Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Массообменные процессы: ректификация Методическое указание по курсу «Общая химическая технология, ч.1» для студентов 3 курса химического факультета Уфа РИО БашГУ 2006 Печатается в соответствии с решением кафедры ВМС и ОХТ (протокол № 6 от 30.01.2007 г.) Составители: к.х.н., доц. Базунова М.В. к.т.н., доц. Минибаев А.В. ^ Ректификация жидких двойных смесей Сущность метода. Нагревание бинарной смеси приводит к испарению компонента, имеющего более низкую температуру кипения. При конденсации образовавшихся паров получается дистиллят, «неиспарившаяся жидкость называется кубовым остатком. Такой процесс носит название простой перегонки (дистилляции). В основе процессов перегонки (дистилляции и ректификации) лежит первый закон Коновалова, согласно которому, в двухкомпонентной системе пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью относительно более богат тем компонентом, прибавление которого к системе повышает давление пара, то есть понижает ее температуру кипения при данном давлении. При простой перегонке не удается произвести полное разделение смеси на чистые компоненты, что видно из следующих рассуждений. Предположим, мы имеем две жидкости А и В, подчиняющиеся закону Рауля. Диаграмма температура — состав имеет следующий вид (рис. 1). Рис. 1. Диаграмма «температура – состав» Нагреем смесь состава Х1 до кипения. Тогда пар в соответствии с законом Коновалова будет отвечать составу У1. При конденсации этого пара получается жидкость с более высоким содержанием низкокипящего компонента А, соответствующая составу Х2. Чтобы получить жидкость, приближающуюся по составу к 100%-ному содержанию компонента А, операции по испарению и конденсации следует повторять многократно. Ректификацией называют процесс одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсаций, проведенных в одном аппарате. Ректификация как метод разделения смеси жидких веществ представляет разновидность обогащения жидкого сырья. Она применима в тех случаях, когда разность температур кипения разделяемых компонентов не превышает 80 °С, а также при необходимости выделить компоненты смеси высокой степени чистоты. В отличие от обычной фракционной (дробной) перегонки, ректификация представляет процесс многократного испарения жидкости и конденсации паров, движущихся противотоком и находящихся в постоянном контакте. Благодаря этому осуществляется многократный обмен компонентами (массообмен) и теплом (теплообмен) между парами и жидкостью, образовавшейся в результате конденсации паров (флегмой). При соприкосновении более холодной флегмы с более горячим паром из флегмы испаряется преимущественно низкокипящий компонент, а из паров конденсируется, главным образом, высококипящий компонент. В результате происходит обогащение паров низкокипящим, а жидкости — высококипящим компонентом. Процесс ректификации осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Так как массообмен — процесс гетерогенный, то скорость его зависит от поверхности контакта жидкой и паровой фаз. Для увеличения поверхности контакта колонну заполняют насадкой, например, в виде стеклянных или металлических колец и спиралей. Другим способом увеличения поверхности контакта жидкой и паровой фаз является установки внутри колонны горизонтальных перегородок (тарелок) различной конструкции (ситчатых, колпачковых и др.). Пары, выходящие с верхней части колонны, конденсируются в конденсаторе-дефлегматоре. Конденсат делят на два потока, одну часть (дистиллят) отбирают в виде готового продукта, другую часть (флегма) возвращают на орошение колонны. Нижняя часть колонны — куб — обогревается с помощью пара, подаваемого в змеевик или рубашку, иногда применяют выносной кипятильник. Эффективность работы ректификационной колонны зависит от нескольких факторов. Важнейшими из них являются: число теоретических тарелок (ТТ) или высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), флегмовое число, пропускная способность и задержка колонны. ^ Теоретической тарелкой (ТТ), или