КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Сушка влажных материаловЗадачи Примеры Методические указания
Изучение процессов перегонки и ректификации следует начать с рассмотрения диаграмм состояния жидких бинарных смесей. Обратите внимание на диаграммы состояния, имеющие точки перегиба, характеризующие нераздельно кипящие смеси, разделение которых производится специальными методами. Затем необходимо ознакомиться с методами простой перегонки и научиться составлять материальные и тепловые балансы. Особое внимание следует уделить рассмотрению процессов многократной перегонки-ректификации. Нужно ознакомиться с принципами работы ректификационной установки непрерывного и периодического действия, разобрать материальный баланс процесса ректификации и изучить уравнения концентраций (рабочих линий) для верхней и нижней частей колонны, выяснить влияние флегмы и расхода смеси на работу ректификационной колонны, научиться рассчитывать теоретическое и действительное число ступеней (тарелок) графическим методом. Уясните гидравлические явления и явления тепло-массообмена, протекающие на тарелках, и влияние отдельных факторов на величину КПД тарелки. Необходимо рассмотреть методы расчета основных размеров тарельчатых и насадочных ректификационных колонн. Ознакомьтесь с методами азеотропной и экстрактивной ректификации.
Пример 3.3.1. Определить равновесные составы жидкости и пара для смеси метиловый спирт-вода при температуре t и давлении П. РЕШЕНИЕ Принимаем, что смесь метилового спирта в воде является идеальным раствором. Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона. Согласно закону Рауля, парциальное давление каждого компонента, например, низкокипящего компонента А в паре рА, пропорционально мольной доле хА этого компонента в жидкости. Для бинарной смеси, состоящей из компонентов А (метиловый спирт) и В (вода), по закону Рауля
где – коэффициент пропорциональности, равный давлению насыщенного пара компонента А над чистой жидкостью при данной температуре t.
где хА + хВ = 1 (для бинарной смеси); хВ – мольная доля компонента В, давление насыщенного пара которого над чистой жидкостью при данной температуре t равно . Согласно закону Дальтона общее давление пара над раствором П равно сумме парциальных давлений его компонентов
Решая зависимость (3.13) относительно хА, получим
Значения и при данной температуре t определяем из справочной литературы, например [4]. Вместе с тем, согласно второму закону Дальтона (при условии применимости к парам каждого из компонентов уравнения состояния газа) парциальное давление рА данного компонента А пропорционально его мольной доле уА в паре:
где П – общее давление пара над смесью. Тогда, из (3.11) и (3.15) зависимость между составами равновесных жидкой и паровой фаз будет равна
Пример 3.3.2. Gf кг бинарной смеси бензол-толуол, содержащей бензола, подвергают простой перегонке под атмосферным давлением. Определить количество и состав дистиллята, если содержание бензола в кубовом остатке равно . Воспользоваться данными таблицы 17. Таблица 17 – Равновесие между жидкостью и паром бинарной смеси бензол-толуол
РЕШЕНИЕ Для решения задачи используем уравнение материального баланса простой перегонки
где Gf – начальное количество перегоняемой смеси, кг; Gw – остаток жидкости в кубе после перегонки, кг; и - равновесные концентрации низкокипящего (бензола) компонента в паре и в жидкости, масс. доли; , – массовое содержание низкокипящего компонента в начальной смеси и в остатке после перегонки, доли.
Так как данные по равновесию бинарной смеси бензол-толуол (табл. 17) приведены в мольных долях, а в условии задачи , приведены в массовых долях, выполним пересчет мольных долей в массовые по формуле
где , – массовые концентрации бензола в жидкой и паровой фазах, соответственно, доли; Мб, Мт – мольные массы бензола и толуола. По пересчитанным данным строим диаграмму - (рис. 11). Интеграл уравнения (3.17) решаем графически. Для этого строим график зависимости от для бензольно-толуольной смеси (рис. 12). Для ряда значений в пределах от до находим из диаграмм - (рис. 11) равновесные им значения и по размеру площади под кривой, ограниченной абсциссами и , определяем (с учетом масштабов диаграммы) величину искомого интеграла.
