Примеры решения задач

Ректификация

Материальный баланс. Флегмовое число. Уравнения рабочих линий,

изображение рабочих линий в x-y диаграмме

Дано:

Расход исходной смеси (бензол-толуол) Gf = 10 т/ч, концентрация бензола в исходной смеси af = 20 % мас. в дистилляте ap = 98 % мас. в кубовом остатке aw = 2 % мас. Средняя скорость паровой фазы в свободном сечении колонны

wп = 0,8 м/с, средняя плотность паровой фазы ρп = 2,8 кг/м3. Для определения рабочего значения флегмового числа R

использовать уравнение R = 1,3Rmin + 0,3.

Определить массовые расходы дистиллята и кубового остатка, минимальное значение флегмового числа. Составить уравнения рабочих линий обогащающей и исчерпывающей частей ректификационной колонны непрерывного действия. Найти также диаметр колонны и изобразить рабочие линии в x-y диаграмме. Найти массовые расходы паровой и жидкой фаз в колонне.

Решение:

1.Определение массовых расходов дистиллята Gр, кубового остатка Gw (по материальному балансу)

2. Пересчет массовых концентраций в мольные

225

где М б = 78, М т = 92 – молекулярные массы бензола и толуола.

3.Определение минимального значения флегмового числа Rmin

4. Определение рабочего значения флегмового числа

R= 1,3Rmin + 0,3 = 3,1 .

5.Уравнения рабочих линий обогащающей и исчерпывающей частей ректификационной колонны

Обогащающая часть

Исчерпывающая часть

226

6. Построение рабочих линий (рис. 4.9).

Уравнение рабочей линии обогащающей части y = 0,76x + 0,24. При x = 0 y = 0,24 мол. д. (точка 2). Проводят прямую линию, соединяющую точки 1 и 2. Пересечение прямой с линией xf = 0,23 мол. д. происходит в точке 3. Прямая линия, соединяющая точки 1 и 3, является рабочей линией обогащающей части колонны при R = 3,1.

Рабочей линией исчерпывающей части колонны является прямая линия, соединяющая точки 3 и 4.

Рис. 4.9. Принципиальная схема процесса непрерывной ректификации и его изображение на у-х диаграмме

7.Определение расхода паровой фазы в колонне

Gп = Gр (R +1) = 1875(3,1 +1,0) = 7687 кг/ч.

8.Определение расхода жидкой фазы в обогащающей части колонны

227

9. Определение расхода жидкой фазы в исчерпывающей части колонны

Gи = GR + Gf = 5812 +10000 =15812 кг/ч.

Абсорбция

Дано:

В тарельчатом противоточном абсорбере диаметром 1,2 м с площадью барботажа тарелки Fб = 1 м2 происходит абсорбция паров ацетона из воздуха водой. yн = 0,04 мол.д., yк = 0,01 мол.д., xн = 0,0025 мол.д., xк = 0,020 мол.д.

Коэффициент массопередачи К y= 200 кмоль/(м2ч), расход

газовой фазы 288 кмоль/ч. Уравнение линии равновесия yp = 1,6x .

Определить число тарелок в адсорбере.

Решение:

В диаграмме y-x проводят построение равновесной прямой

А(yн ,xк ) и А′(yк ,xн ) .

Кинетическая линия лежит между равновесной и рабочей линиями; ее положение определяется значениями коэффициента массопередачи

228

Так как равновесная и рабочая линии – прямые, а e− КGy Fб

в данном случае величина постоянная, то кинетическая линия

– прямая, проходящая через точки B, B′ .

Для определения числа тарелок между рабочей и кинетической линиями вписывается ступенчатая ломаная линия, число ступеней которой равно числу тарелок. Для условий данной задачи необходимое число тарелок равно девяти (рис. 4.10).

Воздушная сушка

Теоретическая и реальная сушилки

Дано:

Производительность сушилки по влажному материалу 2500 кг/ч. Начальная влажность материала (перед сушилкой)

ан = 20 % мас., конечная (после сушилки) ак = 5 % мас. Воздух перед входом в калорифер имеет параметры: t0 =18 °C, ϕ0 =45 %. В калорифере воздух нагревается до

t1 =120 °C , после чего поступает в сушилку. Относительная

влажность воздуха на выходе из сушилки ϕ2 = 40 % .

