Методические указания
к лабораторной работе по дисциплине
«Процессы и аппараты пищевых производств»
Направления подготовки бакалавра:
4.35.03.06 Агроинженерия
2.15.03.02 Технологические машины и оборудование
2.19.03.02 Продукты питания из растительного сырья
2.19.03.03 Продукты питания животного происхождения
2.19.03.04 Технология продукции и организация общественного питания
Уфа 2017
Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета пищевых технологий (Протокол №1 от «29» августа 2017 г)
Составитель: профессор Мартынов В.М., профессор Юхин Г.П
Рецензент: гл. инженер Уфимского СВК Крыжановский Ю.А.
Ответственный за выпуск: зав. кафедрой безопасности жизнедеятельности и технологического оборудования доцент Латыпова Г.Ф.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомление с устройством и работой ректификационной установки периодического действия в пусковом и рабочем режимах, экспериментальное и теоретическое определение количества и концентрации продуктов ректификации, времени нагрева водно-спиртового раствора до температуры кипения, флегмового числа; расчет потерь тепла в окружающую среду, числа теоретических тарелок и высоты колонны, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ), а также удельного расхода энергии.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 Ознакомиться с конструкцией ректификационной установки периодического действия.
2 Определить концентрацию спирта в исходной спиртосодержащей смеси, а после ее разделения – в дистилляте.
3 Экспериментально и расчетом определить время нагрева исходной смеси до температуры кипения.
4 Произвести ректификацию водно-спиртового раствора, снять показания с приборов и заполнить протокол наблюдений за работой ректификационной установки.
5 Построить диаграмму фазового равновесия и рабочую линию процесса в ректификационной колонне, определить величину рабочего и минимального флегмового числа, оценить потери тепла в окружающую среду, найти число теоретических тарелок, рассчитать ВЭТТ, коэффициент избытка флегмы и удельный расход энергии на ректификацию.
6 Проанализировать результаты эксперимента, сделать по ним выводы.
ОСНАЩЕНИЕ РАБОЧЕГО МЕСТА
Лабораторная установка для ректификации, включающая ректификационную колонну «Луммарк» с четырьмя термометрами ТС-4М и цифровым термометром-таймером SA 880 SSX, три ареометра АСП-3 (спиртомеры) с диапазоном измерения 0-40, 40-70, 70-100 об. %, секундомер, мензурки.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Ректификация – тепло-массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей на технически чистые продукты.
Процесс разделения основан на различной летучести составляющих смесь компонентов. Для бинарной смеси одна из составляющих имеет большую летучесть и меньшую температуру кипения и называется низкокипящий компонент (НК); другая составляющая кипит при более высокой температуре и менее летуча — высококипящий компонент (ВК).
При кипении такой смеси в пар переходит в большей мере НК. Если этот пар конденсируется, то получают жидкость, обогащенную НК, а в оставшейся смеси будет преобладать ВК.
При помощи однократного кипячения и конденсации образующихся паров (процесс простой перегонки) не удается достигнуть полного разделения компонентов. Поэтому применяют процесс многократного парообразования и конденсации, называемый ректификацией. Ректификацию осуществляют в аппаратах колонного типа.
Через ректификационную колонну противотоком движутся пар и жидкость, вступая во взаимодействие на контактных устройствах внутри колонны.
По типу контактных элементов различают колонны тарельчатые и насадочные, причем при небольших производительностях используют колонны, заполненные насадкой – телами с развитой поверхностью: различные кольца, спирали, сетки и т.п.
Для создания парового потока колонна оборудуется кубом-кипятильником. Жидкостной поток образуется за счет того, что пары из верхней части колонны поступают в поверхностный теплообменник. В теплообменнике могут быть сконденсированы либо все пары, либо только часть, возвращаемая в колонну для массообмена с паром и для поддержания концентрации НК, обеспечивающей равновесный состав уходящих паров. Эта жидкость называется флегмой, а теплообменник – дефлегматором.
При полной конденсации паров часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой верхний продукт – ректификат (дистиллят), который после охлаждения в холодильнике направляют в сборник готовой продукции.
При неполной конденсации паров в дефлегматоре оставшиеся пары конденсируются и охлаждаются в другом теплообменнике – конденсаторе-холодильнике.
Отношение количества флегмы к количеству отбираемого дистиллята носит название флегмового числа.
При контакте пара и жидкости в колонне пар конденсируется, и за счет выделенной теплоты образуется новый пар, обогащенный НК.
Однократный контакт пара и жидкости теоретически завершается достижением фазового равновесия.
Элемент аппарата, обеспечивающий контакт пара и жидкости, в результате которого покидающие контактное устройство обе фазы будут равновесны, называется теоретической тарелкой.
Для определения числа теоретических тарелок совмещают на графике в координатах х (состав жидкости по НК) и у (состав паровой фазы также по НК) кривую фазового равновесия и рабочую линию колонны, выражающую зависимость между составом жидкости и пара для любого сечения колонны. Пользуясь уравнением рабочей линии и кривой равновесия, можно последовательно рассчитать содержание НК в паре и жидкости на каждой теоретической тарелке, если задана концентрация дистиллята хд.
Очевидно, что количество теоретических тарелок будет влиять на качество разделения жидкой смеси (и, следовательно, концентрацию ректификата).
Жидкость, отводимую из куба-кипятильника, обедненную НК, называют кубовым остатком.
В установках непрерывного действия исходная смесь подводится, а дистиллят и кубовый остаток отводятся непрерывно. В установках периодического действия разделяемую смесь заливают в куб-кипятильник в начале процесса.
Описание лабораторной установки
Ректификационная установка периодического действия (рисунок 1) состоит из колонны 1 насадочного типа, куба-испарителя 2 с электрокипятильником 3 и указателем уровня 4, дефлегматора 5, холодильника 6, емкости для сбора дистиллята 7. Колонна состоит из трех царг, представляющих собой цилиндрическую часть корпуса колонны с разъемным соединением. Нижняя царга заполнена спирально-призматической насадкой, две верхних – регулярной насадкой типа Зульцера. Необходимая для охлаждения вода последовательно проходит через холодильник и трубную часть змеевика дефлегматора. Для замера температуры воды, поступающей в холодильник и выходящей из дефлегматора, установка снабжена термометрами 8 и 9. Температура флегмы замеряется с помощью термопары и электронного термометра 10. Расход воды определяют с помощью мерника 11 емкостью 250–500 мл и секундомера.
Рисунок 1 – Схема лабораторной установки
1 – колонна ректификационная; 2 – куб-испаритель; 3 – ТЭН; 4 – указатель уровня; 5 – дефлегматор; 6 – холодильник; 7,11 – мензурка; 8, 9, 17, 20 – термометры; 10 – электронный термометр; 12 – заливной патрубок; 13 – вентиль; 14 – регулятор дистиллята; 15 - дренажный штуцер; 16 – большое смотровое стекло; 18 – малое смотровое стекло; 19 - манометрическая трубка