книги / Процессы и аппараты химической технологии. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2

Врезультате описанного выше построения на диаграмме y–x образуется ступенчатая линия («лестница»). Количество «ступенек» этой «лестницы» является необходимым числом тарелок. Таким образом определяется число теоретических таре-

лок nт, поскольку при его определении предполагалось существование на каждой тарелке равновесия между паром и жидкостью.

Вдействительном технологическом процессе в работающей колонне это равновесное состояние не достигается, так как продолжительность контакта между паром и жидкостью на тарелке очень мала, в то время как процесс обмена компонентами (как диффузионный процесс) протекает с некоторой конечной скоростью. По этой причине действительные составы пара на тарелке оказываются меньше теоретических (равновесных).

Следовательно, действительное число тарелок nд, которое может обеспечить заданную степень разделения жидкой исходной смеси, должно быть больше теоретического.

Соотношение между числом теоретических и действительных тарелок определяется как средний коэффициент полезного действия (КПД) тарелок колонны по выражению

Теоретические положения и результаты опытов показывают, что КПД тарелок колонны зависит от целого ряда факторов, количественно учесть которые не представляется возможным. Поэтому его величина определяется в каждом отдельном случае опытным путем, что и является задачей настоящей работы.

Описание лабораторной установки и ее работы

Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 2.4.

Установка состоит из тарельчатой колонны (внутренний диаметр 95 мм) с 9 тарелками, смонтированной на кубе 2

31

(рис. 2.5). Куб колонны имеет теплоизоляцию, снабжен пробоотборным краном 1 и устройством для возврата пробы кубовой жидкости. Контроль количества кубовой жидкости производится при помощи уровнемера.

Рис. 2.4. Лабораторная установка для ректификации

Нагрев исходного раствора осуществляется электрическим подогревателем мощностью 4 кВт. Величина мощности нагрева регулируется автоматически пропорционально-интег- рально-дифференцирующим регулятором (ПИД-регулятором) ТРМ-101, который связан с электронным преобразователем давления (АИР-20/М2/ДИ), установленным в кубе колонны.

Дефлегматор 9 выполнен в виде пластинчатого теплообменника, расположенного над колонной. Охлаждение и конденсация паров в дефлегматоре проводится водопроводной водой, расход которой контролируется ротаметром 5.

32

Впромышленной практике часть дистиллята отбирается

вкачестве готового продукта. Для моделирования такого режима работы колонны на линии дистиллята установлен вентиль 4, с помощью которого производится отбор определенной части дистиллята в качестве готового продукта. Количество отбираемого готового продукта измеряется ротаметром дистиллята 3'. Для исключения прямого контакта с обслуживающим персоналом отбираемый дистиллят направляется обратно в куб колонны. В лабораторной установке при этом моделируется промышленный процесс непрерывной ректификации, в котором вся колонна используется только для концентрирования (укрепления) разделяемой смеси. При таком варианте использования колонны на диаграмме y – x имеется только одна рабочая линия.

Конструкция лабораторной установки предусматривает измерение температуры охлаждающей воды на входе и выходе из дефлегматора; температуры смеси в кубе, нижней, средней и верхней частях колонны. Для непрерывного измерения температуры используются термосопротивления 8 и вторичные приборы на электрическом щите управления 10.

Концентрация образующегося в результате ректификации спирта непрерывно контролируется спиртомером, вмонтированным в трубопровод дистиллята. Характеристики ректификационной колонны прилагаются к ней и находятся на рабочем месте.

Методика проведения работы

Исследуемой средой является этиловый спирт, разбавленный водой до раствора с концентрацией 1,5–5 об. %.

При непрерывной работе колонны работа может проводиться в двух вариантах:

вариант 1 – режим работы «на себя», т.е. с полным возвратом образующегося дистиллята в верхнюю часть колонны

ввиде флегмы;

вариант2 – режим работы с выдачей дистиллята, т.е. отбор частидистиллятаприегонепрерывномвозвратевкубколонны.

34

Приступить к работе можно только после ознакомления с установкой.

Пуск установкипроизводится сразрешенияпреподавателя.

Вариант 1. Работа колонны «на себя»

Работа выполняется в следующем порядке:

1.Проверить уровень жидкости в кубе колонны 2, отобрать пробу кубовой жидкости через пробоотборный кран 1

вспециальную емкость для определения концентрации спирта.

2.Подать охлаждающую воду в дефлегматор. Расход воды установить по верхней плоскости поплавка в диапазоне

30–50 делений шкалы ротаметра. Устанавливаемое число делений по шкале ротаметра для каждого опыта сообщает преподаватель.

3.Закрыть вентиль 4 на линии возврата дистиллята в куб колонны.

4.С разрешения преподавателя включить в сеть подогре-

ватель куба.

5.По указанию преподавателя на регуляторе давления

(на щите ТРМ-101) задать величину давления в кубе.

6.C момента появления дистиллята следить за постоянством давления в кубе колонны. В случае «захлебывания» ко-

лонны, которое проявляется в появлении брызг дистиллята в линии подачи паров из верха колонны в дефлегматор, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю.

7. Изменением расхода воды в дефлегматор 9 поддерживать постоянную температуру дистиллята, который возвращается в виде флегмы в верх колонны, в пределах 18–22 С.

8. При помощи ротаметра флегмы 3 и спиртомера внутри трубки 7, контролировать расход и концентрацию спирта во флегме до момента стабилизации расхода флегмы и достижения максимального значения концентрации спирта (ориентировочно через 20–30 мин работы колонны в режиме «на себя»).