Определить: расход удаляемой влаги, расход сухого воздуха в расчете на теоретическую сушилку и расход сухого воздуха для действительной сушилки, для которой сумма сообщений и расходов тепла = −838 кДж/кг уд.влаги.

Решение:

1.Определение расхода удаляемой из материала влаги (из материального баланса) W

229

где i – энтальпия сушильного агента, кДж/кг сух. воздуха; x – влагосодержание сушильного агента, кг влаги/кг сух. воздуха.

Для теоретической сушилки = 0 , следовательно, i = i1 = const (рабочая линия совпадает с линией постоянной энтальпии – изоэнтальпой).

230

Рис. 4.10. К расчету числа тарелок противоточного абсорбера

231

Рис. 4.11. Принципиальная схема сушки

иее изображение на диаграмме i-x для теоретической сушилки

Вдиаграмме (рис. 4.11) состояния влажного воздуха (диаграмма Рамзина) находится точка 0 (ϕ0, t0). По этим

данным определяется x1 .

Процесс нагрева воздуха в калорифере осуществляется по линии x1 = const, на пересечении которой с изотермой t1 = 120 °C находится точка 1.

i0 = 35,6 кДж/кг сух. воздуха.

Из точки 1 по изоэнтальпе i1 = const до пересечения

с ϕ2 = 40 % = const проводят рабочую линию 1-2. Для точки 2

Значения параметров, определенных по диаграмме Рамзина: x1 = 0,06 кг вл./кг сух. воздуха,

x2 = 0,034 кг вл./кг сух. воздуха,

232

i1 = 138,3 кДж/кг сух. воздуха.

Расход тепла на сушку

Qc = L(i1 − i0 ) = 141003600 (138,3 − 35,6) = 402 кВт.

3.Определение расхода сухого воздуха в расчете на действительную сушилку Lд.

Первоначально необходимо произвести построение рабочей линии действительной сушилки в i-x диаграмме Рамзина (рис. 4.12).

Определим положение точки 0 (t0 = 18 °C, ϕ0 = 45 %). Точка 1 находится на пересечении вертикали x1 = const и изотермы

t1 = 120 °C и принадлежит рабочей линии. Для построения рабочей линии (прямой) действительной сушилки надо найти

еще одну точку. В диапазоне значений x1 и x2 для

теоретической сушилки произвольно принимают значение x ′

.

Принимаем x′ = 0,026 кг вл./кг сух. воздуха.

Рис. 4.12. Изображение процесса сушки на i-x диаграмме для действительной сушилки

Из уравнения рабочей линии

233

i' = (x′ − x1) + i1 = −838(0,026 − 0,006) +138,3 =121,5 кДж/кг

сух. воздуха.

Пересечение вертикали x′ = 0,026 кг вл./кг сух. воздуха = const и изоэнтальпы i' =121,5 кДж/кг сух. воздуха определяет положение точки 2′ , принадлежащей рабочей линии. Через

точки 1 и 2′ проводят прямую до пересечения с линией ϕ = 40 % = const в точке 2. Рабочая линия действительной сушилки – прямая 1-2.

Определенное по диаграмме Рамзина значение

Воздушная сушка с рециркуляцией части отработанного сушильного агента (воздуха)

Дано:

Воздух с параметрами t0 = 18 °C и ϕ0 = 45 % нагревается в калорифере перед теоретической сушилкой до t1 = 120 °C. Из сушилки сушильный агент (воздух) выходит с ϕ2 = 45 %.

Необходимо снизить температуру сушильного агента перед входом в сушилку до 80 °C, применив частичную рециркуляцию сушильного агента. Определить кратность циркуляции сушильного агента.

Решение:

1.Изображение процесса сушки в i-x диаграмме без рециркуляции сушильного агента (рис. 4.11).

0-1 – процесс нагрева воздуха в калорифере x1 = const до t1 = 120 °C.

234