Розрахунок та проектування ректифікаційної установки безперервної дії з сітчастими тарілками для розділення бінарної суміші летких компонентів ( етиловий спирт та вода ) (ID:1132077)

Суміші можуть відрізнятися між собою не лише за складом, але і за зовнішнім виглядом. Відповідно до того, як виглядає ця суміш і якими властивостями вона володіє, її можна віднести або до однорідних (гомогенних), або до неоднорідних (гетерогенних) сумішей [1]. Однорідними називають такі суміші, в яких навіть за допомогою мікроскопу неможливо виявити частинки інших речовин. Склад і фізичні властивості в усіх частинах такої суміші однакові, оскільки між окремими її складовими частинами відсутні поверхні розділу. До однорідних сумішей належать: суміші газів, розчини, сплави [1]. Відповідно до теми роботи, бінарна суміш етиловий спирт та вода є однорідною. Основний метод, що служить для розділення такої суміші – це дистиляція (ректифікація). Тобто, щоб розділити рідини, розчинні одна в одній, використовують різницю їхніх температур кипіння. Таким чином, процес ректифікації являє собою розділення рідких сумішей, що містять два або кілька компонентів різної питомої ваги, багаторазовим випаровуванням суміші й конденсацією пари. Рушійною силою процесу є різниця між фактичними і рівноважними концентраціями компонентів у паровій фазі, що відповідають складу рідкої фази. Для ректифікації, як правило, використовують колонні апарати, що дозволяє реалізувати багаторазовий контакт між потоками рідкої і газоподібної фаз [2]. Етиловий спирт (етанол) і вода — це дві різні хімічні сполуки. Етиловий спирт (етанол): Хімічна формула: C₂H₅OH Вода: Хімічна формула: H₂O Етанол і вода можуть змішуватися в будь-яких пропорціях, утворюючи однорідну рідину. Це змішування відбувається завдяки утворенню водневих зв'язків між молекулами етанолу і води. У результаті цього змішування можуть виникати різні розчини, які використовуються в різних сферах, таких як медицина, харчова промисловість та інші. Розділення бінарної суміші (етилового спирту та води) зазвичай здійснюється в мідних ректифікаційних колонах з ковпачковими тарілками(Додаток В). Розділення може бути проведено двома способами: По першому способу із бінарної суміші спочатку відокремлюється вода, що уходить через кубову частину спиртової колони в каналізацію; зневоднений спирто – ефір надходить у другу колону, де він розділяється на складові частини. По другому способу відокремлюють спочатку найбільш легко киплячий продукт – ефір і потім у другій, спиртовій, колоні розганяють спирто - водну суміш. Застосовуємо для розділення бінарної суміші як по першому, так і по другому способу ректифікаційна установка складається із двох колон. Із нейтралізатора пари сирого ефіра з температурою 75 – 80° надходять в середню частину спиртової колони на живлячу тарілку і піднімаються вверх по колоні, барботуючи через робочу рідину (флегму), що заповнює тарілки. По мірі просування вверх пари сирого ефіра взаємодіють з флегмою, відбираючи від неї більш летучу складову частину – спирт і ефір – і віддаючи їй містячись в них важко летучу домішку – воду. Для виділення із бінарної суміші води та отримання спирта міцністю не менше 90 % (об'єм) температуру у верхній частині колони потрібно підтримувати не нижче 70°. Це досягається зрошенням колони відповідною кількістю флегми, що надходить на верхню тарілку із дефлегматора і яка представляє собою конденсат, який утворився при зрідженні парів, що надходять із верхньої частини колони. Температуру куба колони підтримують в межах 102 –105 °, що забезпечується подачею в куб через барботер гострого водяного пара. Із спиртової колони спирто – ефірні пари надходять в міжтрубний простір дефлегматора (мідного трубчатого теплообмінника), де частково конденсуються, і повертаються у вигляді флегми в колону. Охолоджувальна вода із водопровідної мережі, або водонапірного бака, пройшовши попередньо через спиртовий холодильник, надходить у дефлегматор, проходить через трубки останнього і направляється в каналізацію, або для використання на господарські потреби. Для контроля повноти виділення спирта із фузельної води невелика проба парів від нижньої тарілки, або куба колони направляється в контрольний холодильник, звідки конденсат надходить в епруветку для визначення вмісту в ньому спирта. Фузельна вода із куба