Температура кипения раствора во втором корпусе, оС
Концентрация исходного раствора, % масс.
Концентрация раствора после первого корпуса, % масс.
Концентрация раствора после второго корпуса, % масс.
Температура поверхности первого аппарата, оС
Температура поверхности второго аппарата, оС
Температура холодной воды, 0С
Температура смеси в барометрической трубе, 0С
Температура воздуха, 0С
3 Обработка опытных данных
3.1 Материальный баланс установки
Количество воды, выпариваемой в первом корпусе
,
где - количество исходного раствора, кг/с;
1 - концентрация исходного и упаренного раствора после корпуса 1, % масс.
Количество воды, выпариваемое во втором корпусе
,
где - количество раствора, поступающего из первого во второй корпус, кг/с;
- конечная концентрация раствора во втором корпусе, % масс.
Общее количество выпариваемой воды
3.2 Тепловой баланс установки по корпусам
Расход тепла на выпаривание в первом корпусе
Количество тепла, затраченное на нагрев исходного раствора от начальной температуры tH до температуры кипения tK1 определяется по уравнению
,
где CH – удельная теплоемкость исходного раствора, Дж/кг К.
Количество тепла, которое необходимо затратить на выпаривание воды в первом корпусе
,
где – удельная теплота парообразования при давлении в корпусе 1, Дж/кг.
Расход тепла на выпаривание во втором корпусе
Количество теплоты, выделяющееся при охлаждении выпариваемого раствора от температуры кипения в первом корпусе tK1 до температуры кипения tK2 во втором корпусе определяется по формуле
,
где СК1 - удельная теплоемкость раствора, поступающего из первого во второй корпус, Дж/кг К.
Количество тепла, затраченное на испарение воды во втором корпусе
,
где - удельная теплота парообразования при давлении во втором корпусе, Дж/кг.
Потери тепла в окружающую среду первым и вторым корпусом установки можно определить по уравнениям
,
где a1, a2 – суммарные коэффициенты теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху, Вт/м2 К;
FH1, FH2 – наружная поверхность выпарных аппаратов (FH1 = FH2=1.92 м2);
tвозд., tст1, tст2 – температура воздуха и стенок аппаратов, оС.
Суммарные коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от стенки аппарата к воздуху вычисляются по формуле
3.2 Коэффициенты теплопередачи по корпусам
Коэффициенты теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи для выпаривания
,
где Q – расход тепла на выпаривание в корпусе, Вт;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К;
F – поверхность теплообмена, м2;
Δ tпол – полезная разность температур (движущая сила процесса).
Коэффициенты теплопередачи вычисляют по формулам
, .
Полезные разности температур по корпусам равны
, ,
где tгр.п.– температура греющего пара, оС;
tвт.п.– температура вторичного пара первого корпуса, оС.
3.3 Расход греющего пара
Расход первичного пара находят по уравнению
,
где r – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
x – паросодержание (степень сухости) греющего пара (x=0,95).
Расход греющего пара на 1 кг выпаренной воды определяют по формуле:
.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ
Цель работы: изучение процесса ректификации в тарельчатой колонне непрерывного действия, определение числа теоретических тарелок и среднего КПД тарелок.
Приборы и принадлежности: установка ректификации, хроматограф ЛХМ-8 МД, бутылочки с пробками, смесь этиловый спирт – вода концентрацией 5 – 40 % массовых.
Введение
Ректификация – процесс разделения жидких гомогенных смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, полученным испарением разделяемой смеси. Этот процесс основан на различной летучести компонентов, составляющих смесь, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении.
Процесс ректификации осуществляют в колоннах, представляющих собой вертикальные цилиндрические аппараты, с контактными устройствами. 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. На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт. Поскольку между жидкостью и паром отсутствует равновесие, то на тарелке между ними происходит обмен компонентами ( массообмен), в результате которого пар обогащается более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость – менее летучим (высококипящим). В ректификационных колоннах массообмен между жидкостью и паром осуществляется через поверхность контакта паровой и жидкой фаз. Поверхность контакта фаз на тарелке образуется пузырьками и струями пара при прохождении (барботаже) его через слой жидкости. На рисунке 1 показана схема ректификационной колонны с провальными ситчатыми тарелками.
