книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1

Количество спирта в остатке после перегонки:

Gw = Wxw = 200-0,05 = 10 кг.

Количество спирта, перешедшего в дистиллят:

GD = FXF — GW = 1000 0,6 — 10 = 590 кг.

Массовый процент спирта в дистилляте:

GD 590

£ - т ~ т Т т ~ п -7-

Пример 7.8. В условиях предыдущего примера найти для про­ цесса перегонки расход греющего пара (раб0 = 2 кгс/см2). Пере­ гоняемая смесь подается в куб нагретой до температуры начала кипения. Потери теплоты в окружающую среду принять в раз­ мере 10% от полезно затрачиваемого количества теплоты. Влаж­ ность греющего пара 5%. По диаграмме t—х, у найдено, что темпе­ ратура начала перегонки, когда кипящая смесь содержит 60% (масс.) спирта, равняется 81 °С, а температура конца перегонки* когда кипящая смесь содержит 5% (масс.) спирта, 94,9 °С.

Р е ш е н и е . Средняя температура перегонки:

*=(81 + 94,9)/2 = 88°С.

Расход теплоты на нагрев исходной смеси от 81 до 88 °Сг

Qi = (1000 0,6-3,35-103 + 1000-0,4*4,19* 103)-(88 — 81) = 2 5 800-103 Дж,

Общий расход теплоты с учетом потерь:

где 2208-103 Дж/кг — удельная теплота конденсации водяного пара при рад0 =» = 2 кгс/см2.

Пример 7.9. При расчете ректификационной колонны с кол­ пачковыми тарелками принято расстояние между тарелками 300 мм. Через колонну проходит 3200 ма/ч пара. Плотность пара 1,25 кг/м8 (расход и плотность пара — при нормальных условиях). Плотность жидкости 430 кг/м3. Абсолютное давление в колонне

или

у = 0,598* + 0,393.

Отложив по оси ординат 0,393, наносим рабочую линию АВ для верхней части колонны. Через точки А а С проводим рабо­ чую линию для нижней части колонны.

Выполнив на диаграмме построение ломаной линии (начиная от точки В), находим необходимое число ступеней изменения кон­ центрации: в верхней части колонны оно составляет ~ 7, в ниж­ ней '—4; всего 11.

Число действительных тарелок: в верхней части колонны 1,7 X X 7 « 12; в нижней 1,7-4 « 7, всего 19 тарелок.

Пример 7.11. Построить кривую равновесия для смеси четы­ реххлористый углерод (СС14) — двуххлористая сера (SC12) при давлении 760 мм рт. ст.

Р е ш е н и е . При отсутствии эксцериментальных данных кри­ вую равновесия строим, исходя из допущения, что смесь следует закону Рауля.

Давления насыщенного пара СС14 в зависимости от темпера­ туры приведены в табл. 7.3.

Для SCIа имеются две точки; температура кипения при давле­ нии 760 мм рт. ст., равная 59 °С, и температура кипения при 400 мм рт. ст., равная 41 °С.

Для нахождения давления насыщенного пара SC12 при других температурах воспользуемся правилом линейности.

Вычислим постоянную К для SC12 и воды, взятой в качестве стандартной жидкости:

Температуры кипения SC12 при разных давлениях могут быть определены из уравнения:

59 — /*=1,06 (100 — 0),

откуда

/= 1 ,0 6 0 — 47.

Здесь / — температура кипения SC12, °С; 0 — температура кипения воды при том'же давлении, °С.

В табл. 7.4 приведены вычисленные по последней формуле значения t при разных давлениях.

На рис. 7.10 по данным табл. 7.3 и 7.4 нанесены давления на­ сыщенных паров SC12 и СС14 в зависимости от температуры.

Имея данные о давлении насыщенных паров чистых компонен­ тов при разных температурах, можно построить диаграмму равно­ весия, применив закон Рауля. Методику построения см. в при­ мере 7.4. На рис. 7.11 дана диаграмма равновесия в координатах

у*— х.

Пример 7.12. В периодическидействующей тарельчатой ректи­ фикационной колонне разгоняется под атмосферным давлением жидкая смесь четыреххлористого углерода СС14 и двухлористой

дммрт.с#. fSÇVf------

для конечного момента разгонки, когда кубовая жидкость содер-

У*,У

жит 15% SC12 (в этот момент существуют наиболее трудные усло­ вия разделения):

Здесь 0,25 — мольная доля SCla в парах, равновесных с кубовым остатком, содержащим 15 % SCls,— определяется по диаграмме равновесия.

Для действительного процесса принимаем число флегмы на 20% больше

R = 1,2-6,5 = 7,8.

Уравнение рабочей линии (7.6) для конечного момента пере­ гонки:

или у = 0,887х + 0, 102.

Строим рабочую'линию и определяем графически число сту­ пеней изменения концентрации. Как следует из рис. 7.11, числу

Для начального момента разгонки, когда xF = 0,5, минималь­ ное число флегмы:

Отношение минимальных чисел флегмы в конце и в начале раз­ гонки:'

Ямнн/Ямин ~ 6,5/1,86 = 3,5.

Таким образом, в процессе разгонки флегмовое число меняется, достигая максимального значения R = 7,8 в конце процесса.

Пример 7.13. Построить диаграмму /—х в области насыщения для смеси СН4—N2 при раво = 10 кгс/сма.

Р е ш е н и е . Методику построения и применения диаграммы / —X см. [6.1].

Для определения равновесных соотношений системы СН4—NB воспользуемся экспериментальными данными.

По диаграмме состояния / — lg р для N2 и СН4 определяем энтальпии чистых компонентов на 1 кмоль пара и жидкости в пре­ делах температур существования системы СН4—N2 при 10 кгс/см2 (табл. 7.5).

Строим сетку диаграммы: по оси абсцисс откладываем содер­ жание N2, по оси ординат — энтальпию в кДж/кмоль (рио. 7.12).

Далее наносим энтальпии чистых газообразных Na и СН4 (табл. 7.5) на оси ординат для температур 170; 160 и 150 К. Соеди-

Пар Жидкость

няя эти точки прямыми, получаем соответствующие изотермы. Предполагаем, что теплота смешения равна нулю.

Ниже температуры 150 К газообразный метан при 10 кгс/см* не существует. Однако мы экстраполируем энтальпию СН4 и ниже этой температуры, считая, что Д//ДГ в области экстраполяции имеет то же значение, что и выше 150 К. В результате получаем изотермы пара вплоть до 100 К, т. е. до температуры конденсации чистого азота при 10 кгс/см*. На рис. 7.12 показано несколько изо­ терм пара, построенных таким образом, начиная с изотермы 145 К.

Далее, пользуясь равновесными данньши для системы СН4—N2, определяем температуры начала конденсации различных паровых смесей и наносим соответствующие точки на диаграмму /—х. Соединяя найденные точки, получаем линию конденсации.

Изотермы жидкости строятся по тому же принципу, что и для газа. Дело осложняется тем, что часть температур равновесия лежит выше критической температуры азота (126 К), вследствие чего энтальпию жидкого азота при этих температурах снять не представляется возможным. В этом случае можно поступить сле­ дующим образом: вычислить среднюю теплоемкость жидкого азота в интервале, скажем, 110—120 К и считать условно, что и далее, при температурах выше критической, теплоемкость азота в смеси остается такой же. Часть построенных таким образом изотерм жид­ кости на рис. 7.12 показана пунктиром (в области насыщения).

Принятое допущение не может привести к большим ошибкам, так как для изотерм высоких температур (выше 125 К) ошибка смягчается тем, что эти изотермы пересекаются кривой кипения при большом проценте метана, энтальпии которого сняты без всяких допущений. Поэтому отклонение, вызванное неточностью в определении энтальпии азота, влияет незначительно вследствие

Na. Смесь поступает в количестве 1000 м3/ч в парообразном со­ стоянии при раСс = 10 кгс/см® и температуре насыщения. Здесь и далее в этом примере все объемные расходы (в м®/ч) указаны при нормальных условиях.

В результате разделения в колонне получаются газообразные продукты: фракция метана с содержанием 3% Ы2 и фракция азота с содержанием 5% СН4.

Требуется, пользуясь диаграммой / —х, определить: а) коли­ чество получаемых фракций; б) минимальное число флегмы /?мин; в) число ступеней изменения концентрации при коэффициенте из­ бытка флегмы 1,25; г) количество теплоты, передаваемой в дефлег­ маторе колонны; д) количество теплоты, передаваемой в кубе (в случае вывода из кубд колонны метановой фракции в жидком состоянии).

Р е ш е н и е . Используем диаграмму равновесия системы СН4—N2 при 10 кгс/см® в координатах I—х, построенную в пре­ дыдущем примере.

а) Для определения количества получаемой фракции строим на диаграмме вверху (рис. 7.13) прямую линию III—I—II; точка / характеризует исходную смесь (70% Na), точка II — азотную фракцию (95% Na) и точка III — метановую фракцию (3% Na).

Количество получаемой метановой фракции на 1 кмоль ис­ ходной смеси, как следует из уравнения материального баланса

Количество азотной фракции:

=* 1000 — 272 = 728 м*/ч.

б) Определяем RMmi. Точка М представляет собой состояние исходной смеси, поступающей на разделение. Она должна лежать на главной прямой, соединяющей полюсы укрепляющей и исчер­ пывающей части колонны. Для определения наинизшего положе­ ния полюса колонны укрепления я у, соответствующего 7?MOTf, необходимо совместить главную прямую с изотермой, проходящей через точку М (линия МО). Продолжая эту линию до пересече­ ния с вертикалями, проведенными из значений концентраций получаемых фракций, найдем полюсы пу и л;ш соответствующие

^?мин-

Отношение отрезков:

Рис. 7.13 (к примеру 7.14/,

По условию, действительное число флегмы:

R = 1,25/?мин = 1,25-0,518 = 0,647.

Определим положение действительного полюса п'у, соответствующего числу флегмы R = 0,647.

Для этого из соотношения

ММ' R О'К' “ Я + 1