колони направляється через підігрівач для спирта в каналізацію. Несконденсовані в дефлегматорі пари спирта і ефіра, що містять невелику кількість води, надходять із дефлегматора на живлячу тарілку ефірної колони, де відбувається відділення ефіра від спирта. Температура куба ефірної колони підтримується за рахунок обігріва глухим паром, що проходить по змійовику, розташованому на дні куба. Обігрів колони гострим паром не може бути застосований, так як він привів би до розбавлення водою витікаючого із куба колони міцного спирта. Найкраще розділення спирта і ефіра отримується, якщо температуру в нижній частині колони підтримувати біля 70°. Температура у верхній частині колони має бути в межах 35 –36 °, що досягається зрошенням колони флегмою, що стікає із дефлегматора . В цілому ефірна колона працює по тому ж принципу, що і спиртова. Спирт, температура кипіння якого вище, чим ефіра, конденсується і витікає із куба колони. Потім він охолоджується до 15° в холодильнику для рекуперованого спирта і надходить через епруветку в приймальний бак для спирта ; із останнього, спирт, якщо він відповідає кондиції, перекачується насосом в напорний бак для спирта і йде для живлення ефіризаторів. Для економії води і збереження тепла, що міститься в ньому, спирт може надходити безпосередньо в ефіризатор, минаючи холодильник. У випадку брака спирт надходить в холодильник, звідки після охолодження направляється в бак для бракованого спирта. Оскільки продуктивність колони по бінарній суміші задана в кг/год., перерахуємо молярні частки легколеткого компонента в масові [4]: Щоб перерахувати масову концентрацію етанолу та води у молярні частки, спершу потрібно визначити масову концентрацію кожного компонента в розчині. Вихідні дані: Продуктивність апарату (Gf): 6 кг/с Температура вихідної суміші (tf): 30 °C Абсолютний тиск насиченої водяної пари (P): 0,25 МПа Початкова температура охолоджувальної води (tv.p.): 20 °C Молярна частка етанолу у вихідній суміші (xf): 0,3 (30%) Молярна частка етанолу в дистиляті (xp): 0,94 (94%) Молярна частка етанолу в кубовому залишку (xw): 0,03 (3%) 1. Визначення маси компонентів у вихідній суміші: Загальна маса вихідної суміші: G_f = 6 кг/с = 6000 г/с Маса етанолу у вихідній суміші: m_(C2H5OH) = G_f ⋅ x_f = 6000г/с ⋅ 0,3 = 1800г/с Маса води у вихідній суміші: m_(H2O) = G_f ⋅ (1 - x_f) = 6000г/с ⋅ (1 - 0,3) = 6000г/с ⋅ 0,7 = 4200г/с 2. Розрахунок молярних мас: Молярна маса етанолу (C₂H₅OH): приблизно 46 г/моль. Молярна маса води (H₂O): приблизно 18 г/моль. 3. Обчислення кількості молів: Кількість молів етанолу: n_(C2H5OH) = m(C2H5OH) / M₍C2H5O) = 1800 г / 46 г/мол ≈ 39,13моль/с Кількість молів води: n_(H2O) = m(H2O) / M(H2) = 4200 г / 18 г/мол ≈ 233,33моль/с 4. Обчислення загальної кількості молів: Загальна кількість молів: n tₒtₐ = n_(C2H5OH) + n_(H2O) = 39,13 + 233,33 = 272,46моль/с 5. Обчислення молярних часток: Молярна частка етанолу: y_(C2H5OH) = n(C2H5OH) / n tₒtₐ = 39,13 / 272,46 ≈ 0,143 Молярна частка води: y_(H2O) = n(H2O) / ntₒtₐ = 233,33 / 272,46 ≈ 0,857 Масова концентрація етанолу в молярних частках: приблизно 0,143 (або 14,3%). Масова концентрація води в молярних частках: приблизно 0,857 (або 85,7%). Флегмове число (флегма) — це відношення кількості рідини, що циркулює у колоні, до кількості пари, що проходить через цю колонну. Це число є важливим показником для оцінки ефективності дистиляції. Формула для розрахунку флегмової числа Флегмове число (N) можна розрахувати за формулою: N = L / V (2.1) де: L — маса рідини (флегми), що циркулює в колоні (кг/год), V — маса пари, що проходить через колонну (кг/год). Для розрахунку флегмової числа нам потрібно знати масу пари. Зазвичай для цього використовують співвідношення між дистилятом і кубовим залишком. 1. Маса дистиляту: Припустимо, що вся маса дистиляту становить Gd = Gf ⋅ x = 6 кг/с ⋅ 0,94 = 5,64 кг/с . 2. Маса кубового залишку: Маса кубового залишку: Gw = Gf ⋅ x_w = 6 кг/с ⋅ 0,03 = 0,18 кг/с . 3. Розрахунок флегмової числа: V = G_d = 5,64кг/с Маса рідини (L) дорівнює масі кубового залишку: L = G_w = 0,18кг/с N = L / V = 0,18 / 5,64 ≈ 0,0319 Флегмове число в даному випадку становить приблизно 0,0319. Матеріальний баланс: Загальний баланс маси: G_f = G_D + G_W (2.2) де: G_D — маса дистиляту (кг/с), G_W — маса кубового залишку (кг/с). Баланс за легколетким компонентом: