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

Проинтегрируем это уравнение с учетом того, что концентрация в паровой фазе меняется от y_w до y, концентрация в жидкой фазе меняется от x до x_w:

Подставим выражения для L (расход жидкой фазы) и G (расход паровой фазы) В результате преобразований получим уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны

7. Пределы изменения флегмового числа и его влияние на положение рабочей линии Флегмовое число представляет собой количество кмоль флегмы, возвращаемой в колонну в расчете на один кмоль отводимого дистиллята, может принимать любые значения в интервале от F min (в режиме минимального орошения) до бесконечности (в режиме полного орошения) при заданном качестве дистиллята, а также других параметрах, определяющих процесс разделения в колонне (давление, доля пара в сырье, поступающем в зону питания колонны). Положение рабочей линии укрепляющей части колонны определяется флегмовым числом и составом дистиллята. С ростом флегмового числа рабочая линия располагается ближе к диагонали, в результате уменьшается число теоретических тарелок, необходимое для достижения заданной степени разделения в укрепляющей части колонны.

8. Сравните установки периодической ректификации и простой перегонки. В чём их принципиальное различие?

В стандартной ситуации процесс перегонки отличается от ректификации наличием многоступенчатой ректификационной колонны с «ловушками», что позволяет более точно разделить компоненты дистиллируемой смеси. В процессе перегонки задействована одна сплошная линия, по которой пары продукта с неконтролируемым составом поднимаются и дистиллируются на холодильнике, для многофазового разделения эта установка не подходит, в отличие от ректификационной колонны, которая позволяет не только насыщать смесь низкокипящим компонентом (за счёт стекания дистиллята обратным током), но и разделить фазы более грамотно, за счет выходов, расположенных в нескольких местах колонны.

9. Какие два основных режима проведения периодической ректификации известны? Какой метод используется для проведения лабораторной работы?

Известны два способа проведения ректификации: непрерывный, применяемый в промышленности, и периодический, которым пользуются обычно в лабораториях. При непрерывной ректификации подогретая до кипения смесь подается в среднюю часть колонны. Определенные преимущества периодической ректификации проявляются при разделении смесей: а) с малыми расходами - в этом случае проведение процесса имеет смысл лишь после их накопления; б) многокомпонентных - периодически действующая установка позволяет осуществлять процесс в одной колонне, в то время как для его проведения в непрерывной требует количества колонн на единицу меньше числа компонентов; в) с изменяющимся качественным и количественным составом. Также периодическую ректификацию проводят при постоянном флегмовом числе, из чего можно сделать вывод, что процесс в лабораторной работе – периодический.

10. Как изменяется состав дистиллята, если ректификацию проводить при постоянном флегмовом числе?

При периодической ректификации при постоянном флегмовом числе R = onst) состав получаемого дистиллята изменяется во времени. Этот способ более широко применяется в производственных условиях. При этом, как правило, проводят так называемую фракционную перегонку, когда получаемый дистиллят собирают по фракциям определенного состава в отдельные сборники. Состав дистиллята при этом возрастает и контролируется, так как применяется фракционирование.

11. Каково предельное значение концентрации этанола в дистилляте при

проведении данной лабораторной работы? Каковы теоретические условия

его достижения?

y = 0,8387 Достичь ее возможно либо с помощью подачи вакуума, что значительно уменьшит температуру кипения этанола, либо с помощью контроля температуры в пределах 75-80 градусов при атмосферном давлении.

12. В каких единицах рассчитывается коэффициент массопередачи в данной работе? Чем обусловлен выбор этих единиц?

Коэффициент массопередачи в данной работе рассчитывается в кмоль/м²*с.

Он обусловлен размерностью движущей силы, в данном же случае она равна единице, соответственно размерность берётся без домножения на единицу движущей силы в знаменателе.

16