WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ ПО МАССООБМЕННЫМ ПРОЦЕССАМ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Дистилляция и ректификация МИНОБРНАУКИ РОССИИ ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МИНОБРНАУКИ РОССИИ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

М.И. Ведерникова

Л.Г. Старцева

Ю.Л. Юрьев

ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ

ПО МАССООБМЕННЫМ ПРОЦЕССАМ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Дистилляция и ректификация

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М.И. Ведерникова Л.Г. Старцева Ю.Л. Юрьев

ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ ПО

МАССООБМЕННЫМ ПРОЦЕССАМ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Часть II Дистилляция и ректификация Учебное пособие Екатеринбург УДК 66.02(076.1) ББК 35.11Я В Рецензенты:

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии Уральского технического университета, Доктор технических наук, профессор ФГУП «УНИХИМ с ОПЗ»

К.В. Ткачев В 26 Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Юрьев Ю.Л.

Примеры и задачи по массообменным процессам химической технологии. В 4 ч. Ч. II: Дистилляция и ректификация: учеб. пособие. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2011. – 174 с.

ISBN 978-5-94984-333- Во второй части учебного пособия «Дистилляция и ректификация» даны теоретические основы, расчетные уравнения и формулы, типовые примеры, снабженные подробными решениями, перечень многовариантных контрольных задач.

Задачи не громоздкие, охватывают все вопросы раздела: материальный и тепловой балансы, флегмовое число, построение равновесных и рабочих линий, определение числа теоретических и действительных тарелок, диаметра колонны, высоты тарельчатой части колонны и т.п.

Учебное пособие включает четыре части: I – Массообменные процессы. Абсорбция; III – Теория и практика сушки; IV – Справочное пособие. Данное издание может быть использовано при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Рекомендовано для студентов очной и заочной форм обучения направлений 240100 и 280200, специальностей 240406, 280202, 240502 и студентам других специальностей.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Уральского государственного лесотехнического университета.





УДК 66.02(076.1) ББК 35.11Я © ГОУ ВПО «Уральский государственный ISBN 978-5-94984-333- лесотехнический университет», © Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Юрьев Ю.Л., Основные методические указания При изучении учебной дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии», являющейся фундаментальной для химико-технологического образования, существенное значение имеют практические занятия по расчетной части курса. Цель этих занятий – обучение студентов методикам расчета и проектированию химической аппаратуры путем самостоятельного решения конкретных и н д и в и д у а л ь н ы х инженерных задач.

Приступая к решению задачи, следует изобразить схему аппарата, нанести на нее все исходные данные в буквенном и числовом значениях, отметить стрелками направления потоков и разобраться в условиях работы аппарата [1].

Затем необходимо наметить путь решения, разбив задачу на ряд частных вопросов; написать основные расчетные уравнения; выписать из справочной литературы нужные физико-химические константы и обязательно указать размерность и источник информации.

Подставив в расчетные уравнения числовые значения, проверить правильность подстановки в системе СИ, после чего приступать к арифметическим вычислениям. Обязательно указывать размерность получаемых величин.

Ответ следует подвергнуть критике с точки зрения соответствия полученного результата практическим условиям работы рассчитываемого аппарата.

Желательно решение задач проводить несколькими методами или с использованием различных расчетных формул и сравнительных оценок полученных результатов. Это будет способствовать развитию у студента инженерного подхода к решению задач и умению ориентироваться в выборе наиболее подходящего метода расчета. Обязательно надо решить задачу аналитически и графически, сравнивая полученные результаты.

Полезно решать задачу в общем виде и исследовать результаты, выясняя влияние тех или иных факторов, входящих в условие задачи.

Выработка навыков ведения технических расчетов является главной задачей расчетных упражнений по курсу.

Четкое изложение, систематический ход вычислений, аккуратность записи – условия, несоблюдение которых ведет к непроизводительной трате времени студента и преподавателя.

Размерности. Система единиц. Единицы измерения В настоящее время в качестве предпочтительной принята Международная система единиц – СИ (System International – SI), базирующаяся на единицах длины l (м – метр), массы m (кг – килограмм) и времени (с – секунда); к ним примыкает единица температуры T, t (K – Кельвин).

Установление размерности и единиц измерения осуществляется двумя способами:

– на основе физического смысла (определения) самой величины;

например, скоростью w называется путь l, пройденный в единицу времени, следовательно, единицей измерения скорости w = l/ будет м/с;

– исходя из какого-либо теоретического соотношения, содержащего искомую величину, при условии, что единицы измерения остальных величин известны.

Например, имеется уравнение для стационарного процесса массопереноса молекулярной диффузией M ( D / ) F C, причем поток массы M выражен в кг/с, поверхность массопередачи F – в м2, движущая сила C – в кг/м3, толщина пограничного слоя – в м.





Тогда единица измерения коэффициента диффузии D выразится так:

Для указания на то, что речь идет о размерности, используют квадратные скобки; например, [m] = кг.

Уровень точности расчета (допустимая погрешность) определяется ответственностью расчета. Учебный расчет выполняется с меньшей точностью, чем проектный в конструкторском бюро. В равной мере неприемлемы как недостаточная, так и избыточная точность расчета.

Обычно точность получаемого результата не превышает точности исходных (заложенных в расчет) величин.

Допускаемая погрешность в учебных расчетах составляет 5 %.

Рекомендуется брать величины с тремя значащими цифрами, например: 73,4 или 7,34; или 0,734; или 0,0734 и т.п. Исключением являются числа, начинающиеся с 1; их целесообразно брать с четырьмя значащими цифрами во избежание снижения точности (15,37 или 1,537 и т.д.).

Именно с таким числом значащих цифр следует представлять результаты расчета.

При выполнении громоздких и многоступенчатых расчетов, чтобы ошибки не накапливались, промежуточные величины целесообразно брать с одной дополнительной значащей цифрой. Представление результатов с излишней точностью (нередкая ситуация!), т.е. с числом значащих цифр, не отвечающих реальной погрешности и разумной точности расчета, – неграмотно и неправомерно.

Подъемная сила и сила трения Внутренние и внешнее термические Гравитационная подъемная сила и Силы давления и инерции Критерий Фурье (тепловой) Темпы изменения температуры в окружающей среде и внутри тела в периодических процессах Критерий Нуссельта (теплоКритерий Прандтля (Шмидта) Перенос теплоты конвекцией и Перенос количества движения и мастеплопроводностью через непосы посредством молекулярного мехадвижный пристеночный слой жиднизма Перенос массы конвекцией и внутренним трением) диффузией через неподвижную Критерий Пекле (диффузиРадиальный и аксиальный тепловые Перенос теплоты конвекцией и посредством молекулярного меха- Критерий Стентона (диффузинизма Критерий Пекле (тепловой) Перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью Перечень используемых в химической технологии критериев подобия

ДИСТИЛЛЯЦИЯ И РЕКТИФИКАЦИЯ

СИМВОЛЫ

A – абсорбционный фактор a – удельная поверхность насадки, м 2 / м a – концентрация жидкой фазы, % мас.

b – концентрация газовой фазы, % мас.

c – удельная теплоемкость, Дж /(кг К) C – концентрация объемная мольная, кмоль / м C – концентрация объемная массовая, кг / м D – коэффициент диффузии, м 2 / с D, d – диаметр, м F – поверхность контакта фаз, м G, G – расход инертного газа, кмоль / с или кг / с g 9,81 – ускорение силы тяжести, м / с H, h – высота, м hOY, hOX – общая высота единицы переноса (ВЕП) в газовой или жидкой фазе, м hY, h X – высота единицы переноса (ВЕП) в газовой или жидкой фазе, м K Y коэффициент массопередачи, отнесенный к газовой фазе, кмоль /(м 2 с) K X коэффициент массопередачи, отнесенный к жидкой фазе, кмоль /(м 2 с) L, L – расход жидкости, кмоль / с или кг / с l – удельный расход поглотителя, кмоль / кмоль, определяющий геометрический размер, м M, M количество компонента A, абсорбируемого в единицу времени, кмоль / с или кг / с M A, M B, M C мольная масса (масса 1 кмоль) компонентов, кг / кмоль m – константа фазового равновесия n – число тарелок, число ступеней nOY, nOX общее число единиц переноса (ЧЕП), отнесенное к газовой или жидкой фазе nY, n X – число единиц переноса (ЧЕП) в газовой или жидкой фазе P – общее давление, кПа P – гидравлическое сопротивление, Па p – парциальное давление, Па Q – тепловой поток, кВт q – линейная объемная плотность орошения, м 3 /(с м) R – газовая постоянная воздуха, кДж /(кмоль К) r – теплота испарения, кДж / кг S – площадь сечения колонны или тарелки, м T – абсолютная температура, К t – температура, C U – плотность орошения, м 3 /( м 2 с) V – объем, м VC – свободный объем, м 3 / м V Г, V Ж – объемный расход газа или жидкости, м 3 / с WГ, W Ж – массовая скорость газа или жидкости, кг /( м 2 с) w – фиктивная скорость, м / с X, Y – относительная мольная концентрация жидкости или газа, кмоль / кмоль x, y – концентрация жидкой и газовой фаз, мольные доли X, Y – относительная массовая концентрация жидкости или газа, кг / кг x, y – концентрация жидкой или газовой фаз, массовые доли – степень извлечения компонента A из газовой фазы Y и Г С – коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кмоль /(м 2 с) или м / c X Ж С – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, кмоль /(м 2 с) или м / c – движущая сила массообмена – динамическая вязкость, Па с – кинематическая вязкость, м 2 / с – плотность, кг / м – поверхностное натяжение, Н / м – продолжительность процесса, с – коэффициент извлечения; коэффициент избытка поглотителя – коэффициент насыщения; коэффициент смачиваемости

ВЕРХНИЕ ИНДЕКСЫ

* – равновесное значение

НИЖНИЕ ИНДЕКСЫ

A – извлекаемый компонент; B – инертный газ; Д – действительный; К – конечный параметр на выходе из аппарата; м – мольный; Н – начальный параметр на входе в аппарат; 0 – нормальные условия; опт – оптимальный; погл – поглощаемый;

пр – предельная, приведенная; p – давление; ср – среднее значение; cт – стандартный; C поглотитель; Т – теоретический; V – объемный; y, Y или Г – газовая фаза;

x, X или Ж – жидкая фаза; э – эквивалентный

ТИПОВЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ВЕП – высота единицы переноса ВКК – высококипящий компонент ВЭТС (ВЭТТ) – высота эквивалентной теоретической ступени или тарелки КПД – коэффициент полезного действия НКК – низкокипящий компонент ЧДТ – число действительных тарелок ЧЕП – число единиц переноса ЧТС – число теоретических ступеней ЧТТ – число теоретических тарелок

ГЛАВА 7. ДИСТИЛЛЯЦИЯ

П е р е г о н к а – процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется.

