бинарные смеси можно разделить на три группы:

1) смеси с практически взаимно нерастворимыми компонентами;

2) смеси с частично растворимыми компонентами;

3) смеси с полностью взаимно растворимыми компонентами.

1 - кубовая часть колонны;

2 - ректификационная колонна (пары поднима­ются по колонне и в противотоке взаимодейст­вуют с жидкой фазой, поступающей в верхнюю часть колонны из дефлегматора 3);

3 - дефлегматор (пары, обогащенные в ходе те­плообмена и массообмена низкокипящим компонентом, выходят из колонны и конденсиру­ются, отдавая теплоту конденсации охлаждаю­щей воде);

4 - сепаратор-отделитель;

5 - конденсатор;

6 - сборный бак;

F - исходная смесь;

R - возвращающийся в колонну дистиллят (флегма);

W - кубовый остаток;

V - пары, выходящие из колонны в дефлегма­тор для конденсации;

D - готовый продукт.

При р=const равновесные характеристики бинарных (двухкомпонентных) смесей обычно представляются в Т-х,у, у-х координатах, а при Т=const в х-р - координатах, где х, y - молярная доля низкокипящего компонента в жидкой и паровой фазе.

Легколетучий (низкокипящий) компонент - компонент, имеющий большее, по сравнению с другим труднолетучим (высококипящим) компонен­том давление насыщенных паров при заданной температуре.

Для расчета колонн широко используются два принципиально различ­ных метода:

1) метод ступеней контакта (метод теоретических тарелок);

2) метод числа единиц переноса.