35

9.После установления в аппарате стационарного режима записать следующие данные:

производительность колонны по флегме;давление в кубе колонны;

расход охлаждающей воды и ее температуру до и после дефлегматора;

температуру флегмы и концентрацию спирта в кубовой жидкости и во флегме;

температуры в кубе колонны и в верху колонны.

10.Выключить подогреватель куба колонны; через 15 мин после этого прекратить подачу охлаждающей воды в дефлегматор.

11.Сообщить преподавателю об окончании опыта. Результаты опытов занести в табл. 2.1.

Ф.И.О.

Вариант 1. Работа колонны «на себя»

Экспериментальныеданные Величина Размерность

Производительность колонны по флегме

Давление в кубе колонны

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре

Температураохлаждающей воды:

–до дефлегматора

–после дефлегматора

36

Вариант 2. Работа колонны с выдачей дистиллята

Работа выполняется в следующем порядке:

1.После выхода колонны на стационарный режим осторожно при помощи вентиля 4 и ротаметра 3' по указанию преподавателя установить определенный расход дистиллята, который по трубопроводу направляется в куб колонны 2.

2.Ориентировочно через 20–30 мин, когда установится устойчивый режим работы колонны с выдачей дистиллята, записать следующие данные:

производительность колонны по флегме;производительность колонны по дистилляту;

флегмовое число (отношение производительности по флегме к производительности по дистилляту);

давление в кубе колонны;расход охлаждающей воды и ее температуру до и после де-

флегматора;температуру флегмы;

концентрацию спирта во флегме и в дистилляте;температуры в кубе колонны и в верху колонны.

3.Выключить нагрев колонны и через 10–15 мин после этого прекратить подачу охлаждающей воды в дефлегматор.

4.Результаты опытов занести в табл. 2.2.

Обработка опытных данных

При обработке полученных данных использовать справочные материалы из прил. 1.

Вариант 1. Работа колонны «на себя»

1.1. Расчет опытного среднего КПД тарелок

1.1.1. По замеренным в конце каждого опыта объемным концентрациям спирта во флегме и в кубовой жидкости определить в них массовые доли этилового спирта хф (здесь хф хд )

и xW по табл. П.1.1.

37

Ф.И.О.

Вариант 2. Работа колонны с выдачей дистиллята

Экспериментальные данные Величина Размерность

Производительность колонны по флегме

Производительность колонны по дистилляту

Флегмовое число (отношение производительности по флегме к производительности по дистилляту)

Давление в кубе колонны

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре

Температураохлаждающей воды:

–до дефлегматора

–последефлегматора

1.1.2. Найденные таким образом составы флегмы и кубовой жидкости пересчитать на мольные доли xд и xW по формуле:

x

x – массовая доля спирта, кг спирта / кг смеси; 46 – молекулярная масса этилового спирта; 18 – молекулярная масса воды.

38

1.1.3. Для графического расчета на миллиметровой бумаге по данным табл. П.1.2 построить равновесную диаграмму у–х, выраженную в мольных долях этилового спирта. Предва-

рительно необходимо пересчитать массовые доли этилового спирта x и y из табл. П.1.2 в мольные доли х и у.

В первом варианте работы колонны («на себя») рабочая линия совпадает с диагональю диаграммы.

1.1.4.На диаграмму равновесия нанести точки (xд; yд)

и(xW; yW), характеризующие составы флегмы и кубовой жидкости. Для этого:

по табл. П.1.2 для ранее найденных xд и xW определить соответствующие равновесные массовые составы газовых фаз yд* и yW* для дистиллята и кубовой жидкости;

поаналогиисп.1.1.2пересчитатьнамольныедоли yд* и yW* .

1.1.5. Число теоретических тарелок nт (может быть дробным) определяется в результате построения ступенек между рабочей и равновеснойлиниямив диапазоне от xW до точкисабсциссой xд.

По результатам графического расчета теоретического числа тарелок определить их опытный КПД:

nт .

оп nд

1.2. Расчет теоретического среднего КПД тарелок

1.2.1.Определить молекулярную массу дистиллята M д

икубовой жидкости MW :

Mд 46 xд 18 (1 xд),

MW 46 xW 18 (1 xW ).

1.2.2. Вычислить среднюю молекулярную массу пара Mср:

Mср Mд MW /2.

39

1.2.3. Определить среднюю температуру в колонне Тср (К):

Тср tд 2tW 273,

где tд, tW – температуры дистиллята и кубовой жидкости, С. 1.2.4. Рассчитать среднюю плотность пара п (кг/м3):

п Мср 273. 22,4 Тср

1.2.5. Определить массовый расход флегмы GR (кг/с) при работе колонны:

GR VR R ,

где VR – объемная производительность колонны по флегме, м3/с;R – плотность флегмы, кг/м3, определяемая по табл. П.1.3 в зависимости от массовой доли спирта xф.

В первом варианте работы колонны («на себя») Gд 0. 1.2.6. Вычислить среднюю скорость пара (м/с):

пМд d 2 п 0,785

1.2.7.Рассчитать среднюю плотность жидкости (кг/м3):

ж R 2 W ,

где W – плотность кубовой жидкости.

1.2.8. Определить коэффициент молекулярной диффузии (м2/с) по приближенной формуле:

Dж 7,4 10 12 M 0,5 Tср ,

v0, 6

40