Получаемая жидкость – конденсат – по составу отличается от состава исходной смеси, потому что легколетучего (низкокипящего компонента НКК) в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. В результате образуются два продукта: д и с т и л л я т, обогащенный НКК, и о с т а т о к, обогащенный ВКК (высококипящим компонентом) [1 – 19].

Существует два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Д и с т и л л я ц и я1)– процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Применяется для предварительного разделения, когда не требуется высокой чистоты компонентов, и при малотоннажном производстве. Основное отличие от процесса ректификации: дистилляция – процесс непротивоточный, а ректификация – принципиально противоточный.

Р е к т и ф и к а ц и я – процесс многократного частичного испарения и конденсации паров, осуществляемой в одном аппарате, иначе многократно повторенный процесс дистилляции.

Перегонка (дистилляция и ректификация) является распространенным технологическим процессом разделения и очистки жидкостей и сжиженных газов химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, лесохимической и других отраслей промышленности.

7.2 РАВНОВЕСИЕ МЕЖДУ ЖИДКОСТЬЮ И ПАРОМ

Согласно закону Рауля для идеальных бинарных смесей Согласно закону Дальтона Парциальное давление компонентов в системе следует закону Дальтона :

Для установившегося равновесия при P = const состав жидкости в В технической литературе процесс дистилляции называют перегонкой.

Далее опускаем индекс А при концентрациях, так как расчеты ведем по НКК.

ходе процесса дистилляции все время изменяется:

Откуда следует, что состав равновесного пара Состав жидкости из уравнения (7.4):

Кривая равновесия y* f ( x) или y * ( x) отвечает уравнению Относительная летучесть PA /PB, тогда уравнение равновесия для Анализ процессов дистилляции и ректификации проводится с помощью фазовых диаграмм.

Д и а г р а м м а t – x, y зависимости температуры кипения t (x) и конденсации t (y) от состава фаз при Р = const приведена в примере 7.1, рис. 7.2. Располагая этой диаграммой, можно по составу жидкой фазы x найти равновесный ей состав пара y*1 и температуру в системе t1.

ж и д к о с т ь при P = const (см. пример 7.1 и рис. 7.3). Кривая равновесия y*(x) выражает зависимость состава пара y*, равновесного с составом жидкости x. Для реальных смесей фазовые диаграммы строятся по экспериментальным данным [3, табл. 8.7; 5, табл. 53].

Виды дистилляции (перегонки): фракционная, с дефлегмацией, в токе носителя (дистилляция с водяным паром или с инертным газом), равновесная, молекулярная [1].

7.3 ДИСТИЛЛЯЦИЯ В ТОКЕ ВОДЯНОГО ПАРА

Дистилляция в токе водяного пара применяется для очистки и извлечения ВКК или НКК из смесей, если:

– cоставляющие их компоненты термически нестабильны при температуре кипения;

– отгоняемые компоненты нерастворимы в воде.

Рабочую температуру при дистилляции (перегонке) в токе водяного пара tp находят, используя график зависимости давления насыщенных паров чистых компонентов, не смешивающихся с водой, от температуры (рис. 7.1), на пересечении кривых давления насыщенных паров воды температуры при дистилляции Здесь G K – количество компонента (перегоняемой жидкости), кг; M B и M K – мольные массы воды и компонента, кг/кмоль; Р = 101,3 кПа; P – общее давление смеси паров, кПа; PВ.П, PK – давление насыщенного водяного пара и компонента при рабочей температуре дистилляции и tp, кПа; – коэффициент насыщении водяных паров, уходящих из куба, парами отгоняемого компонента, = 0,70…0,85.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

Пример 7.1. Определить температуру кипения при Р = 101,3 кПа жидкой смеси скипидар и вода tP, учитывая их полную взаимную нерастворимость.

Данная смесь будет кипеть при такой температуре, при которой сумма давлений насыщенных паров скипидара и воды будет равна 101,3 кПа.

По диаграмме [3, рис. 12.22] находим точку пересечения линии давления насыщенного пара воды (штриховая линия), отложенной от Р = = 101, 3 кПа, с линией давления насыщенного пара скипидара, как показано на рисунке 7.1.

Ответ. Температура кипения смеси скипидара и воды равна приблизительно tP = 96 0С, поскольку точка пересечения этих кривых соответствует сумме давлений насыщенных паров 101,3 кПа.

Пример 7.2. Зная состав бинарной смеси, содержащей 35 % мол. метанола и 65 % мол. воды, найти с помощью диаграмм t – x,y и y* – x состав равновесного пара и температуру кипения. Найти также по составу пара 80 % мол. метанола температуру конденсации t2 и равновесный состав жидкости x*1. Давление атмосферное, равное 0,1 МПа.

Исходные данные Бинарная смесь: метиловый спирт – вода; P = 0,1 МПа, x A1 = 0,35;

xB1= 0,65; yA2 = 0,8 мол. доли.

Справочные данные Равновесный состав жидкости, пара и температуры при P = 0,1 МПа для смеси метиловый спирт – вода [3, табл. 8.7; 5, табл. 53]:

b, % мол… 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87,0 91,5 95, 1. По вышеприведенным данным строим фазовые диаграммы t – x,y (рис. 7.2) и y* – x (рис. 7.3).

2. По составу жидкости xA1 = = 0,35 и кривой температуры кипения смеси t (x), по диаграмме t – x,y (см. рис. 7.2) определяем температуру ее кипения t1 = 76,7 0C.

3. По температуре t1, равной температуре конденсации tконд, т.е.

t1 = tконд = 76,6 0C, и по пересечению tконд с кривой температуры конденсации паровой смеси t(y) определяем состав парa y*A1 = 0,7, равновесный с жидкостью состава xA1 = 0,35.

4. Аналогично по составу пара Рис. 7.2 – Зависимости t(x) и t(y) и y A2 0,8 и по пересечению с кри- равновесные концентрации вой t(y) находим температуру кон- (к примеру 7.2) денсации пара t2 = 73,2 0C (см. рис.

7.2).

5. По пересечению t2 = 73,2 0C с линией температуры кипения смеси t(x) находим равновесный состав жидкости x* 1 = 0,577.

6. Далее индекс А опускаем, так как расчеты по ректификации ведутся по НКК.

7. Аналогичные результаты получены и на диаграмме y* – x (см.

рис. 7.3).

По составу жидкости x1 и кривой равновесия y*(x) находим равновесный состав пара y*1 = 0,7.

По составу пара y2 и кривой равновесия y*(x) находим равновесный состав жидкости x * 2 = 0,577.

Рис. 7.3 – Диаграмма равновесия y – x Пример 7.3. Дистилляция (перегонка) жидкой смеси (загрязненный анилин – вода), нерастворимой в воде, проводится в токе насыщенного водяного пара при давлении 100 и 40 кПа. В куб загружают 2,8 т загрязненного анилина. Исходная смесь содержит 75 % мас. анилина и 25 % мас.

воды. Степень насыщения водяного пара анилином 0,75.

– рабочую температуру процесса дистилляции tP;

– расход водяного пара на дистилляцию GB.П.

Исходные данные Разделяемая жидкая смесь: загрязненный анилин – вода; число компонентов: К = 2; число фаз: Ф = 3 (две жидкие и одна паровая); P = 100 и P = 40 кПа; GЗ.К = 2,8 т; a К = 75 и a В = 25 % мас.; = 0,75.

Справочные данные Мольные массы: M B = 18 кг/кмоль (вода); M K = 93 кг/кмоль (анилин); плотности: воды B 1000 кг/м3 и анилина К 1022 кг/м3 [3,табл.

3.1]; температура кипения анилин ( 2 H 5 NH 3 ): tкип А = 184,4 0C [7].

Составляем схему установки для дистилляции жидкой смеси с водяным паром (рис. 7.4).

Определяем рабочую температуру дистилляции как температуру кипения жидкой смеси при заданном давлении (см. пример 7.1), и давление насыщенного пара анилина [3, рис. 12.22; 4, рис. XXIV]:

tP = 98 0C; pК = 6,7 кПа; PB.П = P – pК 100 – 6,7 = 93,3 кПа;

tP = 75 0C; pК = 2,5 кПа; PB.П = 40 – 2,5 = 37,5 кПа.

Количество чистого анилина, загружаемого в куб:

Количество водяного пара, поступающего в конденсатор-холодильник вместе с парами анилина, по формуле (7.7):

К – куб с паровой рубашкой; Б – барботер для острого пара; КХ – кондинсатор холодильник; Ф – смотровой фонарь; Ф – флорентина (отстойник); Г – гидрозатвор;

I – исходная смесь; II – греющий пар; III – пары смеси с водяными парами; IV – дистиллят; V – выход воды; VI – выход анилина; VII – конденсат; VIII – охлаждающая вода; IX – остаток.

Рис. 7.4 – Схема установки для дистилляции с водяным паром Ответ. Рабочая температура процесса дистилляции: tP = 98 0C при P = 100 кПа и tP = 75 0C при Р = 40 кПа. Расход водяного пара на дистилляцию: G B.П = 7546,7 кг при P 100 кПа и G В.П = 8129 кг при 40 кПа, что на 7,2 % больше.

1. Дистилляцию в токе водяного пара приводим не при температуре кипения анилина tкип А = 184,4 0C, а при более низкой температуре испарения жидкой смеси tP = 98 0C при P 100 кПа.

2. Изменяя расход водяного пара, можно изменить рабочую температуру дистилляции.

Пример 7.4. По исходным данным и результатам расчета примера 7.2 определить:

– состав отгоняемых паров в массовых y и мольных долях y;

– парциальное давление анилина и воды в смеси паров pК и pВ.П.

Исходные данные Разделяемая жидкая смесь: загрязненный анилин – вода; число компонентов: К = 2; число фаз: Ф = 3 (две жидкие и одна паровая); P = и P = 40 кПа; G К = 2100 кг; G В = 7546,7 кг.

Справочные данные Мольные массы: 18 ; 93 кг/кмоль [3, табл. 3.7].

Массовая доля анилина и воды в парах при P 100 кПа:

Массовая доля анилина и воды в парах при P = 40 кПа:

Мольная доля анилина и воды в парах при P = 100 кПа:

Объемный процент анилина в парах:

Мольная доля анилина и воды в парах при P 40 кПа:

Объемный процент анилина в парах:

Парциальные давления анилина и воды в смеси паров При общем давлении P = 100 кПа:

При общем давлении P = 40 кПа:

В декантаторе (флорентине) сверху обирается вода (В = 1000 кг/м3), а снизу через гидрозатвор более тяжелый анилин (К = 1022 кг/м3).

О т в е т. Состав отгоняемых паров:

Парциальное давление компонентов в смеси паров:

p К 5,1 кПа; p B = 94,9 кПа; p К = 1,9 кПа; p К = 38,1 кПа.

ГЛАВА 8. РЕКТИФИКАЦИЯ

Сущность процесса ректификации на примере метиловый спирт – вода – это выделение из бинарной смеси с различными температурами кипения одной жидкости (спирта) в более или менее чистом виде [1; 2; 6].

Это достигается нагреванием и испарением бинарной смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего (низкокипящего) компонента НКК (спирт) переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего (высококипящего) компонента ВКК (вода) – из паровой фазы в жидкую (рис. 8.1).

КР – колонна ректификационная; К – конденсатор; И – куб-испаритель; П – подогреватель; Х1, Х2 – холодильники; Г – гребенка; I – исходная смесь; II – дистиллят; III – кубовый остаток; IV – поток пара; V – флегма; VI – греющий пар; VII – конденсат; VIII – Рис. 8.1 – Схема непрерывнодействующей ректификационной Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну КР, конденсатордефлегматор К – источник флегмы GФ и дистиллята G Д, подогреватель П исходной смеси GС, куб – испаритель И (кипятильник) – генератор пара G и холодильники X1 и X2 дистиллята и кубового остатка.

В ректификационной колонне пары перегоняемой смеси G из кубаиспарителя поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость (в укрепляющей части колонны – в виде флегмы GФ, а в отгонной части колонны – исходная смесь и флегма ( GФ + GС )).

Чаще конечным продуктом является дистиллят (спирты, ацетон и др.), выходящий из конденсатора через холодильник X1. Кубовый остаток (в основном ВКК) вытекает из низа колонны, причем если продукт (например уксусная кислота), то через холодильник X2 в сборник; если бросовая вода, то отправляется на очистные сооружения [15 – 18].

Влияние смещения уровня ввода питающей смеси на число теоретических тарелок см. [2, гл. III, § 6].

Емкости исходной смеси и продуктов, а также перекачивающие насосы на рисунке 8.1 не показаны.

Для упрощения анализа и расчета непрерывной ректификации приняты следующие допущения [1; 2; 6 – 13; 15 – 21].

1. Число киломолей пара, движущегося в колонне снизу вверх, одинаково в любом сечении аппарата (это количество пара G образуется в кубе и поступает в конденсатор-дефлегматор).

2. Количество стекающей жидкости в укрепляющей части колонны равно количеству флегмы GФ, в отгонной – количеству флегмы и исходной смеси ( GФ + GС ).

3. При конденсации пара на верхней тарелке и в конденсаторедефлегматоре не происходит существенного изменения состава; следовательно, состав пара у Д, уходящего из ректификационной колонны, равен составу дистиллята х Д, т.е. у Д = х Д.

4. Состав пара у К, поднимающегося из куба-испарителя в колонну, равен составу жидкости, стекающей из исчерпывающей колонны х К, т.е.

5. Мольные теплоты испарения (конденсации) обоих компонентов равны М A rA M B rB (теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю).

6. Нагретая до температуры кипения исходная смесь подается в отгонную колонну на питающую тарелку.

7. В процессе ректификации отсутствуют материальные потери.

8. Обогрев производится глухим паром.

Материальный баланс составляется для определения количества и состава веществ, участвующих в процессе ректификации [1; 6; 7; 14; 18].

Баланс по общему количеству внешних потоков:

Количество пара, поднимающегося вверх по колонне:

Уравнение материального баланса по низкокипящему компоненту:

Решение уравнений (8.3) и (8.4):

Разделив уравнения (8.3) и (8.4) на G Д 1, кмоль/с, получим уравнение материального баланса в относительных мольных расходах:

Количество пара, проходящего через колонну, из уравнений (8.2) и (8.10):

Здесь GС, хС – расход или поток, кмоль/с, и концентрация НКК в исходной смеси, мол. доли; G Д, х Д – расход и концентрация НКК в дистилляте; GK, х К – расход и концентрация НКК в кубовом остатке; GФ – расход флегмы; G – количество пара, выходящего из колонны, кмоль/с; F и W – количество киломолей питания и кубового остатка на 1 кмоль дистиллята ( G Д =1 кмоль/с).

Распределение материальных потоков в ректификационной колонне показано в примере 8.1 и на рис. 8.14.

8.3 УРАВНЕНИЯ РАБОЧИХ ЛИНИЙ

Питание ректификационной колонны Исходная смесь может подаваться в колонну [2, гл. III; 15, гл. III]:

• при температуре кипения в виде жидкости;

• при температуре ниже, чем температура кипения (недогретая или холодная);

• в виде насыщенного пара (паровая смесь);

• в виде парожидкостной смеси (перегретая смесь);

Уравнение рабочих линий:

• верхней (укрепляющей, концентрационной) части колонны • нижней (исчерпывающей, отгонной) части колонны Уравнения (8.12) и (8.13) – (8.13, а) есть уравнения прямых линий:

Верхняя рабочая линия начинается в точке х Д = у Д, лежащей на диагонали, и отсекает на оси ординат отрезок имея тангенс угла наклона, равный Нижняя рабочая линия пересекается с верхней рабочей линией в точке d xc = const и с диагональю в точке х К = у К и отсекает на оси ординат отрезок имея тангенс угла наклона Питание колонны смесью при температуре, отличной Уравнение рабочих концентраций отгонной части колонны:

Для тарелки с номером S где Коэффициент q зависит от термодинамического состояния питания и называется относительной теплотой парообразования; q – безразмерное отношение теплоты, необходимой на испарение одного кмоля питания к затраченной теплоте испарения. При GC = 1кмоль и q 1 получим или Значение величины q:

• при подаче исходной смеси в виде жидкости, нагретой до температуры кипения t c, q = 1;

• при подаче холодной жидкости при t c q 1.

• при питании колонны перегретой жидкостью t c q 1 и при питании насыщенным паром t c q = 0.

Холодная смесь на питательной тарелке будет нагреваться до температуры кипения за счет конденсации части пара, поступающего на эту тарелку снизу колонны, а перегретая смесь, наоборот, будет частично самоиспаряться, охлаждаясь при этом до температуры кипения. Поэтому уравнение (8.22) линий рабочих концентраций отгонной части колонны отличается от уравнения (8.13) на величину относительной теплоты парообразования q.

Если исходная смесь подается в колонну не при температуре кипения, перемещение точки d будет происходить по наклонной прямой, называемой линией тарелки питания, описываемой уравнением тарелки питания (рис. 8.2) Уравнение (8.25) описывает прямую, которая является геометрическим местом точек пересечения ряда рабочих линий верхней и нижней частей колонны с различными флегмовыми числами и постоянным q.

Построение линии тарелки питания 1. Строится кривая равновесия по опытным данным [3 – 5; 9; 10].

2. Решая уравнение (8.25) с уравнением диагонали у = х, получим у= = х = хс, следовательно, линия тарелки питания при любом значении q проходит через точку d0, лежащую на диагонали (см. рис. 8.2), т.е.

откуда получим абсциссу точки d0 ( x x N xC ). Проводя вертикаль из точки N ( x N xC ) до пересечения с диагональю, получим точку d0.

Рис. 8.2 – Влияние состояния исходной смеси на расположение тарелки 3. Координата точки пересечения линий тарелки питания по уравнению (8.25) с осью абсцисс при у = 0 (уравнение абсциссы) в общем случае равна В зависимости от значения x N линия тарелки питания может принимать различные положения (см. рис. 8.2). Линия тарелки питания – прямая линия и строится по двум точкам – точке d0 и абсциссе x N.

Абсцисса точки пересечения рабочих линий в общем случае будет равна:

Таким образом, при фиксированных условиях питания точка пересечения рабочих линий d, а соответственно и число теоретических тарелок будут полностью определяться флегмовым числом. Наоборот, при фиксированном флегмовом числе число теоретических тарелок будет полностью определяться условиями питания. Влияние изменения температуры питания на расположение рабочих линий и необходимого ЧТТ показано на рис.

8.3.

Рабочие линии колонны: ad – верхней; d c – нижней (при q 1 );

ad ' – верхней; d' c – нижней (при q 1 ); dd0N – линия питания тарелки Рис. 8.3 – Влияние изменения температуры на расположение Так, например, если питание подается при температуре ниже температуры кипения жидкости, точка пересечения рабочих линий переместится из точки d (питание при температуре кипения) в точку d’ и соответственно рабочие линии будут для верхней части колонны ad и для нижней d c, при этом требуемое число тарелок уменьшится (см. пример 8.8 и рис. 8. – 8.26).

При питании колонны перегретым паром точка пересечения рабочих линий должна находиться в области c k d d 0 ; при питании насыщенным паром – в области k d d 0 (см. рис. 8.2).

Для построения линий рабочих концентраций на диаграмме y* – x находят абсциссы точек пересечения (см. рис. 8.2 и рис. 8.15 примера 8.2).

1.Абсциссу точки а получают, решая совместно уравнение диагонали у = х с уравнением (8.12) рабочей линии верхней части колонны, исключив у:

откуда х = x Д, причем при полной конденсации пара в конденсаторедефлегматоре x Д = у Д. Значит, на диаграмме у* – х рабочая линия проходит через точку а с координатами x Д, у Д, лежащую на диагонали (см.

рис. 8.2).

2. Абсциссу точки с получают, решая совместно уравнения диагонали у = х с уравнением (8.13) рабочей линии нижней части колонны, приравнивая ординаты:

Откуда находим абсциссу точки пересечения: х = х К, т.е. составы отводимой кубовой жидкости и образующегося в нем пара одинаковы. Отметим:

равенство у К хК на диагонали означает, что ректификационное действие куба не учитывается.

3. Абсциссу точки d определяют как точку пересечения рабочих линий для верхней и нижней частей колонны. Обозначив абсциссу точки пересечения рабочей линии через хd, из уравнений (8.12) и (8.13) при q = найдем откуда Но из уравнения (8.7) материального баланса, отнесенного к 1 кмоль дистиллята, следует а это означает, что абсцисса точки пересечения рабочих линий соответствует составу исходной смеси, поступающей на ректификацию.

4. Отложив по оси ординат отрезок В, рассчитанный по формуле (8.18), наносим рабочую линию ad для верхней части колонны или, зная координаты точек a и d, соединяя их, получим рабочую линию ad, ограниченную абсциссой хС (ордината dN ). Через точки d и c проводим рабочую линию dc для нижней части колонны.

Построение линий рабочих концентраций 1. Абсциссы точек а и с строятся аналогично построению рабочих линий при q = 1 (см. рис. 8.2).