Пар, поступающий под нижнюю тарелку ректификационной колонны из кипятильника 1, имеет низкую концентрацию низкокипящего компонента. С верхней тарелки колонны пар с высокой концентрацией низкокипящего компонента уходит в дефлегматор 4, в котором он полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата поступает на верхнюю тарелку для орошения колонны. Эта жидкость называется флегмой Ф. Остальную жидкость из дефлегматора отбирают в качестве верхнего продукта разделения – дистиллята Р. Деление конденсата на флегму и дистиллят осуществляется с помощью флегмоделителя 5. Часть жидкости, поступающей в кипятильник с нижней тарелки, отбирают в качестве кубового остатка W.
Исходную смесь F непрерывно подают на одну из тарелок в средней части, которая делит колонну на верхнюю укрепляющую 3 и нижнюю исчерпывающую 2 части. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной смеси F на дистиллят Р с высоким содержанием низкокипящего компонента и кубовой остаток W с низким его содержанием. Концентрации получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы.
1 Требования безопасности
Перед пуском установки убедиться в исправности ректификационной колонны, куба-испарителя, дефлегматора, трубопроводов, арматуры, приборов КИП, заземления, тепловой изоляции. Проверить наличие воды в магистральном трубопроводе.
1-кипятильник (куб-испаритель); 2-исчерпывающая часть колонны; 3-укрепляющая часть колонны; 4-дефлегматор; 5-флегмоделитель; 6-контактные тарелки.
Рисунок 1 - Схема работы ректификационной колонны
Пуск установки проводить в присутствии учебного мастера и под его непосредственным руководством.
Работая на площадках с высокой отметкой и вблизи вращающихся частей проявлять осторожность и аккуратность. Включение трубчатых электронагревателей производить стоя на диэлектрическом коврике. При отборе проб пара необходимо помнить, что на входе в пробоотборник он имеет температуру около 100оС. К выполнению лабораторной работы студенты допускаются только после прохождения инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности в лаборатории и на рабочем месте.
2 Описание установки и порядок выполнения работы
Исходная смесь хранится в баке-хранилище 3, из которого насосом 9 через фильтр 11 подается в напорный бак 4. Из напорного бака 4 исходная смесь самотеком через ротаметр поступает в подогреватель, расположенный в кубе 2, где она нагревается кубовым остатком. Температуру исходной смеси после подогрева определяют по показанию термометра. В ректификационную колонну 1 подогретая исходная смесь поступает на 7, 9 или 11 тарелку, считая сверху. Колонна имеет 12 ситчатых тарелок с сегментными сливными устройствами. Внутренний диаметр колонны 200мм. Для визуального наблюдения за процессом барботажа имеется смотровое окно.
С нижней тарелки жидкость стекает в куб-испаритель 2, имеющий внутри змеевик, обогреваемый паром. Конденсат греющего пара из змеевика отводится в канализацию через конденсационный горшок. Расход греющего пара регулируется вентилем, а давление определяется по манометру. В кубе-испарителя часть жидкости превращается в пар, а другая отводится в качестве кубового остатка. Кубовый остаток проходит холодильник 7, где охлаждается водой, и поступает в сборник 8. Из сборника 8 кубовый остаток возвращается в бак-хранилище 3. Сборники 6, 8 и межтрубное пространство дефлегматора 5 сообщены с атмосферой, что обеспечивает работу колонны под атмосферным давлением. С верхней тарелки колонны пар, обогащенный низкокипящим компонентом, поступает в дефлегматор 5, который охлаждается водой. Расход воды измеряется ротаметром, а температура ее на входе и выходе – термометрами. Жидкость, образовавшаяся в дефлегматоре после полной конденсации пара, делится на две части. Одна в виде флегмы подается на орошение колонны, а другая отбирается в виде дистиллята, который поступает в сборник 6 и далее направляется в бак-хранилище 3. Количество флегмы и дистиллята измеряется ротаметрами.
