Wydział Chemiczny

Wyznaczanie WRPT w rektyfikacyjnej kolumnie destylacyjnej

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 2

(TCC3055l 0318081)

czwartek 8.15-11.00

Opracował:

Dariusz Łozak

Składowe			Punktacja
I	Opracowanie arkusza wyników (schemat aparatury, metodyka badań, wyniki badań), oznaczenia		(0-5), min. 2
II	Przykład obliczeniowy		(0-5), min. 3
III	Wnioski		(0-5), min. 2
∑
Punkty	Ocena
< 8 8 - 9 10 11-12 13 14 15	2.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Wrocław, 21.03.2006

Oznaczenia

	S		Obciążenie surówką	kmol/s
	d		Średnica wew. kolumny	mm
	D		Molowe natężenie przepływu destylatu	kmol/s
	H		Wysokość wypełnienia kolumny	mm
	L		Molowe natężenie przepływu orosienia	kmol/s
			Molowe natężenie przepływu orosienia	kmol/s
			Liczba półek teoretycznych
	R		Stosunek orosienia
			Temperatura w wyparce
			Temperatura cieczy
			Temperatura pary
	t		Czas	s
	t0		Czas cyklu oddzielania destylatu i orosienia	s
	tL		Czas zbierania orosienia	s
	W		Molowe natężenie cieczy wyczerpanej	kmol/s
	WRPT		Wysokość równoważna półce teoretycznej	mm
	V		Molowe natężenie przepływu oparów	kmol/s
			Molowe natężenie przepływu oparów	kmol/s
			Ułamek molowy składnika lotnego w destylacie
			Ułamek molowy składnika lotnego w surowcu
			Ułamek molowy składnika lotnego w cieczy wyczerpanej
			Ułamek wagowy składnika lotnego w destylacie
			Ułamek wagowy składnika lotnego w surowcu
			Ułamek wagowy składnika lotnego w cieczy wyczerpanej
	y*		Ułamek równowagowy etanolu w oparach
symbole greckie
			Gęstość destylatu	kg/dm^3
			Gęstość surowca	kg/dm^3
			Gęstość cieczy wyczerpanej	kg/dm^3

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z metodyką stosowaną w badaniach zdolności rozdzielczej kolumn z wypełnieniem.

2. Aparatura

Schemat instalacji badawczej pokazano na rysunku 1 - załącznik A.

3. Metodyka badań

Badania zostały wykonane zgodnie z metodyką zawartą w załączniku A.

4. Wyniki badań

Wyniki badań zostały zgromadzone w tabeli 1 - załącznik A.

5. Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

5.1 Obliczanie bilansu kolumny rektyfikacyjnej na składnik bardziej lotny

1. Obliczanie średniej masy molowej mieszaniny

i = D,W,S MD = 0,7514 · 46,07 + 0,2486 · 18,02 = 39,097 [ kg/kmol ]

(1)

2. Podstawiając ułamki masowe wylicza się ułamki molowe. Wartości ułamków molowych wyznaczono z wartości doświadczalnych

Cp_D = 88.54% Cp_W = 6.38% Cp_S = 34.64%

=0.0638

(2)

3. Obliczanie obciążenia surówki

(3)

4. Obliczanie molowego natężenia przepływu destylatu

(4)

5. Obliczanie molowego natężenia przepływu orosienia

L = 3,478·D = 3,478·6,408·10^-3=0,02229 kmol/s

(5)

6. Obliczanie molowego natężenia przepływu oparów

V = DLV-D V = 0,02229 - 6,408·10^-3 = 0,01588 kmol/s

(6)

7. Obliczanie molowego natężenia przepływu oparów w dolnej części kolumny

(7)

8. Obliczanie molowego natężenia przepływu cieczy wyczerpanej

(8)

9. Obliczanie molowego natężenia przepływu oroszenia w dolnej części kolumny

(9)

10. Obliczanie bilansu kolumny

S · = D · 0,7280 · 0,3464 = 0,2506 · 0,8854 + 0,4407 · 0.0638 0,252 = 0,250

(10)

5.2 Obliczanie błędu ze wzoru

(11)

5.3 Obliczanie WRPT ze wzoru

a) liczba półek teoretycznych (odczytana z wykresu)

półka cząstkowa = = =0,73

(12)

b)obliczanie wysokości równoważnej półce teoretycznej

mm

(13)

c) minimalny stosunek orosienia

y^* = 0,7767·0,1714 + 0,2233·0,7514 = 0,3018

(14)