По уравнению (3.17) находим количество остатка Gw. Средний состав ()ср получаемого дистиллята рассчитываем по уравнению
Пример 3.3.3. В ректификационную колонну непрерывного действия поступает жидкость F кмоль/ч с хf легколетучего компонента. Концентрация дистиллята хр, концентрация кубового остатка хw легколетучего компонента. В дефлегматор поступает Gy кмоль/ч пара, в колонну из дефлегматора поступает Ф кмоль/ч флегмы. Сколько получается кубового остатка. РЕШЕНИЕ Используем уравнения материального баланса ректификационной колонны
и материального баланса по низкокипящему компоненту:
где F – количество исходной смеси, поступающей в колонну, кмоль/ч; Р – количество получаемого дистиллята, кмоль/ч; W – количество удаляемого из колонны остатка, кмоль/ч; хf, хp и хw – состав исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, соответственно, мольных долей НК. Решая совместно уравнения (3.21) и (3.22) получим:
где Р = Gy – Ф; Ф – количество флегмы, возвращаемой в колонну после дефлегматора на орошение верхней части колонны и укрепления паров, поступающих в дефлегматор, причем ее состав равен составу дистиллята (хф = хр мол. долей).
Пример 3.3.4. В ректификационную колонну непрерывного действия подается F кмоль/ч смеси, содержащей хf мольных долей НК. Верхний продукт содержит хр, нижний – хw мольных долей НК. Определить количество верхнего и нижнего продуктов (в кг/ч), а также количество пара, конденсирующегося в дефлегматоре, если известно, что тангенс угла наклона рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны равняется 0,75. РЕШЕНИЕ 1) Количество нижнего продукта (кубового остатка) можно определить, используя уравнение материального баланса (3.21) и (3.22):
F = P + W
F . хf = P . хp + W . хw.
Далее F . хf = W . хw + F . хp + W . хр.
;
где W – количество нижнего продукта, кмоль/ч.
Gw = W . Mw, кг/ч.
Mw – мольная масса кубового остатка, кг/кмоль.
Mw = MA . хw + MB (1 – хw), кг/кмоль.
MA, MB – мольные массы компонентов А и В бинарной смеси, кг/кмоль. 2) Для определения массового количества верхнего продукта (дистиллята), выразим мольное количество подаваемой смеси F в единицах массового расхода по формуле:
Gf = F . Mf, кг/ч.
где Mf – мольная масса исходной смеси, кг/кмоль.
Mf = MA . хf + MB (1 – хf), кг/кмоль.
Тогда, количество верхнего продукта Gp, будет равно
Gp = Gf – Gw. 3) Количество пара Gу, конденсирующегося в дефлегматоре, равно
где Gф – количество флегмы, кг/ч; R = Gф / Gp – флегмовое число, представляющее собой отношение количества возвращаемой в колонну после дефлегматора жидкости к количеству отбираемого верхнего продукта (дистиллята). Для определения флегмового числа R воспользуемся уравнением рабочей линии верхней части колонны:
где у и х – рабочие (текущие) концентрации низкокипящего компонента в паровой и жидкой фазах верхней части колонны, мольные доли. Уравнение (3.25) представляет собой уравнение прямой линии вида
у = А . х + В,
которая наклонена к горизонту под углом, тангенс которого равен , и отсекает на оси ординат отрезок, равный . По условию задачи известно, что тангенс угла наклона рабочей линии верхней части колонны равен 0,75, т.е.
Решая (3.26) относительно R, получим R = 3. Тогда,
Gу = Gp (3 + 1), кг/ч.
Пример 3.3.5. Уравнения рабочих линий ректификационной колонны для разделения смеси бензола и толуола под атмосферным давлением:
у = 0,723 х + 0,263; у = 1,25 х - 0,0188.
В колонну подается F кмоль/ч смеси при температуре кипения. Греющий пар в кубе колонны имеет избыточное давление 3 кгс/см2. Определить требуемую поверхность нагрева в кубе колонны и расход греющего пара, имеющего влажность 5%. Коэффициент теплопередачи К = 580 Вт/ (м2 . К). Тепловыми потерями пренебречь. Температуру кипения жидкости в кубе принять как для чистого толуола. РЕШЕНИЕ 1) Требуемую поверхность нагрева в кубе колонны определяем на основе уравнения теплопередачи:
где S – площадь поверхности нагрева в кубе колонны, м2; К – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2 . К); Δtcp – средняя разность температур, °С; Qк – расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующегося греющего пара в кубе-испарителе, Вт. Из уравнения теплового баланса колонны с дефлегматором-конденсатором:
где Gf, Gp, Gw – массовые расходы питания, дистиллята, кубового остатка, кг/с; Сf, Сp, Сw – средние удельные теплоемкости, Дж/(кг . К); tf, tp, tw – температуры кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, соответственно, °С; R – число флегмы; rp – удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж/кг; Для определения величины каждого слагаемого уравнения (3.28) используем приведенные в условии задачи уравнения рабочих линий ректификационной колонны. Из уравнения рабочей линии
у = 0,723 х + 0,263 следует, что . Откуда, R = 2,6. Далее, . При R = 2,6 получим хр = 0,95. Состав исходной смеси определим как точку пересечения рабочих линий:
уf = 0,723 хf + 0,263 уf = 1,25 хf - 0,0188 или 0,723 хf + 0,263 = 1,25 хf - 0,0188. Откуда, хf = 0,535. Состав кубового остатка определим, используя аналитическое выражение уравнения рабочей линии нижней части ректификационной колонны:
где - относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход питания. Из условия задачи следует, что уравнение рабочей линии нижней части колонны имеет вид
у = 1,25 х – 0,0188.
Из сравнения этого уравнения с уравнением (3.29) следует
.
При R = 2,6, получим f = 1,9. Далее, . Решая это выражение относительно хw, получим хw = 0,075. Зная мольный расход исходной смеси F и ее состав хf, определим массовый расход Gf:
Gf = F . Mf, кг/ч
где Mf = Mб . хf + Мт (1 – хf); Mб, Мт – мольные массы бензола и толуола, кг/кмоль. Тогда, , где Gp – массовый расход дистиллята, кг/ч.
Gp = Gf / 1,9.
Из уравнения материального баланса колонны определим массовый расход кубового остатка
Gw = Gf – Gp.
Используя опытные данные по равновесию между жидкостью и паром смеси бензол-толуол (табл. 16) строим диаграмму в координатах t – x, y (рис. 13).
Из диаграммы t – x, y, определяем температуры tw, tf, tp. Для определения удельных теплоемкостей бензола Ср и толуола Сw (принимаем дистиллят и кубовый остаток как чистые бензол и толуол, соответственно при температурах tp и tw). Удельную теплоту конденсации паров в дефлегматоре rp, определяем из справочной литературы [4] или по таблице 11. Удельную теплоемкость исходной смеси Сf определяем по формуле
где Сб, Ст – удельные теплоемкости бензола и толуола при температуре tf, Дж/(кг . К); – массовая доля бензола (низкокипящего компонента) в исходной смеси. Подставив значения всех полученных величин в уравнение (3.28), определяем Qк. Для определения средней разности температур используем формулу (2.9)
,
где Δtб и Δtм определяем из температурной схемы. 143 143 98 98 = 45 °С. = 45 °С. Так как, , то можно = 45 °С.
В приведенной температурной схеме цифры: 143 – температура конденсации водяного пара при давлении Рабс = 4 кгс/см2; 98 – температура кипения (парообразования) толуола. Подставив в формулу (3.27) значения Qк, К и Δtср определяем требуемую поверхность нагрева в кубе колонны S. 2) Расход греющего пара определяем по уравнению (2.2): , где rг.п – удельная теплота конденсации греющего пара при Рабс = Ризб + Ро, Дж/кг; Ро – атмосферное давление; φ – паросодержание (степень сухости) греющего пара. Значения rг.п определяем из таблицы 10 свойств насыщенного водяного пара.
3.3.1. Определить состав равновесного пара и температуру кипения смеси, содержащей 30% (мол.) воды и 70% (мол.) уксусной кислоты. 3.3.2. Вычислить равновесные составы фаз и построить диаграммы равновесия в координатах у* – х и t – x, y для системы н-пентан-н-гексан при давлении 765 мм рт.ст., считая, что смесь характеризуется законом Рауля. Данные об изменении давления насыщенных паров чистых компонентов при различной температуре приведены в таблице 18. Таблица 18 – К построению кривой равновесия для системы н-пентан-н-гексан
3.3.3. Определить температуру конденсации смеси паров, содержащей (в мольных долях): н-пентана – 0,42, н-гексана – 0,58 при давлении П = 765 мм рт.ст., используя данные задачи 3.3.2. 3.3.4. Определить требуемую поверхность и расход воды в дефлегматоре ректификационной колонны для разделения бензольно-толуольной смеси при следующих условиях: количество верхнего продукта 600 кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45 °С; коэффициент теплопередачи 700 Вт/(м2 . К). Считать верхний продукт за чистый бензол. Давление в колонне атмосферное. 3.3.5. В ректификационной колонне непрерывного действия необходимо разделить смесь бензол-толуол, содержащую 40% (масс.) бензола. Расход смеси 30000 кг/ч. Дистиллят содержит 97% (масс.) бензола, а кубовый остаток – 98% (масс.) толуола. Определить количества полученных продуктов и число теоретических тарелок, если флегмовое число R = 3,5.
Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 526; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |