Учебная лабораторная установка для изучения процесса ректификации

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

Установка предназначена для использования в учебном лабораторном практикуме по курсам "Процессы и аппараты" высших и средних специальных учебных заведений по разделу массообменных процессов – изучение процесса разделения однородных жидких смесей - процесса ректификации.

Особенности выполнения лабораторных работ.

Приборы установленные на установке, позволяют проведения экспериментов при различных флегмовых числах, а также они обеспечивают возможность плавного регулирования парового потока по колоне, влияющего на гидродинамические условия взаимодействия между жидкостью и паром. Таким образом студенты при проведении экспериментов на колонне имеют полный набор возмущающих параметров на процессы тепло - массообмена между паром и жидкостью на тарелках колонны, что позволяет исследовать их влияние на кинетические характеристики процесса разделения смеси - процесса ректификации, выявить экспериментальным путем оптимальные параметры разделения, и подтвердить их расчетным путем, т.е. подтвердить адекватность математической модели процесса.

Использование на установке одноточечных измерительных приборов ( один параметр - один прибор) позволяет визуализировать текущий стационарный профиль температур (концентраций) по высоте ректификационной колонны - объекта с распределенными параметрами, а также позволяет наблюдать в динамике изменение этого профиля при нанесении возмущающего воздействия, что с методической точки зрения является очень грамотным техническим решением в процессе обучения студентов.

Конструкция установки

Установка состоит из тарельчатой ректификационной колонны (РК) с ситчатыми тарелками (диаметр колонны 150 мм, число тарелок 10 шт., межтарельчатое расстояние 220 мм),куба колонны (КК) объемом 130л, дефлегматора (ДФ) (площадь теплообмена F=1м²) и флегмоделителя (ФД).

Для визуализации процесса взаимодействия паровой и жидкой фаз на тарелках колонна изготовлена из стеклянных царг. Контрольно-измерительные и регулирующие проборы имеют интерфейс RS-485, что позволяет включать ее в компьютерную сеть кафедры, университета и обеспечивает возможность дистанционного проведения лабораторной работы.

Для разделения составляющие компоненты использована жидкая однородная смесь этилового спирта и воды, заливаемая в куб колонны (КК). Исходная концентрация этилового спирта в кубе - 10%. Установленными в кубе колонны ТЭНами смесь доводится до кипения и образующейся при этом пар поднимается вверх по колонне и взаимодействует, после выхода установки на рабочий режим, с жидкостью стекающей по тарелкам колонны сверху вниз. В результате такого взаимодействия на тарелках устанавливается профиль концентраций этилового спирта - на самой верхней тарелке - 96% спирта.

Величина парового потока в колонне автоматически управляется и регулируется по перепаду давления, который он создает на тарелках колонны.

Этот перепад давления замеряется датчиком давления (ДД) - Зонд10-ИД-1021 с токовым выходом 4-20 мА. Вторичным прибором является ПИД - регулятор ТРМ101-ИР, управляющее воздействие от которого посредством блока БУСТ управляет током силовых симисторов блока БСС1 в цепь которого включен нагревательный элемент ТЭН1.

Суммарная мощность ТЭН1 составляет 20кВт.

Возможно переключение и на ручное управление паровым потоком колонны с помощью ручного задатчика мощности (РЗМ), что позволяет провести исследования влияния гидродинамического брызгоуноса на качественные характеристики контактных тарелок колонны. Потребляемая мощность ТЭНов в кубе колонны определяется электронным счетчиком электрической энергии типа "Меркурий-230" (32000 импульсов/кВт*час) и счетчика СИ-8 в режиме измерения расхода.

Пары выходящие из колонны конденсируются в кожухотрубном ДФ и конденсат стекает во флегмоделитель ФД.

В качестве хладоагента для конденсации используется вода водопроводной сети, которая регулируется вентилем ВР2, а расход ее контролируется цифровым ультразвуковым счетчиком СВ типа ULTRAFLOW фирмы KAMSTRUP (Дания), который выдает на внешний прибор 300 импульсов/литр, в качестве которого используется в режиме измерения расхода счетчик импульсов СИ-8. Температура воды на входе и выходе дефлегматора замеряется термометрами сопротивления типа ТСМ-50 (Т14, Т15), вторичными приборами является измеритель ТРМ-200.

Во флегмоделителе конденсат делятся на два потока: один возвращается на орошение колонны (он называется флегма), а второй отбирается как готовый продукт (его называют дистиллятом).

Величины этих потоков замеряются аналоговыми ротаметрами Р1 и Р2. На потоке флегмы последовательно с ротаметром Р1 включен цифровой ультразвуковой расходомер СФ типа ULTRAFLOW (вторичным прибором является счетчик импульсов СИ8 в режиме измерения расхода).Соотношения потоков флегмы и дестиллята (флегмовое число) регулируется с помощью вентиля ВР1. Для уменьшения потерь этанола в виде паров, конденсат в ДФ переохлаждается, поэтому при возвращении флегмы в РК она нагревается до температуры кипения на 10-ой тарелке электронагревателем ТЭН2, включенным в схему силовой нагрузки симмисторов блока БСС2, а ПИД-регулятор ТРМ-101-ИР обеспечивает ее точное поддержание (±0,1°С). Поток дистиллята возвращается в куб колонны. Температура флегмы замеряется термометром сопротивления типа ТСМ-50V (Т12).

Составы жидкости на тарелках колонны определяются по косвенным параметрам - температуре кипения жидкости, замеряемым на каждой тарелке (Т1-Т10) термометрами сопротивления ТСМ-50. Температура пара (Т11) и температура кипения жидкости в кубе колонны (Т16) замеряется также термометрами сопротивления типа ТСМ-50. В качестве вторичных приборов используется двухканальные измерители температуры ТРМ-200. Наличие безопасного уровня жидкости в кубе колонны контролируется с помощью кондуктометрического датчика ДУ указателя уровня САУ-М7Е, контакты исполнительного реле которого включены в схему электрических блокировок управления нагревом.

Для связи приборов с ПК используется адаптер интерфейсов RS485/USB Овен АС4.