теоретической ступенью разделения, называется единица высоты колонки, в которой достигается обогащение низкокипящим компонентом, отвечающее термодинамическому равновесию между парами и жидкостью. Число ТТ, необходимое для разделения двойной смеси А + В, зависит от заданной полноты разделения и относительной летучести компонентов. Эти величины связаны зависимостью: где: n — число теоретических тарелок; Х1 — мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе; Уn — мольная доля этого же компонента в паровой фазе; α — относительная летучесть компонентов. Относительная летучесть компонентов определяется как отношение парциальных давлений компонентов Ра и Рв в паровой фазе: В колоннах с нетарельчатой насадкой, к которым относится большинство лабораторных колонок, эффективность оценивается высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ). При этом где: Н — высота эффективной части колонки, см; n - число ТТ, найденное для этой колонки. ^ Флегмовым числом называется мольное отношение количества флегмы (стекающей вниз по колонне части конденсата) к количеству дистиллята, отобранного за единицу времени. От величины флегмового числа зависят достижение хорошего и длительного контакта паров и флегмы, то есть эффективность разделения компонентов и пропускная способность колонны, а значит и время ректификации. Обычно выбирают некоторое оптимальное значение флегмового числа, приближенно равное числу ТТ колонны. Для лабораторных колонок оно лежит в пределах от 10 до 20. ^ Пропускную способность колонны выражают количеством жидкости, соответствующим количеству паров, проходящих через колонну в единицу времени. Чем выше пропускная способность, тем больше скорость ректификации на данной колонне. ^ Задержкой колонны называется количество жидкости, удерживаемое насадкой при работе колонны. От величины задержки зависит то минимальное количество смеси, которое можно разделить на данной колонне. Поэтому при ректификации малых количеств жидкой смеси следует использовать колонны с небольшой величиной задержки. Максимальная эффективность ректификационной колонны может быть обеспечена только при отсутствии теплообмена с окружающей средой, а также в том случае, если насадка ее перед ректификацией хорошо смочена флегмой. Для этого в лабораторных колонках применяют специальную теплоизоляцию в виде вакуумированной муфты или рубашки с электрообогревом, а насадку перед началом разгонки смачивают флегмой, вводя колонку в режим « захлебывания ». ^ Лабораторная работа Определение эффективности работы колонны ректификации Цель работы: Определение эффективности работы лабораторной насадочной ректификационной колонки периодического действия. Аппаратура. Лабораторная ректификационная колонка периодического действия (рис. 2) состоит из перегонного куба, колонки, головки полной конденсации и приемника дистиллята. Рис. 2. Лабораторная установка ректификации периодического действия Перегонный куб представляет колбу (1), установленную на колбонагревателе (2). Интенсивность нагрева куба регулируется с помощью автотрансформатора (3) и включенного в его сеть амперметра (4). Колонка состоит из центральной трубки (5) с капельником в нижней части, заполненной насадкой из одновитковых стеклянных спиралей и рубашки. Рубашка состоит из концентрически расположенных трубок (7) и (8), между которыми помещена обогревающая электроспираль (9), включенная в сеть через автотрансформатор (10). Температура обогрева центральной трубки фиксируется с помощью амперметра (11). Через шлиф в верхней части трубки (5) она соединяется с головкой полной конденсации. Головка служит для полной конденсации паров, поднимающихся из центральной трубки, возврата конденсата в колонну и для регулируемого отбора дистиллята. Головка состоит из трубки (12) с капельником в нижней части, снабженной термометром (13) для контроля температуры паров в верхней части колонки, шарикового конденсатора (14), соединительной трубки (15), холодильника (16) и крана для отбора дистиллята (17). С помощью переходной муфты (18) к головке присоединяется на шлифе градуированный приемник дистиллята (19). Приборы и посуда. Рефрактометр (любой модели). Мерные цилиндры. Приёмники дистиллята. Реактивы. Компоненты для составления двухкомпонентной смеси: толуол и гептан. Основные этапы выполнения работы. Выполнение работы состоит из следующих последовательных операций: 1. Составление калибровочного графика «показатель преломления — состав смеси». 2. Подготовка колонки к ректификации. 3. Ректификация смеси. 4. Расчеты и оформление результатов. Экспериментальная часть Составление калибровочного графика. Для определения состава фракций дистиллята, отбираемых в процессе ректификации, предварительно строят калибровочный график, выражающий зависимость содержания компонента во фракции от ее показателя преломления. Для двойных смесей веществ, подчиняющихся правилу аддитивности, эта зависимость имеет линейный характер. Для построения графика определяют показатель преломления индивидуальных компонентов (100% объемных) и смеси их (данные приведены в таблице 1). Откладывая по оси абсцисс показатель преломления и по оси ординат — содержание одного из компонентов смеси, по полученным точкам проводят прямую, которая выражает зависимость % об. = f(nD). Таблица 1. Данные о показателях преломления смесей «гептан – толуол» с различными соотношениями компонентов. Толуол, % об. Гептан, % об. Показатель преломления 0 100 1,3800 10 90 1,3980 20 80 1,4070 30 70 1,4150 40 60 1,4250 50 50 1,4350 60 40 1,4450 70 30 1,4550 80 20 1,4650 90 10 1,4800 100 0 1,4950 Подготовка колонки к перегонке. Колонка предоставляется для работы в смонтированном виде. Разъемные соединения в ней — только шлифы, соединяющие колбу (1) с трубкой (5), приемник (19) с головкой колонки. В сухую колбу (1) загружают смесь гептана и толуола, предназначенной для ректификации, в объёмном соотношении, заданном преподавателем и присоединяют колбу к трубке колонки (5). Колба должна быть наполнена жидкостью не более чем на 2/3 ее объема. Определяют показатель преломления приготовленной смеси и по калибровочному графику определяют её состав. Приемник (19) соединяют с муфтой (18) и включают воду в конденсатор (14) и холодильник (16). Выводят рукоятку ЛАТРа (3) на ноль, включают штепсель в розетку. Для вывода колонки на рабочий режим включают постепенно нагрев колбонагревателя (2). Для этого плавно поднимают напряжение нагрузки ЛАТРа до 180 В. Стеклотканью закрывают колбу (1). Включают нагрев электроспирали (9) рубашки. Для этого сначала выводят рукоятку ЛАТРа (10) на ноль, включают штепсель в розетку и плавно поднимают напряжение нагрузки ЛАТРа (10) до напряжения 60 В. Закрывают кран отбора дистиллята (17). Далее необходимо ждать разогрева системы. После разогрева колонна должна «захлебнуться». «Захлебывание» колонки необходимо для вытеснения воздуха из насадки и полного смачивая ее жидкостью. При захлёбывании над насадкой образуется столб жидкости высотой около 1 см. После этого нагрев колбы уменьшают до заданного режима для того, чтобы избежать выброса флегмы в головку колонки. В таком состоянии колонку выдерживают в течение не менее 10 минут. Затем для отвода избытка жидкости убирают стеклоткань с колбы (1) и снижают напряжение на ЛАТРе (3) до 160 В, следя за тем, чтобы орошение колонки не прекращалось. В таком состоянии колонка готова к ректификации смеси. Укрывают колбу стеклотканью. При закрытом кране (17) колонна работает в режиме полного орошения или работает «на себя», т. е. без отбора дистиллята. После установления постоянной скорости орошения колонки, о чём можно судить по числу капель флегмы, стекающей с капельника трубки (12) в трубку (5) в минуту. Обычно число капель флегмы должно составлять 80 — 140 в минуту. Отсчет капель орошения и флегмы ведут по секундомеру в течение 15 секунд, умножая полученное число на четыре (число капель в минуту). Колонну выдерживают при этом режиме 15-20 минут. Ректификация смеси. После того, как будет достигнут заданный режим работы колонки и обеспечено постоянство