Изучение работы тарельчатой ректификационной (Электронные лекции)

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ

УСТАНОВКИ

1. ВВЕДЕНИЕ

Ректификацией называется процесс разделения жидких сме­сей на составляющие вещества или группы веществ в результа­те взаимодействия паровой и жидкой фаз.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния фаз.

В процессе ректификации паровая фаза, многократно взаи­модействуя с жидкой фазой, обогащается компонентами (или компонентом) смеси, концентрация которых в паровой фазе превышает концентрацию их в жидкой фазе при равновесном состоянии фаз. Эти компоненты (компонент) называются лег­колетучими компонентами смеси. В процессе многократного взаимодействия жидкая фаза обогащается тяжелолетучими компонентами и обедняется легколетучими.

Взаимодействие паровой и жидкой фаз происходит за время, значительно меньшее времени установления равновесия в сис­теме жидкость-пар, следовательно, на ступенях контакта фаз не достигают равновесного состояния фаз и равновесных концен­траций компонентов в паровой и жидкой фазах. Степень откло­нения системы от равновесия является движущей силой про­цесса, выражаемой как разность равновесных и рабочих кон­центраций компонентов в паровой или жидкой фазах.

Рабочие концентрации компонентов в фазах на ступени взаимодействия фаз определяются потоками компонентов из фазы в фазу (легколетучих - из жидкой в паровую, тяжелолету­чих - из паровой в жидкую). Поток переносимого компонента является функцией кинетического коэффициента, движущей силы и поверхности контакта фаз. Кинетический коэффициент, в свою очередь, определяется гидродинамической обстановкой на ступени взаимодействия фаз и их диффузионными свойст­вами.

Для развития поверхности контакта фаз используют кон­тактные устройства, на которых реализуют различные способы взаимодействия фаз. Наибольшее распространение в настоящее время получили тарельчатые ректификационные колонны, кон­тактные устройства которых выполнены в виде ряда горизон­тальных перегородок (тарелок), расположенных по высоте рек­тификационной колонны. Жидкая фаза последовательно, сверху вниз, перетекает с тарелки на тарелку, а паровая фаза, двигаясь вверх, взаимодействует на каждой тарелке с жидкой фазой.

По сравнению с другой колонной ректификационной аппа­ратурой тарельчатые колонны имеют ряд преимуществ:

1. Широкий рабочий диапазон нагрузок по жидкой и паро­вой фазам.

2. Значительная поверхность контакта фаз.

3. Эффективная гидродинамическая обстановка на ступенях контакта.

4. Сравнительно невысокий перепад давления на одной та­релке.

5. Низкая удельная стоимость единицы объема аппарата.

2. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Целью настоящей лабораторной работы является ознаком­ление с работой ректификационной установки в режиме R = ∞, экспериментальное определение распределения профи­ля температур и концентраций компонента разделяемой бинар­ной смеси по высоте (по тарелкам) ректификационной колон­ны, построение кинетической линии и определение коэффици­ента массопередачи.

3. ОПИСАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ И РЕЖИМОВ ЕЕ РАБОТЫ

Схема лабораторной ректификационной установки приведе­на на рис. 3.1. Установка состоит из тарельчатой ректификаци­онной колонны I, дефлегматора II, емкости III, центробежного

лопастного насоса подачи исходной смеси IV и сборника дис­тиллята V.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки

Ректификационная колонна с внутренним Диаметром 170 мм состоит из куба емкостью 200 л с электрическим подогревом, десяти царг, во фланцевых соединениях которых смонтировано 10 ситчатых тарелок (1, 2, 3, ... 10), которые имеют отверстия диаметром 2 мм; доля поперечного сечения колонны, за выче­том приемного и сливного карманов (площадь барботажа) составляет 93%, доля площади барботажа, занятой отверстиями -9%. Площадь барботажа тарелки F_б=0,0167 м², высота сливной перегородки 20 мм. На все тарелки введены термопары для за­мера температуры жидкой фазы t.

Дефлегматор является одноходовым кожухотрубным тепло­обменником с поверхностью теплообмена 5,65 м², с двумя трубными досками, в которых закреплено 109 труб (14х2,5 мм) длиной 1055 мм. В межтрубное пространство дефлегматора для конденсации подается из колонны паровая фаза. Тепло конден­сации паровой фазы отводится охлаждающей водой, движу­щейся в трубах дефлегматора. Предусмотрен замер температур воды на входе и выходе из дефлегматора.

Назначение трубопроводов:

1 - подача исходной смеси на 5-ю тарелку колонны с опре­делением расхода по ротаметру А;

2 - подача флегмы на 10-ю тарелку колонны с определением расхода по ротаметру Б;

3 - подача дистиллята в емкость исходной смеси с определе­нием расхода по ротаметру В;

4 - подача кубового остатка в емкость исходной смеси (при повышении уровня в кубе);

5 - подача охлаждающей воды в дефлегматор с определени­ем расхода по ротаметру Г.

Численные расходы соответствующих потоков находят по тарировочным графикам ротаметров А, Б, В, Г.