Tabela 2		Wyniki pomiarów i obliczeń WRPT
L.p.	WIELKOŚĆ OZNACZONA		WYMIAR	WARTOŚĆ
1.	Obciążenia surówką S		dm^3/s	7,667·10^-4
2.	Gęstość surowca w 20˚C ρS		kg/dm^3	949,6
3.	Ułamek molowy skł. lotnego w surowcu xS			0,1714
4.	Ilość destylatu D		dm^3/s kg/s kmol/s	3,049·10^-4 0,2506 6,408 · 10^-3
5.	Gęstość destylatu w 20˚C ρD		kg/dm^3	821,8
6.	Ułamek molowy skł. lotnego w destylacie xD			0,7514
7.	Ilość cieczy wyczerpanej W		dm^3/s kg/s kmol/s	4,464·10^-4 0,4407 2,350 · 10^-2
8.	Gęstość cieczy wycz. w 20˚C ρW		kg/dm^3	987,2
9.	Ułamek molowy składnika xW			0,02596
10.	Stosunek oroszenia L/D			3,478
11.	Obciążenia parami V=L-D		kmol/s	0,01588
12.	Temperatura w szczycie kolumny tg		˚C	78
13.	Temperatura w wyparce td		˚C	94
14.	Średnica wewnętrzna kolumny d		mm	45, 55
15.	Wysokość wypełnienia kolumny H		mm	550, 650
16.	Liczba półek teoretycznych nt			5,73
17.	Wysokośc równoważna półce teoretycznej WRPT		mm	253,70
18.	Minimalny stosunek oroszenia Rmin			3,4479

6. Omówienie wyników, wnioski

6.1 Podstawy teoretyczne

Destylacja prosta nie wystarczy do rozdzielenia mieszaniny na czyste składniki,

zwłaszcza, gdy mieszanina składa się z kilku cieczy o zbliżonej temperaturze wrzenia.

Rektyfikacja jest procesem dyfuzyjnym przebiegającym w układzie dwu fazowym ciecz-para. Proces ten jest stosowany do rozdzielania mieszanin substancji lotnych na składniki. Mieszanina składników poddawana rektyfikacji, nazywana surówka, może być cieczą parą lub mieszaniną obydwu faz. Proces rektyfikacji prowadzi się w kolumnach rektyfikacyjnych, stanowiących najczęściej pionowe aparaty cylindryczne o średnicach do kilku metrów i wysokościach do kilkudziesięciu metrów.

Wnętrze kolumny rektyfikacyjnej jest zwykle zabudowane półkami w postaci poprzecznych przegród o złożonej konstrukcji, kolumny półkowe (dzwonowe, tunelowe, zaworowe, rusztowe, sitowe) lub zapełnione elementami wypełnienia tworzącego warstwę porowatą. Warstwa wypełnienia może być złożona z takich elementów, jak pierścienie Reschiga, Białeckiego, pierścienie Palla, siodełka Berla, Intlaox, kulki Guttmanna. Liczba półek w kolumnie odpowiada, bowiem liczbie rzeczywistych stopni zmianie stężenia.

Kolumna jest najczęściej wyposażona w kocioł (wyparkę) oraz kondensator (skraplacz). Schemat budowy kolumny rektyfikacyjnej wypełnionej przedstawiono w załączniku A. Kolumna zasilana strumieniem ciągłym jest w określonym przekroju poprzecznym zasilana strumieniem surówki. Zasilanie kolumny rektyfikacyjnej w zależności od warunków pracy kolumny w jej dolnym, górnym lub innym przekroju poprzecznym pomiędzy wymienionymi przekrojami skrajnymi. Optymalne miejsce wprowadzenia surówki do kolumny rektyfikacyjnej określa się na podstawie obliczeń procesowych. W przypadku kolumn rektyfikacyjnych pracujących w warunkach laboratoryjnych często stosuje się obieg zamknięty rektyfikowanej mieszaniny składników tak, że produkty rektyfikacji wracają zwykle do kotła. W takim przypadku można uważać, że surówkę stanowi para wypływająca z kotła i wpływająca od dołu.

6.2 Wyniki doświadczalne

Rysunek 1 przedstawia wykres zależności pomiędzy zawartością procentów molowych etanolu w cieczy, a zawartością procentów molowych etanolu w parach.

Rysunek	1	Stosunek zawartości procentów molowych etanolu w cieczy do zawartości w parach

Do wykresu: Schodek na wykresie odpowiada jednemu teoretycznemu stopniowi zmiany stężenia (w półce teoretycznej), a więc liczba wykreślonych schodków odpowiada liczbie teoretycznych stopni zmiany stężenia. Punkty leżące na liniach operacyjnych określają składy cieczy i par miedzy półkami. Punkty leżące na krzywej równowagi określają składy cieczy i par pozostających w równowadze na kolejnych półkach. Zmiany stężeń zachodzące miedzy półkami są siłą napędową procesu przenikania masy na każdej półce.

Należy pamiętać, że znaleziona graficznie liczba półek teoretycznych nie daje jednak praktycznej odpowiedzi na problem jak najlepszego rozdzielenia cieczy. W warunkach rzeczywistych stan równowagi nie jest osiągalny i w związku z tym chcąc uzyskać założone składy destylatu i cieczy wyczerpanej należy wyposażyć kolumnę w większą liczbę półek niż zostało to przewidziane teoretycznie.

Literatura:

[1] Jacek Molenda „Technologia chemiczna”

[2] Mieczysław Sewilski „Zasady inżynierii chemicznej i procesowej”

---