температуры паров в головке, что регистрируется термометром (13), начинают перегонку смеси. Для этого открывают кран (17) и отбирают 5-8 капель дистиллята в приемник (19),после чего кран закрывают. Определяют показатель преломления первой пробы, результат записывают в таблицу. Снова ждут установления постоянной скорости орошения колонны. Далее открывают кран (17) и устанавливают постоянную скорость отбора дистиллята 2-4 капли в минуту. После установления постоянной скорости отбора дистиллята заменяют приемник (19) на сухой и чистый и отбирают 5-8 капель на анализ и снова приёмник заменяют. Таким образом, с интервалом в 10 минут отбирают 3 пробы, после чего кран (17) закрывают. Во время отбора очередной фракции определяют показатель преломления ранее отобранной фракции, что позволяет сэкономить время и сократить число цилиндров для сбора фракций. Все результаты определения показателя преломления записывают в таблицу. Отключают установку, для чего а) выводят ЛАТРы (3) и (10) на ноль; б) отключают напряжение пускателем на магнитном щитке; в) выдергивают штепсели из розетки. В процессе ректификации, при переходе от одной фракции к другой, по мере отгонки из смеси низкокипящего компонента, установленный режим работы колонки может нарушаться. Для поддержания его необходимо следить за работой колонки и в случае необходимости плавно увеличивать нагрев перегонной колбы и рубашки. На нормальный режим работы колонки влияют колебания напряжения в электросети и изменение температуры в помещении. Поэтому при ректификации следует строго придерживаться указанного преподавателем режима и поддерживать напряжение на заданном уровне. ^ Оформление результатов работы Результаты работы представляются в виде установления состава фракций, полученных при ректификации и расчета минимального числа ТТ графическим методом. Таблица 2: Результаты определения показателей преломления проб Вид пробы Показатель преломления при 200С Исходная смесь Первая проба дистиллята Вторая проба дистиллята Третья проба дистиллята Кубовый остаток Состав полученных фракций выражается в объемных процентах. Для определения состава фракции по найденному для нее показателю преломления входят в калибровочный график и находят по нему содержание компонентов во фракции в объемных процентах. Пересчет объемных процентов в мольные производят по формулам: где ха и хв — содержание компонентов А и В в смеси, % мол. уа и ув — содержание компонентов А и В в смеси, % объем. ρа и ρВ— плотность компонентов А и В, г/см3, Пример оформления работы Время Режим орошения Скорость, кап/мин Показатель преломления при 20 0С Орошения Отбора дистиллята Выше насадки Ниже насадки В приёмнике 1020 полного 122 140 0 1040 полного 120 144 0 1,3920 1100 рабочего 116 135 4 1100 рабочего 116 136 4 1,3920 рабочего 116 136 4 1,3980 рабочего 116 136 4 1,3980 куб колонны 1,4440 Исходная смесь: nd20 = 1.4350, Состав: гептан 0,5 толуол 0,5 xf = 0,5 Флегмовое число R = Показатель преломления дистиллята: nd20 = 1.3980 Состав дистиллята: гептан 0,9 толуол 0,1 xp = 0.9 Уравнение рабочей линии укрепляющей части колонны отсечение рабочей линии на оси ординат В = Порядок построений: 1. Строим квадрат со сторонами 10 на 10 см. 2. По оси х состав жидкости по гептану меняется от 0 до 1. 3. По оси y состав пара по гептану меняется от 0 до 1. 4. Проводим диагональ ОА, которая показывает состав жидкости. 5. Строим кривую пара, находящегося в равновесии с жидкостью, по данным таблицы 3. Таблица 3. Состав смеси гептан – толуол в жидкой фазе и в паре, находящемся в равновесии с жидкостью. Температура кипения Содержание гептана, моль. доли жидкость пар 109,7 0,030 0,053 108,5 0,074 0,124 107,3 0,122 0,191 106,0 0,184 0,271 105,1 0,228 0,323 104,0 0,294 0,395 103,3 0,346 0,445 102,5 0,411 0,505 102,0 0,470 0,555 101,2 0,527 0,602 100,8 0,588 0,650 100,2 0,655 0,703 99,8 0,692 0,742 99,6 0,742 0,774 99,2 0,813 0,833 99,0 0,868 0,882 98,9 0,906 0,917 98,8 0,952 0,952 6. Наносим на ось х значение состава дистиллята хр и восстановим перпендикуляр до пересечения с диагональю в точке С. 7. Наносим на ось у значение В=0,03. 