Пусковой режим осуществляют в следующей последова­тельности. Включают подачу охлаждающей воды в дефлегма­тор, отключают линию подачи дистиллята 3 и линию подачи кубового остатка 4 и емкость III. Включают подогрев куба ко­лонны, в котором находится заранее загруженная жидкая смесь двух компонентов. После подогрева жидкости в кубе до темпе­ратуры кипения начинается процесс интенсивного парообразо­вания. Образующаяся паровая фаза проходит последовательно через все тарелки колонны, попадает в дефлегматор, где кон­денсируется. Дистиллят из дефлегматора направляют в сборник дистиллята V и затем по трубопроводу 2 через ротаметр В вводят на верхнюю десятую тарелку колонны. Жидкая фаза стекает с десятой тарелки вниз, проходя последовательно все тарелки колонны и взаимодействуя с паровой фазой.

Постоянство профиля температур жидкой фазы по высоте колонны во времени свидетельствует о постоянстве профиля концентраций. Последнее означает, что колонна вышла на ре­жим полного орошения (R = ∞), т.е. работает без отбора дис­тиллята (смеси, обогащенной легколетучим компонентом сме­си) и кубового остатка (смеси, обогащенной тяжелолетучим компонентом). Для этого режима (R = ∞) характерно равенство массовых расходов паровой и жидкой фаз. Режим полного орошения (R =∞) используют на промышленных установках в процессе пуска колонны и для обследования работы колонны (определения профиля температур и концентраций по высоте

колонны).

В данной лабораторной работе для экспериментального оп­ределения профиля температур и концентраций по высоте ко­лонны используется режим R = ∞. При этом колонна работает как обогащающая часть промышленной ректификационной ко­лонны.

На ректификационной установке может быть реализован ра­бочий режим, соответствующий рабочим режимам промыш­ленных ректификационных колонн при конечном значении флегмового числа. К этому режиму установка может перейти после работы на режиме полного орошения. Осуществляется рабочий режим при конечном флегмовом числе следующим об­разом. При работе установки в режиме полного орошения (R = ∞) открывают вентиль отбора дистиллята (линия 3) в емкость III. В этом случае флегмовое число не равно оо, так как есть от­бор дистиллята и подача флегмы на десятую тарелку (флегмо­вое число - отношение массового расхода флегмы к массовому расходу дистиллята). Одновременно открывают вентиль на ли­нии 4 отбора кубового остатка в емкость III. В емкости III при смешении дистиллята и кубового остатка образуется исходная смесь, которая насосом IV подается на 5-ю тарелку колонны. Таким образом, колонна работает с непрерывной подачей исходной смеси, отбором дистиллята и кубового остатка. В этом режиме тарелка 5 делит ректификационную колонну на 2 части: верхнюю - обогащающую и нижнюю - исчерпывающую.

4. ИЗОБРАЖЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ НА ТАРЕЛКЕ В ДИАГРАММЕ Y-X. КИНЕТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПРОЦЕССА. КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕДАЧИ

Выделим одну тарелку ректификационной колонны (см. рис. 3.2). На этой тарелке, с организованным сливом жид­кости, паровая фаза барботирует через отверстия тарелки в жидкую фазу с изменением концентрации компонента от у_н до у_к.

Рис. 3.2. Расчетная схема сетчатой тарелки ректификационной колонны

В свою очередь, жидкая фаза в процессе массообмена изме­няет концентрацию от х_н до х_к Если компонент является легко­летучим, то у_н < у_к, а х_к < х_н. Принимают, что паровая фаза иде­ально вытесняется, а концентрация легколетучего компонента в ней монотонно увеличивается от у_н до у_к. На тарелках промыш­ленных размеров существует градиент концентраций компонента в жидкой фазе вдоль пути ее движения от приемного кармана к сливному (кривая 1, рис. 3.2). Однако в целях упро­щения расчета принимают, что жидкая фаза идеально переме­шана на тарелке, концентрация легколетучего компонента скачком меняется на входе от х_н до х_к и на всем пути L_ж дви­жения жидкости хк не меняется (линия 2, рис. 3.2).

При взаимодействии фазы на тарелке не достигают равно­весное состояние. Изменение концентраций фаз на тарелке мо­жет быть представлено графически для бинарной смеси (сту­пень "Т", рис. 3.3). Соответственно изменение концентраций на верхней тарелке выразится как ступень "В", а нижней - "Н". Кривая, соединяющая точки В, В' В" называется кинетической линией процесса, показывает степень недостижения равновесия и отвечает уравнению связи у_к и х_к для каждой тарелки. На рис. 3.3 нанесены также линии связи равновесных концентраций у = f(x) и рабочая у = Ax + В, отвечающая условию мате­риального баланса и связывающая на любой тарелке у_н и х_к.

Рис. 3.3. К расчету концентраций фаз на тарелке ректификационной колонны

Рис. 3.4. Зависимость температуры кипения смеси от концентрации в ней легкокипящего компонента

При R = ∞ для обогащающей части ректификационной ко­лонны мольный расход паровой фазы G (кг-моль)/ч равен мольному расходу жидкой фазы L (кгмоль)/ч. Из уравнения матери­ального баланса тарелки Т (рис. 3.2)

(у_к-у_н)=(х_н-х_к), (3.1)

следует равенство (3.1), которое действительно в случае, когда рабочая линия у = Ax + В лежит на диагонали квадрата диа­граммы Y-X. Таким образом в режиме R = ∞ у_н = х_к, а у_к = х_н.

Положение кинетической линии процесса ректификации оп­ределяется кинетическим коэффициентом процесса - коэффи­циентом массопередачи к_у (к_х)_.