2. Решая совместно уравнения (8.12) и (8.13), определяют точку пересечения линий рабочих концентраций верхней и нижней частей колонны, т.е. точку d или d, или d.

С учетом состояния исходной смеси при подаче на тарелку питания получим (см. рис. 8.2):

при q = 1 и q, т.е. прямая становится вертикальной линией Nd 0 (исходная смесь – кипящая жидкость), абсцисса точки N равна хN = =хС, рабочие линии adc ;

при q 1 (исходная смесь недогрета до ее температуры кипения t C ) t C t C ; xN xC / q xC и точка N располагается левее xC, рабочие линии ad c. При этом требуемое число теоретических тарелок (ЧТТ) при графическом определении уменьшится по сравнению с графическим определением ЧТТ по рабочей линии adc (см. рис. 8.2);

при q 1 (исходная смесь подается в парожидкостном состоянии) t C t C, x N xC / q xC и точка N лежит правее xC, рабочие линии ad c.

При этом требуемое ЧТТ увеличивается по сравнению с графическим определением ЧТТ по линиям ad c и adc ;

при q = 0 (исходная смесь подается в виде насыщенного пара) отрезок xN xC / q, т.е. линия d 0 N пересекается с осью х в бесконечности, иначе говоря, она параллельна оси абсцисс, yd yC, рабочие линии ad c.

1. Тарелка питания одновременно принадлежит укрепляющей и отгонной частям колонны: ее место – на пересечении рабочих линий этих частей колонны (см. рис 8.2).

2. Сопряженные концентрации для тарелки питании лежат на линии d 0N.

3. Следовательно, точки d,d,d и d пересечения упомянутых рабочих линий лежат на линии тарелки питания d 0 N.

4. При R = const число теоретических тарелок определяется условиями питания, и при фиксированных условиях питания точка пересечения рабочих линий, соответственно и ЧТТ, будут полностью определяться флегмовым числом.

При расчете ректификации одной из задач является определение флегмового числа, при котором должен осуществляться процесс. Исходным при выборе флегмового числа является его минимальное значение, при котором из данной смеси могут быть получены дистиллят и кубовый остаток определенного состава для данной колонны.

Минимальное флегмовое число Rmin, если кривая равновесия не имеет точек перегиба (впадины), равно:

Если на кривой равновесия имеется впадина, то R min определяют графическим путем (рис. 8.4).

Рабочее (действительное) флегмовое число Здесь 1 – коэффициент избытка флегмы, рекомендуемые диапазоны по разным источникам заметно расходятся: нижний предел – от 1,05 до 1,3, верхний – от 2 до 10.

П е р в ы й с п о с о б. Минимальное флегмовое число определяют измерением по графику min (см. пример 8.4 и рис. 8.17), а затем рассчитывают R min по формуле (8.18):

Линия равновесия для некоторых бинарных смесей, например «ацетон – вода», «этиловый спирт – вода», имеет впадины, так что прямая af на участке a d 2 располагается выше линии равновесия. В этом случае прямую ae надо провести через точку а как касательную к линии равновесия (см. рис. 8.4).

В т о р о й с п о с о б показан на рис. 8.17 примера 8.4. Проводят прямую ae через точку d 2 (пересечение вертикали хС const с линией равновесия) и через точку a на диагонали, соответствующую составу дистиллята х Д. Измерив отрезок Bmax, отсекаемый прямой ae на оси ординат, находим R min из формулы (8.16):

8.5 ЧИСЛО ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТАРЕЛОК

Теоретическая тарелка – это ступень контакта, на которой происходит изменение концентраций фаз от рабочего до равновесного состояния. Теоретическая тарелка определяет предельное состояние массообмена при контакте фаз. Общее число теоретических тарелок (число теоретических ступеней ЧТС) характеризует разделяющую способность колонны [1; 2; 6 – 9; 11 – 13; 15 – 19].

Методы определения ЧТТ:

• аналитический (метод Сореля);

• графический (метод Мак-Кэба и Тиля).

8.5.1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЧТТ (метод Сореля) Сущность метода заключается в последовательном расчете содержания НКК в жидкой и паровой фазах на каждой тарелке с помощью уравнений равновесия, материального и теплового балансов для каждой ступени.

Предполагают:

• на каждой теоретической ступени (тарелке) устанавливается состояние равновесия между поднимающимся паром с нижележащей тарелки и жидкостью на тарелке;

• на тарелке происходит идеальное перемешивание жидкости с барботирующим паром.

Принимают, что концентрации пара и жидкости на тарелках соответствуют равновесным (у*, х*), а в межтарельчатом пространстве – рабочим (у, х).

При постоянстве материальных потоков (G = const и L = const) число теоретических ступеней определяется совместным решением уравнений равновесия фаз и материальных потоков:

• уравнение равновесия (7.6) • уравнение материального баланса в виде уравнения рабочей линии для n-й тарелки (8.16) Уравнение (8.16) устанавливает соотношения между рабочими концентрациями НКК в поднимающемся паре и стекающей жидкости в любом межтарельчатом пространстве.

Последовательность расчета 1. Содержание НКК в паре у1, поднимающемся с первой тарелки в конденсатор, равно содержанию НКК в дистилляте х Д, т.е. у1= х Д.

2. По кривой равновесия у*(х) найдем равновесный состав жидкости х1 *, соответствующий у1 (рис. 8.5) или по [3, табл. 8.7]. Концентрацию НКК в флегме, стекающей с первой тарелки на вторую х2, принимаем равной равновесной х1 * = х2 с паром состава у1 = yД.

3. Рабочую концентрацию НКК в паре, поднимающемся со второй тарелки на первую у2, определим по уравнению (8.14):

4. Пар состава у2 был в равновесии с жидкостью на второй тарелке, поэтому по кривой равновесия у*(х) и значению у2 найдем х2* = х3.

5. По значению х2 * и уравнению (8.14) найдем у3 и т.д.:

При определении составов фаз, начиная с верхней тарелки, yД xД. Расчет завершают, когда концентрация НКК в стекающей жидкости станет равной (или меньше) его концентрации в исходной смеси Число теоретических тарелок в укрепляющей части колонны Здесь n – номер тарелки, начиная с верхней: n = 1,2,…, N.

Число теоретических тарелок рассчитывают по уравнению (8.17) Последовательность расчета 1. Расчет лучше вести снизу от точки с (см. рис. 8.5, а). Состав пара на первой нижней тарелке принимается равным составу жидкости в кубе:

y1 = yК = xК.

Уравнение линии рабочих концентраций нижней части колонны представлено в виде функции x(y) Состав жидкости на первой тарелке: x1 = xК.

2. По x1 x K и по диаграмме равновесия у*–x или по таблице равновесных концентраций [3, табл. 8.7] определяют равновесную концентрацию НКК в паре на первой тарелке у1*.

3. По уравнению (8.34) рассчитывают содержание НКК в жидкости, стекающей со второй тарелки:

Далее по x2 и диаграмме равновесия у*–x или по таблице равновесных концентраций [3, табл. 8.7] определяют y2*, затем Если состав фаз определяют, начиная с нижней тарелки, то расчет заканчивают, когда концентрация НКК в паре, поднимающемся с нижней тарелки, превысит содержание НКК в исходной смеси, т.е. y m yC.

Количество теоретических тарелок в отгонной части колонны:

Здесь m – номер тарелки, начиная снизу: m = 1, 2 …, N.

Общее число теоретических тарелок Определение ЧТТ можно начать либо от куба-испарителя, либо от верхней тарелки укрепляющей части колонны, для которых известен состав одного из потоков.

Рассмотрим ректификационную колонну с конденсатором-дефлегматором, полностью конденсирующим пары. Напомним, что рабочая линия выражает составы пара y и жидкости x в произвольных сечениях колонны, например между тарелками.

Из рис. 8.5,б видно, что точка a пересечения рабочей линии с диагональю y = x показывает состав паров y1 = yД, идущих в конденсатор, и состав флегмы xД, возвращающейся из конденсатора-дефлегматора на первую тарелку укрепляющей части колонны.

Проведем из точки a горизонтальный отрезок aв1 до пересечения с кривой равновесия. Ордината точки в1 такая же, как и точки a, и показывает состав паров y1.

б – расчет ЧТТ по диаграмме y* –- x; КУ – колонна укрепляющая; КО – колонна отгонная; И – куб-испаритель; КД – конденсатор-дефлегматор.

Рис. 8.5 – Графический расчет ЧТТ ректификационной колонны Концентрация НКК в флегме (абсцисса точки a), стекающей с первой тарелки на вторую x2, принимается равной равновесной концентрации в флегме х1 * = х2 с паром состава у1= yД согласно допущениям. Абсцисса точки в1, лежащая на кривой равновесия, представляет равновесный с остав флегмы х1 *.

Проведем вертикальный отрезок в1a1 до рабочей линии. Точка a имеет абсциссу x2. Ордината точки а2 определяет состав паров у2, поднимающихся со второй тарелки на первую.

Проведя аналогично отрезок в2a2, найдем состав флегмы x3, стекающей со второй тарелки на третью. Таким образом, видно, что ступень aв1a1, проведенная между рабочей линией и кривой равновесия, определяет составы на первой тарелке, следующая ступень – составы на второй тарелке.

Продолжая построение горизонтальных и вертикальных отрезков между рабочей и равновесной линиями вплоть до точки с (xK = yK), получим число теоретических ступеней ЧТС или ЧТТ в ректификационной колоне.

На рис. 8.5 число теоретических тарелок равно:

При получении дробных ЧТТ их округляют до ближайшего большего целого, т.е. «в запас».

Каждая вершина ломаной ступенчатой линии, лежащая на кривой равновесия, отвечает одной теоретической тарелке (точки в1,в2,в3...). Каждая же ее вершина, лежащая на линии рабочих концентраций, отвечает составу жидкости и пара (y, x) в межтарелочном пространстве (точки a, a1, a2, a3…).

Отрезки ab1, a1b2 и т.д. отображают движущую силу на ступени по жидкости (xД – x1*) и (x2 – x2*), т.е. (x – x*), а отрезки b1 a1, b2 a 2 и т.д. – по пару (y1*– y2) и (y2*– y3), т.е. (y*– y).

В табл. 8.1 приведены уравнения и формулы, используемые при расчете ректификационных колонн.

При разделении бинарных смесей, у которых мольные или массовые теплоты испарения сильно различаются, потоки пара G и флегмы Gф уже нельзя принимать постоянными по высоте укрепляющей и отгонной частей колонны. Соответственно усложняются материальные балансы, а рабочие линии перестают быть прямыми, поэтому расчет ректификации бинарных смесей проводят с помощью энтальпийной диаграммы [2; 6, разд. 12.8; 8].

Для разделения трудноразделимых смесей ( 1 или существует азеотроп) используют ректификацию бинарных смесей с применением разделяющего агента (экстрактивная и азеотропная ректификация) [1; 2; 6, разд. 12.9;8].

О расчете ректификации многокомпонентных смесей см. [2; 6; 8; 15].

Таблица 8.1 – Уравнения и формулы, используемые при расчете ректификационных Продолжение таблицы 8.

GC G Д GK

G Д GC GK C

G K GC GД

Продолжение таблицы 8. Обозначение Наименование величины Уравнение (формула) Критерий Нуссельта диффузионный:

Продолжение таблицы 8. Продолжение таблицы 8. Обозначение Наименование величины Уравнение (формула) Продолжение таблицы 8. Гидравлическое сопр отивление тарельчатой

P PT N Д B PT

Окончание таблицы 8. Обозначение Наименование величины Уравнение (формула) сопротивление паро- Здесь hо – высота светлого слоя жидкости на жидкостного слоя (пены) тарелке; для ситчатой и колпачковой тарелок hо см. [8, гл. 5] Гидравлическое сопр отивление насадочной

PН PПИТ 2 NT H PT

8.6 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧИСЛА ЕДИНИЦ ПЕРЕНОСА

Общее число единиц переноса (ЧЕП) no выражает изменение рабочей концентрации одного из компонентов, приходящееся на единицу движущей силы, и определяется из интегральных уравнений (8.35) и (8.36).

Общее ЧЕП укрепляющей части колонны:

Общее ЧЕП отгонной части колонны:

В технических расчетах число единиц переноса определяют методом графического интегрирования или графическим методом, а также можно определить ЧЕП аналитическим методом [2; 8; 15 – 19].

Более простой приближенный метод расчета разработан Бейкером Т.С.

(1935 г.). Метод основывается на определении приращений рабочих концентраций y исходя из того, что для каждого из них интеграл в уравнении (8.35) равен единице, т.е. соответствует одной единице переноса. Причем равновесная линия является прямой или имеет малую кривизну, а рабочая линия – прямая.

На диаграмму y – x наносим линию равновесия, рабочие линии и среднюю линию O – O, делящую пополам отрезки ординат между предыдущими линиями. Каждый такой отрезок представляет собой движущую силу массопередачи в данном сечении аппарата y = y*– y, равную, например, отрезкам KE и NT (рис. 8.6).

Из точки a ( x Д y Д ) рабочей линии проводят горизонталь aM так, что aB BM или aM 2 aB. Из точки M проводят вертикаль MD до пересечения с рабочей линией. Полученная «ступенька» aMD соответствует некоторому участку аппарата, на котором изменение рабочих концентраций по паровой фазе равно MD или (y*– y), а в жидкой фазе соответствует aM или (x – x*). Отрезок KE изображает среднюю движущую силу (y*– y) на этом участке. Эти рассуждения получены из подобия треугольников Рис. 8.6 – Графический метод определения числа единиц переноса Так как изменение рабочей концентрации MD по построению равно средней движущей силе KE, то «ступенька» aMD соответствует одной единице переноса.

Продолжая построение указанным способом «ступенек» до точки d ( xC, yC ), находят общее ЧЕП для укрепляющей части колонны (равное числу «ступенек»). Последняя неполная «ступенька» равна отношению отRd резков, где отрезок SP, проведенный через середину отрезка RF, есть движущая сила на последней «ступеньке». Общее ЧЕП в укрепляющей части колонны: no y B 2,75.

Аналогично определяется общее ЧЕП в отгонной части колонны.

Вычерчивая указанным способом «ступеньки» для заданных пределов концентраций (от xC до x K ), получим общее ЧЕП noy H, равное числу этих «ступенек». Последняя неполная «ступенька» равна отношению отрезков Lc / NT, где отрезок NT, проведенный через середину отрезка LG, есть движущая сила на последней «ступеньке» нижней части колонны. Общее ЧЕП в отгонной части колонны равно no y H 2,71. Общее ЧЕП в ректификационной колонне равно no y no y B no y H 5,46 (см. рис. 8.6).

8.6.2 МЕТОД ГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Интегралы в уравнениях (8.35) и (8.36) вычисляются графическим методом. На диаграмму равновесия y*– x наносятся рабочие линии (рис. 8.7, а). Вертикальные отрезки, например PS, между кривой равновесия и рабочими линиями соответствуют разностям (y*– y), т.е. движущей силе по паровой фазе, а горизонтальные отрезки SR – разностям (x – x*), т.е. движущей силе по жидкой фазе.

Определим ряд вертикальных отрезков и отложим обратные им значения на диаграмме (рис. 8.7, б) для пределов от y Д до y K.

Площадь, заключенная между кривой, осью абсцисс и ординатами, проведенными через заданные точки y Д и y K, соответствует искомому интегралу, т.е. числу единиц переноса ЧЕП (см. пример 8.9). Аналогично можно рассчитать интеграл в уравнении (8.36).

Общее число единиц переноса (ЧЕП) no y на одну тарелку по паровой фазе, выраженное через ЧЕП в фазах n y и n x :

Коэффициент распределения компонента по фазам mi (тангенс угла наклона линии равновесия) для каждого значения y*i:

Удельный расход жидкости ( l L / G, кмоль жидкости на кмоль пара):

Число единиц переноса в фазах для колпачковых и ситчатых тарелок:

Здесь D П и D Ж – коэффициенты диффузии пара и жидкости, м2/с [3, табл. 3.6 и 5.3]; wП – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с; Re П – критерий Рейнольдса для пара, рассчитанный по скорости пара в свободном сечении колонны w, м/с:

Re П wП П d Э / П ; d Э – эквивалентный диаметр, м: d Э DСТ ; t y – средняя температура паров, C; P0 – давление при нормальных условиях, P0 = 0,1 МПа; P – абсолютное давление в колонне, МПа; ST – рабочая площадь тарелки, м2: ST S 2 Sслива ; S – площадь сечения колонны, м2; V Ж – объемный расход жидкости, м3/с; PrЖ – диффузионный критерий Прандтля для жидкости: PrЖ Ж /( Ж DЖ ) ; П и Ж – плотности пара и жидкости при t y и t x, кг/м ; П и Ж – динамическая вязкость пара и жидкости при t y и t x, Пас.

8.7 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ И ПАРА

Для бинарных смесей физико-химические и теплофизические свойства с достаточной для технических расчетов степенью точности вычисляются по закону аддитивности (смешения).

При расчете процессов ректификации составы жидкостей могут быть заданы в массовых или мольных долях или процентах.

Пересчет массовых долей в мольные:

Пересчет мольных долей в массовые:

Для расчета основных размеров ректификационных колонн необходимо знать физико-химические свойства паров и жидкостей: плотность, динамическую вязкость, коэффициент молекулярной диффузии D и поверхностное натяжение при среднем составе смесей паров уср и жидкостей 8.7.1 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСЕЙ К теплофизическим свойствам относятся удельная теплоемкость c, энтальпия, удельная теплота парообразования r, теплопроводность.

Значения этих величин для чистых компонентов приводятся в справочниках, для смесей жидкостей пользуются законом аддитивности (смешения) [3 – 5; 10; 14; 17].

Все константы (,, D,, c, i, r, ) рассчитываются отдельно для каждой части колонны.

Формулы для расчета физико-химических и теплофизических свойств бинарных смесей приведены в табл. 8.2 и 8.3.

В ректификационных колоннах определяющим фактором является температура, а определяемым – давление.

Температуры чистых компонентов t А и t В, а также исходной смеси tС, дистиллята t Д и кубового остатка t К находят по диаграмме t х, у и заданному составу (см. рис. 8.22 в примере 8.11).

Температура жидких потоков t х определяется по нижней кривой, температура паровых потоков t у – по верхней кривой. Каждому давлению соответствует свое положение кривых на диаграмме t х, у.

Таблица 8.2 – Физико-химические и теплофизические свойства чистых компонентов, исходной смеси, Динамическая вязкость жидкостей x [3, табл. 2.3, 3.2 и рис. 12.1; 4, рис. V; 5, рис. 1] [3, табл. 3.5; 4, табл. XXIV;

Окончание таблицы 8. жидкостей с, кДж/(кгК) [3, табл. 3.3 и рис. 12.10; 4, рис. XI; 5, рис. 3] Удельная энтальпия i, кДж/кг, смеси:

Коэффициент теплопроводности смеси жидкостей, Вт/(мК) 4, табл. XXIX и рис. X; 5, рис. 4] Таблица 8.3 – Физико-химические свойства бинарных смесей при среднем составе жидкости и пара Средний состав смеси, мол. доли:

Средняя мольная масса смеси, Средняя температура потоков, Средняя плотность потоков, Окончание таблицы 8. Средняя динамическая вязкость смеси, Пас:

Средний коэффициент диффузии смеси, м2/с:

MA MB MA MB

Экспериментальные данные физико-химических свойств чистых компонентов приведены в справочной литературе, [3 – 5; 10; 14].

Кубового остатка t х К при х К Средняя температура жидкости Средние температуры жидкости и пара для нижней и верхней частей колонны 8.7.3 ВНУТРЕННИЕ МАТЕРИАЛЬНЫЕ ПОТОКИ Сверху вниз по колонне стекает жидкость (смесь НКК и ВКК), а снизу вверх поднимается смесь паров НКК и ВКК.

Количество стекающей жидкости при выбранном флегмовом числе в верхней (укрепляющей) части колонны равно расходу флегмы GФ, а количество стекающей жидкости в нижней (отгонной) части колонны равно расходу флегмы и поступающей на ректификацию исходной смеси (GФ GC ).

Мольный расход пара, проходящего через колонну при выбранном флегмовом числе и питании колонн кипящей смесью, постоянен и равен G G Д ( R 1) как для верхней, так и для нижней частей колонны.

Формулы для расчета внутренних материальных потоков колонны приведены в табл. 8.4.

Давлением вверху колонны обычно задаются. Для преодоления потерь напора парового потока при движении его через паропровод и конденсатор-дефлегматор принимаем давление вверху колонны несколько выше атмосферного, т.е. В 120 кПа. При небольшом избыточном давлении температуры кипения чистых компонентов будут мало отличаться от температуры их кипения при атмосферном давлении 101,3 кПа.

Таблица 8.4 – Внутренние материальные потоки в ректификационной колонне относительный на 1 кмоль/с Объемный расход жидкости, м3/с относительный на 1 кмоль/с Объемный расход пара, м3/с В таблице 8.5 приведены формулы для расчета среднего давления в колонне.

Таблица 8.5 – Давление в ректификационной колонне Давление, Па:

вверху колонны на тарелке питания вверху колонны внизу колонны Для предварительного расчета давления в ректификационной колонне по числу теоретических тарелок рекомендуется принимать следующие значения гидравлического сопротивления одной тарелки Т, Па:

• 1000 – колпачковая, клапанная и S-образные тарелки;

• 500 – ситчатая, струйная и решетчатая.

Внизу колонны давление увеличивается на величину, соответствующую гидравлическому сопротивлению тарелок.

После расчета числа действительных тарелок N Д и гидравлического сопротивления колонны среднее давление в колонне уточняется.

Тепловой баланс ректификационной колонны непрерывного действия с Тепловой баланс составляется для определения расхода греющего пара на процесс ректификации. В конденсаторе-дефлегматоре происходит полная конденсация пара с получением флегмы GФ и дистиллята G Д (рис. 8.8).

В колонну вносится теплота:

• с греющим паром в куб-испаритель Из колонны выводится теплота:

• с паром НКК, конденсирующимся в конденсаторе-дефлегматоре • с дистиллятом • с кубовым остатком Потери теплоты в окружающую среду QПОТ принимают Рис. 8.8 – К расчету теплового баланса ректификационной колонны с Уравнение теплового баланса колонны с конденсатором-дефлегматором:

Расход теплоты в кубе-испарителе:

Греющий пар расходуется в кубе-испарителе и подогревателе исходной смеси, расход охлаждающей воды – в конденсаторе-дефлегма- торе и холодильниках дистиллята и кубового остатка. В большинстве случаев конечным продуктом является дистиллят.

Расход греющего пара и охлаждающей воды определяют из уравнения теплового баланса.

Куб–испаритель Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, с учетом потерь теплоты определяется по уравнению (8.49):

Здесь тепловые потери QПОТ приняты в размере 3 % от полезно затрачиваемой теплоты.

Расход греющего пара при давлении PГ. П и влажности 5 % в кубеиспарителе:

Здесь 0,95 – паросодержание пара; x ' 0,95 ; wГ. П – влажность пара, %; rГ. П – удельная теплота конденсации греющего пара [3, табл. 2.7].

Расход теплоты в паровом подогревателе:

Здесь тепловые потери приняты в размере 5 % от QП.

Расход греющего пара на подогрев смеси до температуры кипения Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в конденсаторе- дефлегматоре:

Здесь rД, rА, rВ – удельная теплота конденсации дистиллята и чистых компонентов А и В, кДж/кг пара; rД xД rA (1 xД )rB, r и r находят при температуре t [3, табл. 3.9].

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре:

Холодильник дистиллята Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в холодильнике дистиллята:

Расход охлаждающей воды в холодильнике дистиллята:

Холодильник кубового остатка Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка:

Расход охлаждающей воды в холодильнике кубового остатка:

Температуры t, t, t находят по диаграмме t –, при составе,,. Удельные теплоемкости,,, находят из справочника [3, табл. 3.3 ] по средней температуре, например, теплоем- кость смеси находят по t 0,5 ( t t ) и т.д.

8.9 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОНН

Гидравлический расчет ректификационных колонн – это расчет:

• основных размеров колонн;

• основных конструктивных размеров контактных устройств;

• гидравлических сопротивлений колонн.

8.9.1 ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

Рабочая зона аппарата – основная часть аппарата, где протекает процесс ректификации [4; 6; 8; 13; 17 – 21].

Основные размеры этой зоны аппарата: диаметр, характеризующий производительность колонны, и высота рабочей зоны, отображающая интенсивность процесса ректификации. Для насадочных колонн при непрерывном контакте фаз – это высота слоя насадки H; для барботажных тарельчатых колонн при ступенчатом контакте фаз – это высота тарельчатой части колонны H (рис. 8.9).

Полная высота ректификационной колонны складывается из высот рабочей зоны и высот верхней и нижней зон колонны.

I – исходная смесь; II – дистиллят (не показан, см.рис. 8.1); III – кубовый остаток;

ДИАМЕТР КОЛОННЫ

Диаметр колонны рассчитывается по потоку пара, так как скорость пара (линейная или объемная) на несколько порядков выше скорости жидкости.

Мольный паровой поток G постоянен по высоте колонны, а массовый поток пара G изменяется по высоте колонны, поэтому расчет диаметра выполняется по мольному потоку пара.

Объемный расход пара при рабочих условиях, м3/с:

Здесь ty = 0,5 (ty B+ty Н) – средняя температура паров в колонне; ty B и ty H – средние температуры паров в верхней и нижней частях колонны.

Давление в колонне P изменяется из-за гидравлического сопротивления паровому потоку по высоте.

Диаметр колонны D определяют по уравнению расхода:

Диаметр колонны рассчитывают отдельно для верхней и нижней частей колонны. Если различие в значение D велико, то укрепляющая и отгонная части колонны изготавливаются разного диаметра, при незначительном различии D колонну делают одного диаметра.

Выбирают стандартный диаметр DCT колонны из нормализованного ряда диаметров колонны, принятых в химической промышленности: 0,4;

0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,6 м.

СКОРОСТЬ ПАРА В КОЛОННЕ

Скорость пара wП в колонне должна быть ниже предельной (критической) величины, соответствующей значительному уносу капель жидкости (при Р = (0,1...1,0) МПа) или перепаду давления по высоте (при Р 0, МПа). Расчет wП проводится по эмпирическим формулам.

Здесь С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне Р, нагрузки колонны по жидкости [3, рис. 12.17].

Для водно-спиртовых смесей скорость пара [13]:

Значения А и т в зависимости от расстояния между тарелками h, мм:

Скорость пара в полном сечении колонны можно определить и по другим зависимостям [15, §55; 17, гл. II].

При Н, равном 150 и 135, формула (8.62) применима при y 0,2 кг/м [17, гл. II].

Скорость пара рассчитывают при предельной нагрузке колонны, соответствующей началу захлебывания:

Здесь а – удельная поверхность насадки, м2/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Vc – свободный объем насадки, м3/м3 ; х – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа·с; y и х – плотности пара и жидкости, кг/м3; L и G – массовые расходы жидкости и пара, кг/с; L = Gф – для укрепляющей части колонны, кг/с ; L = Gф + Gc – для отгонной части колонны, кг/с.

Рабочая скорость пара:

ВЫСОТА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ КОЛОННЫ

Насадочные ректификационные колонны применяются для разделения высокоагрессивных или вязких продуктов.

Широко применяются насадочные колонны диаметром меньше 1000 мм, так как в колоннах большого диаметра жидкость неравномерно распределяется по насадке и ухудшается эффективность процесса.

Высоту слоя насадки в процессе ректификации определяют из основного уравнения массопередачи, как и в процессе абсорбции:

Уравнения (8,76) и (8,76, а) записываются также в более простом виде:

Расчет высоты насадки проводят как для верхней, так и для нижней частей колонны. Общее число единиц переноса (ЧЕП) в верхней пoу в и нижней пох н частях колонны равно:

Этот интеграл определяют методом графического интегрирования (см. пример 8.9) и графическим методом Бейкера (см. пример 8.10).

Общую высоту единиц переноса (ВЕП) находят по уравнению аддитивности Здесь hx и hy – частные ВЕП соответственно в жидкой и паровой фазах. Расчет hx и hy приведен в пособии по проектированию [17, с. 233 – 235]; т – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны; G/L – отношение нагрузки по пару и жидкости, кмоль/кмоль [16].

Рассчитывают:

Количество секций насадки при заданной высоте одной секции l1:

укрепляющая часть колонны При диаметре колоны 400...800 мм рекомендуется принимать l1:

1000, 1500, 2000 и 2500 мм; при диаметре от 1000 до 2800 – 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 и 8000 мм.

Тарельчатые ректификационные колонны применяют в мало- и крупнотоннажном производстве для четкого разделения смесей, поскольку колонны стабильно работают в широком диапазоне изменения нагрузок по паровой и жидкой фазам.

Высота тарельчатой части колоны (рабочей зоны) при известном расстоянии между тарелками h (см. рис. 8.9):

Величину h выбирают из условия обеспечения сепарирующего эффекта в паровом пространстве тарелки (для предотвращения уноса капель жидкости потоком пара на вышележащую тарелку).

При диаметре колоны 400...800 мм рекомендуется принимать h: 200, 300, 400 мм; при диаметре от 1000 до 2800 – 300, 400, 500, 600, 800 мм.

В процессе ректификации не достигается полное равновесие на тарелках, как это предполагается при расчете ЧТС изменения концентраций.

Действительное число тарелок N Д определяется по КПД. В расчетах используют два вида КПД: общий КПД колонны и КПД тарелки (Мерфри) Е.

Общий КПД колонны – это отношение числа теоретических тарелок N Д к действительному числу тарелок N Д, необходимых для разделения смесей (показывает степень отклонения от равновесия):

При выборе значения общего КПД тарелки пользуются опытными данными, изменяющимися в широком интервале, = (0,3…0,8) [13], или опытным графиком зависимости КПД от произведения относительной летучести и вязкости, мПа·с, перегоняемой смеси [3, рис. 12.18].

Относительная летучесть реальных смесей из уравнения (7.6) Общий КПД тарелки Здесь с, д и к – КПД тарелок соответственно исходной смеси, верхней и нижней тарелок колонны.

КПД тарелки, или КПД Мерфри, – это отношение изменения состава паров или жидкости на тарелке к изменению состава при достижении равновесной концентрации (рис. 8.10).

КПД Мерфри по пару КПД Мерфри по жидкости а – схема процесса; б – графическое изображение изменения Здесь у n – состав пара, поднимающегося с n-й тарелки; у n 1 – состав пара, поступающегося на n-ю тарелку; у n – состав пара, равновесный с жидкостью на n-й тарелке; х n – состав жидкости, покидающей n-ю тарелку; x n 1 – состав жидкости, поступающей на n-ю тарелку; х n – состав жидкости, равновесный с паром, поднимающимся с n-й тарелки.

КПД Мерфри для идеального перемешивания жидкой и паровой фаз на тарелке рассчитывают через общее число единиц переноса n oy [17, разд. 3.1.6] Графическое определение числа действительных тарелок Последовательность построений 1. Строят кривую равновесия у (x) и линии рабочих концентраций укрепляющей и отгонной частей колонны по уравнениям (8.11) и (8.12).

2. Рассчитывают КПД Мерфри Е y по уравнению (8.79).

3. Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций произвольно проводим ряд прямых, параллельных либо оси ординат (известен Е y ), либо абсцисс (известен Е x ). Полученные отрезки MN, M 1 N 1, M 2 N 2 и да отрезок EM E y MN ; E1 N1 E y M 1 N1 и т.д. Откладываем на у – хдиаграмме отрезки EN, E1 N 1 и др., через найденные точки E, E1, E2, E3 … проводим кривую, называемую кинетической (рис. 8.11).

Рис. 8.11 – Графическое определение числа теоретических тарелок 4. Число действительных тарелок N Д находят построением ступенчатой линии между кинетической кривой и линиями рабочих концентраций от х Д до х К. Число вершин ломаной ступенчатой линии, лежащих на кинетической кривой между х Д и х К, равно числу действительных тарелок.

Общее количество тарелок в колонне равно сумме числа тарелок в верхней (укрепляющей) и нижней (отгонной) частях колонны.

Согласно рис. 8.11 число действительных тарелок равно:

8.9.2 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ КОНТАКТНЫХ

УСТРОЙСТВ

ВЫБОР КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ

Из множества массообменных устройств выделим насадочные и барботажные (тарельчатые) устройства [8; 12; 13; 16 – 20].

Эффективность работы колонны определяется конструкцией насад ки. Требования, предъявляемые к выбору насадки:

• огромная поверхность фазового контакта;

• минимальное гидравлическое сопротивление;

• коррозионная устойчивость;

• минимальная стоимость;

• стойкость к высоким температурам.

Рекомендации • кольца, седла и блоки – наиболее дешевые насадки применяются при необходимости иметь небольшое гидравлическое сопротивление и когда не требуется высокая степень разделения;

• насадка из сетки – при разделении компонентов с близкими температурами кипения;

• насадка «Спрейпак», плоскопараллельная и из стекловолокна – при большой производительности, в колоннах диаметром более 1 м.

• металлическая насадка применяется, когда возможно отложение осадков и требуется чистка аппарата, а также в вакуумных колоннах;

• фарфоровая, графитовая, пластиковая и керамическая насадки – для корродирующих сред.

• при больших размерах элемента насадки увеличивается про изводительность колонны, но снижается ее эффективность, гидравличес кое сопротивление и общая стоимость колонны;

• при небольших размерах элемента насадки происходит равно мерное распределение потоков пара и жидкости по поперечному сечению колонны.

По способу укладки насадки в колонне подразделяются на регуляр ные и неупорядоченные, т.е. насыпанные в навал.

Выбор барботажного (тарельчатого) устройства Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудня ет выбор оптимальной конструкции.

Выбор типа тарелки определяется следующими факторами:

• эффективностью, т.е. максимальным развитием межфазного контакта;

• малым гидравлическим сопротивлением;

• широким диапазоном устойчивой работы (ДУР);

• стойкостью к коррозии;

• легкостью изготовления, чистки, ремонта;

• экономией материала.

Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, но в последнее время получили распространение ситчатые, клапанные, чешуй чатые и другие более эффективные тарелки.

Для предварительного выбора типа тарелок можно пользоваться таблицей «Сравнительная характеристика тарелок» [19, табл. 8].

Конструкция тарелок и их основные размеры указаны в стандартах [13; 17, прил. 5.2; 20, Ч. V].

Пример условного обозначения колпачковой тарелки Тарелка 1000-160-2-20-5-12Х18Н10Т ОСТ 26-01-66-81 – колпачковая тарелка колонного аппарата диаметром 1000 мм, высота переливной пере городки 160 мм, с колпачками исполнения 2, высотой прорези колпачка 20 мм, величиной зазора hт = 5 мм, из стали 12Х18Н10Т.

Пример условного обозначения решетчатой тарелки Тарелка ТР 2000-10-08Х13-А-26-02-2055-79 – решетчатая тарелка диаметром 2000 мм с шагом щелей 10 мм, изготовленная из стали 08Х13, и с уплотняющей прокладкой из асбестовой ткани.

Пример условного обозначения ситчатой тарелки Тарелка 1-1-800-570-35-5-12Х18Н10Т ОСТ 26-01108-79 – ситчатая тарелка (тип I), исполнение 1 (неразборная), диаметром 800 мм, перимет ром слива 570 мм, высотой сливного порога 35 мм, диаметром отверстия 5 мм, из стали 12Х18Н10Т.

Пример условного обозначения клапанной тарелки Тарелка 3-3-3600-3030-30-08Х13 ОСТ 26-01-108-79 – клапанная тарелка (тип 3), исполнение 3, диаметром 3600 мм, периметром слива 3030 мм, высотой сливного порога 30 мм, из стали 08Х13.

Согласно стандарту тарельчатые колонны диаметром от 400 до 800 мм имеют максимальное число тарелок 36 шт. и высоту колонн 20 м.

Колонна диаметром от 1000 до 3600 мм имеет максимальное число тарелок 60 и высоту 50 м. Число тарелок принимается четным.

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РАЗМЕРОВ ТАРЕЛОК

Диаметр колонны рассчитывается из уравнения расхода для каждой части колонны: Vy = 0,785 D2 wпр.

Предварительно скоростью пара задаются в зависимости от типа та релки по следующим рекомендациям, wпр, м/с: 0,8…1,0 – колпачковая;

0,9…1,1 – с S-образными элементами; 1,0…1,2 – клапанная, ситчатая, струйная, решетчатая, провальная.

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укреп ляющей и исчерпывающей частей колонны, изготавливают колонну единого размера, равного большему из рассчитанных. По ориентировочному диаметру колонны D выбирают расстояние между тарелками.

Во избежание переброса пены на вышележащую тарелку расстояние между тарелками Нт должно быть больше высоты слоя пены hn.

Расстояние между тарелками должно быть тем больше, чем выше производительность колонны по пару и при переменной нагрузке по пару.

Чем больше Нт, тем устойчивей работа тарелки, тем больше диапазон устойчивости работы (ДУР). Обычно расстояние между тарелками принимают в диапазоне 0,2…0,8 м. С точки зрения выбора оптимальной конструкции колонны рекомендуют следующие значения Нт в зависимости от диаметра колонны:

Для колонн, устанавливаемых в помещениях, Нт принимают не более 0,4 м.

Принятое расстояние между тарелками должно быть обязательно проверено (см. далее). Выписывают техническую характеристику тарелки по образцу табл. 8.6 и 8.7 из пособия [17, прил. 5.2; 20, Ч. V].

Таблица 8.6 – Техническая характеристика тарелок (образец) Тип тарелки и ОСТ 26-…..

Диаметр колонны Dст, мм Свободное сечение колонны Sст, м Относительная площадь для прохода паров Fс, в долях Свободное сечение тарелки Sт = Sст Fс, м Рабочее сечение тарелки Sр = Sст – Z Sпер, м Таблица 8.7 – Техническая характеристика колпачка (образец) Диаметр колпачка (наружный) d, м Число колпачков nk, шт Высота колпачка Н1, м Высота прорези h, м Расстояние между колпачками (шаг) t, м Исполнение колпачка Рекомендуемую рабочую скорость пара в свободном сечении колонны рассчитывают по формулам (8.60) – (8.62).

Уточняют диаметр укрепляющей и исчерпывающей частей колонны.

Укрепляющая часть колонны Исчерпывающая часть колонны Принимаем стандартную ректификационную колонну с диаметром Dст [20]. Уточняют техническую характеристику тарелки и действительную рабочую скорость пара в свободном сечении колонны:

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

Конструктивные размеры колпачковой и ситчатой тарелок Формулы для расчета конструктивных размеров тарелок представлены в табл. 8.8 и 8.9 и на рис. 8.12. Образец для занесения результатов расчетов показан в табл. 8.10.

Таблица 8.8 – Конструктивные размеры тарелок с переливными Е – масса жидкости, уносимая с 1 м2 рабочей площади тарелки, кг/(м2·с); f – коэффициент, учитывающий свойства жидкости; x – в мН/м; x – в мПа·с Показатель Перелив Высота переливной перегородки hпер, hт = 0,005м;

Высота светлого слоя жидкости на тарелке ho, м Длина пути жидкости на тарелке lт, м Sпер 2/3 Lс Hс, откуда определяем Hс – высоту сегмента.

Окончание таблицы 8. Показатели Высота слоя пены Высота сепарационного пространства Нсеп определяется из зависимостей Высота сепарациГрафическая зависимость онного пространА = 3600ЕНсеп2,59 x x 0,4;

ства на тарелке мый брызгоунос с тарелки е = 0,1 кг жидкости на 1 кг Переливное Потери давления при протекании жидкости через переливное а – колпачковая тарелка; б – ситчатая тарелка; в – провальная тарелка.

Рис. 8.12 – К расчету конструктивных размеров тарелок 3600ЕНсеп2,59 x x 0, Рис. 8.13 – График для определения уноса на колпачковых Конструктивные размеры клапанной тарелки Конструкции клапанных тарелок см. [1, рис. XI –23; 16, рис. 16 – 20].

Высота переливной перегородки Высота слоя пены Высота сепарационного пространства на тарелке Коэффициент, учитывающий свойства жидкости Градиент уровня жидкости на тарелке h в два раза меньше hколп, т.е. h = hколп/2.

Остальные размеры (hс, hо, Hпер, lт, ) рассчитываются как для ситчатой тарелки см. табл. 8.8.

Таблица 8.9 – Конструктивные размеры провальной тарелки Паросодержание барбо- Критерий Фруда должен быть не более 5.

Высота слоя пены Высота сепарационного пространства Нсеп, м П р и м е ч а н и е. Для провальной тарелки размеры hс, hпер, hт, hпогр, Hпер, h, lт, hк, h и Hсв отсутствуют Таблица 8.10 – Основные конструктивные размеры тарелки (образец) Высота слоя жидкости над перегородкой hc, м Высота переливной перегородки hпер, м Высота светлого слоя жидкости на тарелке hо, м Расстояние нижнего торца колпачка от днища тарелки hт, м Высота слоя жидкости на тарелке hх, м Глубина погружения hпогр, м Высота слоя пены hп, м Высота жидкости в переливном устройстве Нпер, м Высота сепарационного пространства Нсеп, м Градиент уровня жидкости на тарелке h, м Длина пути жидкости на тарелке lт, м Высота верхнего обреза прорези колпачка над плоскостью тарелки hк = h + hт, м Окончание таблицы 8. Высота слоя жидкости над верхним краем прорези h = hпер + hс – hк, м Высота светлой жидкости в переливном устройстве Нсв, м Расстояние между тарелками Нт, м Расстояние от верхнего края колпачка до вышерас- положенной тарелки Н0 = Hт – Н1 – 0,01, м Проверка принятого расстояния между тарелками Во избежание захлебывания тарелки, т.е. переполнения переливного устройства, должно соблюдаться условие: Нт + hпер Hпер (см. рис. 8.12).

Значение hпер и Hпер приведены в табл. 8.10. Расстояние между тарелками с переливными патрубками должно быть больше или равно Нт 2Hпер.

Расстояние между провальными тарелками должно быть больше или равно В зависимости от нагрузки колонны по пару, т.е. в зависимости от скорости пара на барботажных тарелках, наблюдаются различные гидродинамические режимы работы. Диапазон устойчивой работы тарелок (ДУР) определяется как отношение максимальной wр к минимальной предельно допустимой скорости wmin.:

Для тарелок с переливными устройствами Формулы для расчета коэффициента Cmin приведены в табл. 8.11.

Таблица 8.11 – Формулы для расчета коэффициента Cmin Окончание табл. 8.11.

Коэффициент, характеризующий форму прорези: Коэффициент сопротивлеCф = 0,79 – ния тарелок прямоугольная;

Cф = 0,74 – трапециевид- при Fс = (0,07 … 1,0);

Cф = 0,63 – треугольная при Fc = (0,15 … 0,2) В табл. 8.12 приведены ориентировочные значения допустимого диапазона устойчивой работы тарелок.

Таблица 8.12 – Допустимые значения ДУР тарелок Диапазон устойчивой работы при расстоянии между тарелками, м Тип тарелки Диапазон устойчивой работы тарелок характеризует эксплуатационную гибкость колонн при изменении ее производительности, состава сырья и колебания технологического режима.

Так, например, если колонна с колпачками при Нт = 0,3 м будет иметь расчетный ДУР 3, то данная колонна будет работать неустойчиво и заданный состав хд и хк получить не удастся.

Следовательно, необходимо изменить расстояние между тарелками, т.е. принимать Нт = 0,4 м, и расчет повторить.

8.9.3 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОЛОНН

Полное гидравлическое сопротивление колонн Здесь Т В и Т – гидравлическое сопротивление тарелки верхней и нижней ней частей колонны.

Гидравлическое сопротивление тарелки Полное гидравлическое сопротивление тарелки Т равно сумме сопротивлений сухой тарелки С, сопротивления, обусловленного силами поверхностного напряжения, и сопротивления газожидкостного слоя (пены) на тарелке СТ, т.е.

На рис. 8.12 показана схема движения жидкости и пара на тарелках.

1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки Здесь – коэффициент сопротивления, зависящий от типа тарелки:

колпачковая……......4,0…5,0 дырчатая……………………..2, ситчатые……………1,1…2,0 решетчатая…………………..1,4…1, w0 – фактическая скорость пара (газа) в прорезях или в отверстиях ситчатых тарелок, м/с:

wП – скорость пара (газа) в колонне, м/с; FС – относительная площадь для прохода пара, доли (см. табл. 8.6).

2. Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, возникает при выходе пара из отверстий или барботировании в слой жидкости, и она незначительна по сравнению с PC и PСТ Здесь dэ – эквивалентный диаметр отверстия: для ситчатой и решетчатой тарелки см.[4, формула (1.24)]; для колпачковой тарелки Здесь S прор b1 hпрор – площадь свободного сечения прорези, м2; b1 – ширина прорези, м; hпрор – высота прорези, м; П прор – периметр прорези, м.

3. Гидравлическое сопротивление парожидкостного слоя (пены) на тарелке принимается равным гидростатическому давлению слоя:

Здесь h0 – высота светлого слоя жидкости на тарелке [17, разд. 5.2.3]. Расчет h см. табл. 8.8 и пример 8.23 и 8.26.

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки Здесь – коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения пара (газа) в насадке.

Критерий Рейнольдса для пара (газа):

Для хордовой насадки Кольца Рашига (неупорядоченная насадка):

Для регулярной кольцевой насадки при любом Reу Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки Здесь b – постоянная.

Плотность орошения, м3/(м2 с):

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне Расчет P производится отдельно для укрепляющей PB и отгонной PH частей колонны.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Пример 8.1. В ректификационной колонне непрерывного действия получается 1270 кг/ч изопропилового спирта с концентрацией 66 % мол.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова (СЛИ) Кафедра Машины и оборудование лесного комплекса БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов направления 240000 Химическая и биотехнологии по специальности 240406...»

«Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МАКРОЭКОНОМИКА Методические рекомендации к выполнению курсовых работ для студентов экономических специальностей Минск 2009 УДК 330.101.541 (075.8) ББК 65.05 М16 Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета Составители: И. М. Лемешевский, М. В. Коротков, Д. А. Жук Рецензент доктор экономических наук, профессор кафедры экономики и управления на предприятиях химико-лесного...»

«Донецкий национальный медицинский университет им. М.Горького. Кафедра медицинской химии. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим занятиям по биоорганической химии (для студентов первого курса медицинского факультета). Донецк - 2011 Методические указания подготовили: -зав. кафедрой доцент Рождественский Е.Ю. -доценты: Сидун М.С., Селезнева Е. В. -ст. преподаватель Павленко В.И. -ассистенты кафедры: Бусурина З.А., Сидоренко Л.М., Игнатьева В.В., Бойцова В.Е. -2Вступление. Целью развития...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С. М. КИРОВА КАФЕДРА ХИМИИ ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ОСНОВЫ БИОХИМИИ Методические указания по выполнению контрольных работ по дисциплине Органическая химия и основы биохимии для студентов специальности 240406 Технология химической переработки древесины заочной формы обучения и...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова (СЛИ) Кафедра Машины и оборудование лесного комплекса УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ для специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) Сыктывкар...»

«Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет ИСТОЧНИКОВЕДЕНИЕ ИСТОРИИ КУЛЬТУРЫ Методические указания Составитель: Д. В. Самотовинский Иваново 2006 Составитель: Д. В. Самотовинский Источниковедение истории культуры: Методические указания / Сост. Д. В. Самотовинский; ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2006. – 28 с. Методические...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова Кафедра целлюлозно-бумажного производства, лесохимии и промышленной экологии ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Учебно-методический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000...»

«Министерство образования Российской Федерации МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЯ И КИНЕТИКА Москва 2003 Министерство образования Российской Федерации _ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ Кафедра Общая и физическая химия ТЕРМОХИМИЯ И КИНЕТИКА Методические указания Под редакцией д-ра хим. наук В.С.Первова Москва 2003 2 Допущено редакционно-издательским советом. Составители: В.В.Горбунов, Е.А.Зеляева, Г.С.Исаева УДК 554,4; 544, Термохимия...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова Кафедра целлюлозно-бумажного производства, лесохимии и промышленной экологии ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, БУМАГИ И КАРТОНА Учебно-методический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста...»

«Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Хабаровский государственный технический университет В. А. Яргаева Л. В. Сеничева ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно-методическим центром в качестве учебного пособия для студентов специальностей 260300 Технология химической переработки древесины, 320700 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, 290800...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Учебно-методическое пособие для вузов Составитель Т.А. Крысанова Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2009 Утверждено научно-методическим советом фармацевтического факультета 18 декабря 2009 г., протокол № 1500-...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДРАЦИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВРСИТЕТ Биолого-химический факультет Кафедра органической, биологической химии и методики преподавания химии Учебное пособие по органической химии Алифатические и ароматические углеводороды Составитель д.х.н., профессор кафедры органической, биологической химии и методики преподавания химии...»

«ПЯТИГОРСКИЙ МЕДИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Кафедра фармацевтической и токсикологической химии МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПРОГРАММА производственной практики КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ для студентов 5 курса по дисциплине Фармацевтическая химия (очная форма обучения) Пятигорск,...»

«А.Н. Трифонова И.В. Мельситова Лабораторный практикум Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов учреждений высшего образования по химическим специальностям Минск Вышэйшая школа 2013 УДК 543(075.8) ББК 24.4я73 Т69 Р е ц е н з е н т ы: кафедра аналитической химии УО Белорусский государственный технологический университет; доцент кафедры химии УО Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка кандидат химических...»

«Министерство образования Российской Федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса А.Н. САВЕРЧЕНКО КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Методические указания к лабораторному практикуму по химии (часть II) для студентов I курса специальностей: 013100 – экология, 280900 – конструирование швейных изделий, 351100 – товароведение и экспертиза товаров 280800 – технология швейных изделий Владивосток Издательство ВГУЭС 2003 ББК 24 С 12 Рецензенты: Каминский В.А., д-р...»

«Химия 1. Химия.Мультимедийное учебное пособие нового образца 8 класс. 3 CD/ Просвещение2004. Соответствие обязательному м минимуму образования. Сетевая версия. Инвентарный номер: 2 2. Химия курс химии общеобразовательных учреждений. Сетевая версия. Инвентарный номер : 25 3. Химия.Мультимедийное учебное пособие нового образца 9класс. 3 CD/ Просвещение2004. Соответствие обязательному м минимуму образования. Инвентарный номер: 28; 139. 4. Органическая химия. 10-11 класс. [Электрон. ресурс]. -...»

«Бюджетное образовательное учреждение Омской области дополнительного профессионального образования Институт развития образования Омской области С.Г. Алексеев, Ю.А. Бурдельная Т.В. Головина РАЗВИТИЕ ГОСУДАРСТВЕННО-ОБЩЕСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ В РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ОБРАЗОВАНИЯ Учебно-методическое пособие Омск 2009 ББК 74.04 (2) А 47 Печатается по решению редакционно-издательского совета института Рецензенты: Т.С. Горбунова, кандидат педагогических наук, ректор БОУДПО ИРООО В.А. Шелонцев, кандидат...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет (УГТУ) Экономическое обоснование дипломных проектов Часть I. Обоснование и расчёт сметной стоимости при проектировании поисково-оценочных и научно-исследовательских работ в дипломных проектах для студентов специальности 130306 М и ГГ Прикладная геохимия, петрология, минералогия Методические указания 2-е издание,...»

«РОССИЙСКОЕ ОБЩЕСТВО МЕДИЦИНСКИХ ГЕНЕТИКОВ Федеральные клинические рекомендации (протоколы) по оказанию медицинской помощи больным пропионовой ацидемией Москва 2013 2 Федеральные методические рекомендации подготовлены коллективом авторов: Сотрудники ФГБУ Московский НИИ педиатрии и детской хирургии Минздрава России д.м.н., проф. П.В.Новиков д.м.н. Е.А.Николаева Сотрудники ФГБУ Научный центр здоровья детей РАМН д.м.н., проф. Т.Э.Боровик к.м.н. Т.В.Бушуева Сотрудники ФГБУ Медико-генетический...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановская государственная текстильная академия (ИГТА) Кафедра химии ИНЖЕНЕРНАЯ ОХРАНА ВОДНОГО БАССЕЙНА Методические указания для студентов специальности 280102 (330500) Иваново 2009 Методические указания разработаны для студентов специальности 280102 (330500) Безопасность технологических процессов и производств. Они помогут студентам в самостоятельной работе при освоении...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.