8. Соединяем точки В и С и получаем рабочую линию укрепляющей части колонны. 9. Наносим на ось х состав исходной смеси xf = 0,5. Восстанавливаем перпендикуляр из точки xf до пересечения с линией равновесия. 10. Строим ступеньки между рабочей линией и линией равновесия до точки С. Число теоретических тарелок в колонне (для случая, приведённого в качестве примера оформления) n=4. 11. Измеряем высоту колонны, заполненную насадкой H = 38 см. 12. Находим высоту насадки, эквивалентную одной теоретической тарелке: ВЭТТ = h = Н/n; h = 38:4= 9,5 см Техника безопасности 1. Гептан и толуол являются легковоспламеняющимися жидкостями, их пары с воздухом дают взрывоопасные смеси с пределами взрываемости 1,3-6,8 % объёмных. 2. Толуол токсичен, действует на центральную нервную систему и кровотворные органы. 3. До начала работы внимательно осмотреть установку и убедиться в правильности сборки, герметичности и исправности электрооборудования. 4. Напряжение на входе в ЛАТРы 220 В – оно смертельно опасно для человека! 5. О замеченных недостатках сообщить преподавателю и до устранения неисправности к работе не приступать. 6. Не оставлять включенную установку без присмотра! 7. После включения обогрева колонны и колбы не трогать руками колбогрейку и токоведущие части ЛАТРов. 8. В случае возгорания в результате разлива исследуемой смеси отключить напряжение на щите и погасить огонь кошмой. 9. Оставшиеся после анализа остатки проб не выливать в раковину, а собирать в специальный сборник. 10. После окончания работы рабочее место убрать и сдать установку лаборанту. Контрольные вопросы Перегонка жидкостей. Простая перегонка, определение. Перегонка бинарной смеси на диаграмме: «температура - состав пара – состав – жидкости» и на диаграмме: «состав жидкости - состав пара.» Равновесие между фазами. Недостатки простой перегонки. Перегонка под вакуумом, с водяным паром, с инертным газом, какие условия при этом изменяются. Ректификация, её сущность. Сходства и различия с простой перегонкой. Принципиальная схема установки ректификации непрерывного действия. Материальный баланс колонны ректификации и вывод уравнения рабочей линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны непрерывного действия. Построение рабочих линий на диаграмме «у-х» и нахождение числа теоретических тарелок колонны. Флегмовое число. Расчет минимального и рабочего флегмового числа. Колонна ректификации периодического действия. Режимы работы колонны: а) при постоянном флегмовом числе; б) при постоянном составе дистиллята. Устройство различных типов колонн: насадочных, тарельчатых (ситчатого, колпачкового и клапанного типа). Преимущества и недостатки различных типов колонн. Основы ректификации многокомпонентных смесей. Устройство лабораторной насадочной колонны. Вывод колонны на режим захлёбывания, на рабочий режим и режим отвода дистиллята. Литература Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. С. 271-275, 479-491, 494-498. 2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии, ч.2. М.: Химия, 2002. 3. Соколов Р.С. Практические работы по химической технологии. М.: Владос, 2004.

Похожие:

	Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №5 от 12. 2006 г.)		Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
	Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)		Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
	Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)		Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный педагогический университет» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А. М. Горького» «Искусствоведение» и 031401 «Культурология», специализации «Музееведение» по циклу «Общепрофессиональных и специальных дисциплин»...
	Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ростовский государственный университет» Ii. Конституционная история прав и свобод человека и гражданина в Российской Федерации 10		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования