Лабораторные работы / 3

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Химико-технологический институт

Кафедра машины и аппараты химических производств

Отчёт

Лабораторная работа № 3

Изучение устройства тарельчатой ректификационной колонны и процесса ректификации технического этилового спирта

Преподаватель	Хомякова Т.В.
Студент	Хитрых А.В.
Группа	Фт-320016

Екатеринбург

2025 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Повышение уровня знаний в вопросе устройства и работы перегонного аппарата, а также процессов, происходящих при простой перегонке.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Изучение процесса ректификации этилового спирта на установке периодического действия.

2. Ознакомление с конструкцией тарельчатой ректификационной колонны.

3. Изучение принципов управления ректификационной установкой.

4. Приобретение навыков вывода установки на рабочий режим.

5. Определение числа теоретических тарелок.

6. Составление теплового баланса дефлегматора и определение количества тепла, отводимого при конденсации паров спирта.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Ректификацией называется тепломассообменный процесс разделения жидких гомогенных смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, получаемым за счет испарения разделяемой смеси. Процесс основан на различной летучести компонентов, составляющих смесь, т.с. на различии температур их кипения при одном и том же давлении.

Процесс ректификации осуществляют в колоннах, представляющих собой вертикальные цилиндрические аппараты с контактными устройствами в качестве которых используются тарелки или насадки различных конструкций.

Ректификационная колонна — это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром, причём температура пара на 0,5-2°С выше температуры жидкости. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном обмене теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза нее более низкокипящим, т.е из пара в жидкость уходит ВКК, а из жидкости испаряется НКК и переходит в пар. В результате пар, дойдя до верха, превращается в практически чистый НКК, а жидкость, дойдя до низа, в почти чистый ВКК. Движущей силой этого обмена на границе двух фаз является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному состоянию.

Наибольшее распространение в промышленности получили ректификационные колонны, в которых в качестве контактных устройств используются колпачковые, ситчатые и провальные тарелки [1, 2]. В ректификационной колонне навстречу друг другу проходят неравновесные по составу потоки пара и жидкости. Пар в колонне идет снизу - вверх, а жидкость стекает сверху вниз. В результате контактного взаимодействия пар обогащается более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость — менее летучим (высококипящим). Развитая поверхность контакта фаз на тарелках образуется пузырьками и струями пара при многократном его прохождении (барботаже) через слои жидкости.

Ректификационные колонны широко применяются в нефтяной, нефтехимической, газовой и пищевой промышленностях.

Известно, что этиловый спирт хорошо растворяется в воде, образуя бинарную водно-спиртовую смесь с различным содержанием спирта. Температура кипения 100% этилового спирта (t_кип = 78,3°С при давлении 760 мм рт.ст.) значительно отличается от свойств дистиллированной воды и это различие используется при разделении компонентов различных спиртосодержащих материалов для получения спирта высокой концентрации. Различают молярную. массовую и объемную концентрации спирта.

Закон Рауля гласит, что парциальное давление компонента над раствором прямо пропорционально его мольной доле в жидкой фазе. Это соотношение выражается формулой

P_i = x_i ⋅ P_i∗, где

P_i — парциальное давление компонента,

x_i — его мольная доля в жидкости,

P_i∗ — давление насыщенного пара чистого компонента.

Этот закон применим к идеальным растворам, где взаимодействия между молекулами компонентов незначительны.

Число флегмы, или флегмовое число, представляет собой отношение количества флегмы (жидкости, возвращаемой в колонну) к количеству отбираемого дистиллята. Оно рассчитывается как

R = где

L — количество флегмы, а

D — количество дистиллята.

Флегмовое число является важным параметром в процессе ректификации, так как оно влияет на эффективность разделения компонентов в колонне. Оптимальное значение флегмового числа определяется экспериментально или расчетным путем для достижения наилучшей степени разделения смеси.

Описание и принцип работы лабораторной установки

Основными элементами лабораторной установки, рис. 2 являются теплообменный аппарат кожухотрубного типа КТ с движением горячего теплоносителя по внутренним трубам и холодного теплоносителя в межтрубном пространстве и пластинчатый теплообменник ПТ.

Рисунок 1 – Монтажная схема

Замеряемые параметры:

1 – Температура в кубовом испарителе.

2 – Температура в верхней части колонны.

3 – Температура дистиллята.

4 – Температура охлаждающей воды на ходе в установку.

5 – Температура охлаждающей воды на выходе из установки.

6 – Давление в кубовом испарителе.

7 – Расход охлаждающей воды.

8,9 – Разность давлений дистиллята.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Данные, полученные в ходе эксперимента, а также рассчитанные по его результатам, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты экспериментальных измерений

№ п/п	Наименования	Обозначения	Единица измерения	Значение
Экспериментальные данные
1	Количество исходной смеси	F	кг	6л
2	Концентрация исходной смеси по низкокипящему компоненту	xF	Масс.доли	0,15
3	Средняя концентрация дистиллята	xD	Масс.доли	0,95
4	Концентрация кубового дистиллята	xw	Масс.доли	0,05
5	Экспериментальное флегмовое число	RЭ		4

Таблица 2 – Результаты вычислений

Расчётные данные
1	Минимальное флегмовое число	Rмин		1,29
2	Флегмовое число	R		2,84
3	Количество теоретических тарелок	n­т	шт	7
4	Количество фактических тарелок	n­ф	шт	10

Выкладка расчётов

Экспериментальное флегмовое число R_Э рассчитывается по формуле:

L – расход жидкости (флегмы),

D – расход дистиллята.

Минимальное флегмовое число R_мин рассчитывается по формуле:

, где

Где значение – равновесная концентрация низкокипящего компонента (этилового спирта) находится под равновесной кривой;

X_D – концентрация дистиллята

X_F – концентрация исходной смеси

Флегмовое число R рассчитывается по формуле:

R = 1,3 * R_мин + 0,3

Количество теоретических тарелок n­_т рассчитывается по формуле:

,

Теплота, отводимая в дефлегматоре, рассчитывается по формуле:

Q – расход воды (в м³/с),

ρ – плотность воды (в кг/м³),

c_p – удельная теплоемкость воды (в Дж/(кг))

ΔT – разность температур на входе и выходе дефлегматора ( в С)

Q = 9,4 л/с = 0,0094 м³/с

ΔT = T3 – T4 = 15,1 – 8,8 = 6,3 C

Q_отв = 0,0094*1000*4186*6,3 = 248,5 кВт

Определим минимальное флегмовое число:

Построим по данным Приложения 3 для смеси этанол-вода при атмосферном давлении, кривую равновесия в координатах х-у.

Концентрация исходной смеси: X_F = 15% (масс.),

Концентрация дистиллята: X_D = 95% (масс.),

Концентрация кубового остатка: X_W = 5% (масс.).

Рабочее флегмовое число:

Построение на диаграмме рабочей линии:

Верхняя часть колонны:

Нижняя часть колонны:

Линия проходит через точки D (X_W =Y_W) и точку С – точку пересечения верхней рабочей линии с вертикалью X = X_F

На диаграмме у-х между равновесной кривой и рабочей линией строят ступеньки. Количество ступенек соответствует числу теоретических тарелок. Для данных условий получаем

Выводы

В результате выполнения работы были подробно изучены процессы ректификации этилового спирта на установке периодического действия, а также конструкция и принципы управления тарельчатой ректификационной колонной.

Были освоены навыки запуска установки до рабочего режима, определено число теоретических тарелок, а также составлен тепловой баланс дефлегматора с расчетом количества отводимого тепла при конденсации паров спирта. Это позволило значительно повысить уровень знаний о работе ректификационной установки и процессах, протекающих при ректификации.

Также были рассчитаны значения минимального и рабочего флегмового числа, теоретическое и фактическое количество тарелок.