
книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1
.pdfнаходим величину отрезка О'К'
О’К' = М М ’ /? + 1 |
_ |
(0.95 - 0.7) 1,647 |
0,637, |
R |
~ |
0,647 |
|
а затем абсциссу точки О':
0,95 — 0,637 = 0,313.
Проведя прямую через точки М и О' до пересечения ее с верти калями, абсциссы которых xDи xw, получим главную прямую для Я = 0,647. Точки пересечения главной прямой с вертикалями — действительные полюсы п у‘ и п'„.
в) Далее определяем графическим путем число ступеней изме нения концентрации. Для этого находим состав жидкости, равно весный с паром, содержащим 95% N2 (точка N). Это будет точка /, соединенная с точкой N изотермой. Далее проводим луч 1 — Яу. Пересечение этого луча с кривой пара дает точку 2. Из точки 2 повторяем построение. Получив точку 5 на кривой жидкости левее главной прямой, дальнейшее построение ведем с помощью ниж него полюса Ян. Число таких переходов дает число ступеней изме нения концентрации. В результате получаем: в укрепляющей части (выше питания) две ступени (несколько больше); в исчерпывающей части (ниже питания) четыре ступени (несколько меньше).
г) Количество теплоты, отводимой в дефлегматоре, определяется разницей энтальпий в точках Яу и N, т. е.
9Д = 12 230 — 7330 = 4900 кДж/кмоль.
Так как при разделении получается 728 м*/ч азотной фракции,
то общее количество |
теплоты, передаваемое в дефлегматоре: |
<?Д = 4900 - g - = |
159 000 кДж/ч = — щ 0 ‘ "- =rf4 200 Вт. |
д) Количество теплоты, передаваемой в кубе колонны, qK при отводе фракции метана в газообразном состоянии определяется разницей энтальпий в точках Р и Яи. При отводе метановой фрак ции в жидком виде отсутствует затрата теплоты на испарение фракции; в этом случае теплота qK определяется разницей энталь пий в точках L и Яи, что составляет 5150 кДж на 1 кмоль метано вой фракции.
Общее количество теплоты, передаваемой в кубе колонны:
5150-103 272 _ 17300 Вт.
3600 22,4.
Пример 7.15. Определить высоту и диаметр верхней (укреп ляющей) части насадочной ректификационной колонны для раз деления смеси метиловый спирт — вода под атмосферным давле нием.
В колонну подается 1550 кг/ч исходной смеси, состоящей из 40% спирта и 60% воды. Концентрация дистиллята 97,5% спирта. В кубовом остатке содержится 2% спирта (проценты мольные).
Отрезок, отсекаемый рабочей линией верхней части колонны
на оси ординат при R = |
1,77: |
|
|
хр |
0,8 |
= 0,289. |
|
Я + |
1,77 + |
||
|
Наносим рабочие линии на диаграмму — рис. 7.15 (на рисунке точка Ху? на оси абсцисс нанесена не з масштабе). Находим относи тельные мольные расходы:
р |
x p + R x w |
|
8 0 |
+ 1,77-0,1 |
= |
3,21; |
|
|
XF— XW |
|
|
25 — 0,1 |
|
|
|
w |
x p + |
RXF |
= |
8 0 |
+ 1,77-25 = |
4 9g. |
|
3 |
XF — xjp |
|
|
24,9 |
|
’ ’ |
|
|
V = |
+ 1 = |
1 77 + 1 = 2,77. |
||||
Проверка материального |
баланса: |
|
|
||||
|
|
F + |
V = 1 + w-, |
|
|
||
|
3,21 + |
2,77 = |
1 + 4,98. |
|
|
Расход подаваемого в колонну острого пара следует проверить по уравнению теплового баланса колонны, которое имеет следую щий вид:
^v'n + GF CF I F — + G'Dcn tD + G'wcwtw + Qn0T.
Здесь Gv, OF , Op, GW —массовые расходы пара, исходной смеси, дистил лята, кубового остатка, кг/с; G’w — G'v -\- G'F — G'D\ cFf cDt cv — соответст
вующие удельные теплоемкости, |
Дж/(кг-К); tp, tp, tw — температуры, |
CC; |
in— удельная энтальпия пара, Дж/кг; Qa —расход теплоты,^_дтдаваемой |
ох |
|
лаждающей воде в дефлегматоре, |
Вт [уравнение (7.15)], QUOT—тепловые |
по |
тери в окружающую среду, Вт. |
|
|
Пример 7.17. Определить число тарелок ректификационной колонны, необходимое для разделения смеси метиловый спирт— вода под атмосферным давлением. Содержание метилового спирта
в питании хр |
= 0 ,3 , в дистилляте хр = |
0,9, в кубовом остатке |
хуг = 0,05 (мольные доли). Флегмовое число R = 2. Зависимость |
||
коэффициента |
обогащения т) от состава |
жидкости приведена |
втабл. 7.6.
Ре ш е н и е . Для определения числа тарелок используем метод кинетической кривой, позволяющей учесть зависимость коэффициента обогащения от состава- [1].
По данным табл. XLVII строим для смеси метиловый спирт— вода кривую равновесия в координатах у— х (рис. 7.16). Наносим на диаграмму рабочие линии (порядок их определения — см. пример 7.10): у = 0,67х -+ 0,3 и у = 1,8х — 0,04.
Для построения кинетической кривой — линии, координаты точек которой (у их) представляют собой составы пара и жидкости, покидающих тарелки, необходимо:
а) наметить на рабочих линиях ряд точек Л „ Л2, ..., Л*, отве чающих нескольким сечениям колонны;
б) определить в выбранных сечениях предельное изменение состава пара у* — у, изображаемое отрезками Л,В,;
в) определить по соотношению (7.21) действительное изменение состава пара Ау в выбранных сечениях колонны, т. е. найти от резки A fii.
nAiBti
г) занести на диаграмму отрезки ЛгС| и соединить точки С{
плавной линией — кинетической кривой. |
|
|
отразить |
|||||||
Этапы |
построения кинетической |
кривой следует |
||||||||
в таблице |
7.6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
7.6 |
|
л |
0,05 |
0,10 |
0 20 |
0,30 |
0,40 |
0,50 |
0,60 |
0,70 |
0,80 |
0,90 |
П |
0.40 |
0,43 |
0,48 |
0,53 |
0,55 |
0,53 |
0,52 |
0,51 |
0,49 |
0,47 |
У* — У |
0,25 |
0,28 |
0,25 |
0,17 |
0,16 |
0,15 |
0,12 |
0,10 |
0,08 |
0,06 |
ду или п (у* — у) 0,10 |
0,12 |
0,12 |
0,09 |
0,09 |
0,08 |
0,06 |
0,05 |
0,04 |
0,03 |
П р и м е ч а н и е . Вместо значений у* — у и ц (у * —• у) в таблицу можно вносить непосредственно пропорциональные им длины отрезков А^В^, А^С^ в мм; q
Построив ступени между кинетнческои кривой и рабочей линией, определим число ступеней раздельно для верхней и нижней части колонны Число ступеней дает число ра бочих тарелок Получаем число таречок нижней части колонны пд » 4 шт., верхней —*
пв =» 7 шт Тарелка питания — четвертая «при счете снизу).
7.9.В ректификационную колонну непрерывного действия поступает жидкость с 24% (мол.) легколетучего компонента. Кон центрация дистиллята 95% (мол.), концентрация кубового остатка 3% (мол.) легколетучего компонента. В дефлегматор поступает 850 кмоль/ч пара, в колону из дефлегматора поступает 670 кмоль/ч флегмы. Сколько получается кубового остатка?
7.10.Определить аналитически абсциссы точек пересечения рабочих линий ректификационной колонны с диагональю диа граммы у—х и друг с другом.
7.11.В ректификационной колонне непрерывного действия разгоняется смесь этилового спирта и воды. Уравнение рабочей линии нижней части колонны: у = 1,28л:— 0,0143. Определить мас совый процент спирта в кубовом остатке. Колонна обогревается глухим паром.
7.12.Колонна непрерывного действия перерабатывает смесь бензола и хлороформа. При ректификации получается дистиллят, содержащий 95% (масс.) легколетучего компонента. Питающая жидкость содержит 40% этого компонента. Найти тангенс угла наклона рабочей линии верхней части колонны, если известно, что рабочее число флегмы в 2 раза больше минимального. Данные
оравновесных составах см. в табл. XLVII.
7.13.В ректификационной колонне непрерывного действия разгоняется' под атмосферным давлением 340 кмоль/ч смеси вода— уксусная кислота. Ордината точки пересечения рабочих линий
0,48. Уравнение рабочей линии верхней части колонны у = 0,84х+ + 0,15. Количество пара, поступающего в дефлегматор, 550 кмоль/ч. Определить количество кубового остатка (в кг/ч) и массовую концентрацию уксусной кислоты в нем.
7.14. В ректификационную колонну непрерывного действия подается 1000 кмоль/ч смеси, содержащей 30% (мол.) пентана и 70% (мол.) гексана. Верхний продукт содержит 95% (мол.) пен. тана, нижний — 90% (мол.) гексана. Определить количество верх него и нижнего продуктов (в кг/ч), а также количество пара, кон денсирующегося в дефлегматоре, если известно, что тангенс угла наклона рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны равняется 0,75.
7.15.Из ректификационной колонны выходит 1100 кг/ч ди стиллята с содержанием 98,5% (масс.) легколетучего компонента
и3650 кг/ч кубового остатка с содержанием 96,6% (масс.) второго компонента. Число флегмы 2,94. Определить: а) массовый про цент легколетучего компонента в питании колонны; б) количество пара (в кг/ч), поступающего из колонны в дефлегматор.
7.16.На одной из тарелок ректификационной колонны в верх
ней (укрепляющей) ее части кипит смесь азота и кислорода. Кон центрация азота в жидкости, стекающей с тарелки, 50% (мол.). Найти состав жидкости, стекающей сверху на данную тарелку, если одна ступень изменения концентрации соответствует одной тарелке. Число флегмы 2,3. Верхний продукт при
нять за чистый азот. Данные о равновесных составах см. в табл. XLVII.
7 J7 . На одной из тарелок верхней части ректификационной колонны находится жидкость, содержащая 65% (мол.) легколе тучего компонента. Колонна работает при флегмовом числе R —
— 2,5. Дистиллят содержит 98% легколетучего компонента. Определить составы пара, приходящего на указанную тарелку
и уходящего с нее, если коэффициент обогащения тарелки г)0 — = 0,75, смесь следует закону Рауля, коэффициент отнрсительной летучести а — 2,5. Жидкость на тарелке полностью перемеши вается.
7.18. В ректификационной колонне непрерывного действия xD — 90% (мол.), Хр = 30% (мол.), хуг = 3% (мол.), R = 8. Определить состав пара, приходящего на тарелку, где жидкость содержит: а) 75 и б) 15% (мол.)'легколетучего компонента.
7.19. В ректификационной колонне непрерывного действия получается 200 кг/ч уксусной кислоты с концентрацией 70% (мол.) Перерабатывается смесь уксусной кислоты с водой, смесь поступает в колонну при температуре кипения. Содержание уксусной кис лоты в исходной смеси 31% (мол.). С верха колонны отгоняется вода, содержащая 8% (мол.) уксусной кислоты. Давление в ко лонне атмосферное. Определить число ступеней изменения кон центрации при числе флегмы 4. Определить также расход в кубе колонны греющего пара (/?абс = 4 кгс/см2), имеющего влажность 5%. Тепловые потери составляют 4% от полезно затрачиваемой теплоты. Данные о равновесных составах см., в табл. XLVII.
7.20. В ректификационную колонну поступает 5000 кг/ч смеси, состоящей из 29% (масс.) метилового спирта и 71% (масс.) воды. Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны: у — 0,73а- + 0,264. Кубового остатка получается 3800 кг/ч. Опре делить: а) массовый процент метилового спирта в кубовом остатке; б) количество пара (в кг/ч), поступающего из колонны в дефлег матор; в) расход воды в дефлегматоре, если она нагревается в нем на 12 К.
7.21. Уравнения рабочих линий ректификационной колонны для разделения смеси бензола и толуола под атмосферным давле нием: у — 0,723а + 0,263; у = 1,25х — 0,0188. В колонну по дается 75 кмоль/ч смеси при температуре кипения. Греющий пар в кубе колонны имеет избыточное давление 3 кгс/см2. Определить требуемую поверхность нагрева в кубе колонны и расход грею щего пара, имеющего влажность 5%. Коэффициент теплопередачи К = 580 Вт/(м2 К). Тепловыми потерями пренебречь. Темпера туру кипения жидкости в кубе принять как для чистого толуола.
7.22. В ректификационную колонну непрерывного действия подается смесь вода—этиловый спирт, содержащая 10% (масс.) спирта. Определить расход теплоты в кубе колонны и количество отводимой теплоты в дефлегматоре на 1 кг дистиллята, содержа щего 94% (масс.) спирта, если кубовый остаток практически не
содержит спирта. Исходная смесь вводится в колонну при темпе ратуре 70 °С. Укрепляющая часть колонны работает с числом флегмы 4. Тепловыми потерями пренебречь. Обогрев глухим па ром.
7.23.Производительность ректификационной колонны для разделения смеси метиловый спирт — вода составляет 1500 кг/ч дистиллята. Колонна работает под атмосферным давлением. По верхность теплообмена дефлегматора 60 м2, коэффициент тепло передачи в нем 810 Вт/(м2*К). Определить число флегмы и расход охлаждающей воды в дефлегматоре, если она нагревается от 15 до 35 °С.
7.24.Определить требуемую поверхность и расход воды в де флегматоре ректификационной колонны для разделения бензоль-
но-толуольной смеси при следующих условиях; количество верх него продукта 600 кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45 °С; коэффициент тепло передачи 7CQ Вт/(м2-К). Считать верхний продукт за чистый бен зол. Давление в колонне атмосферное.
7.25. Определить необходимое число тарелок в ректификацион ной колонне периодического действия для разгонки смеси хлоро форм — бензол под атмосферным давлением. Исходная смесь со держит 38 % (мол.) хлороформа, дистиллят должен содержать 97%
(мол.), |
кубовый остаток после перегонки — 10% (мол.). Коэффи |
|
циент |
избытка |
флегмы 2. Данные о равновесных составах см. |
в табл. XLVII. |
На одну ступень изменения концентрации при |
ходится 1,4 тарелки.
7.26. В ректификационной колонне непрерывного действия разгоняется 5000 кг/ч смеси метиловый спирт—вода. Массовая концентрация метилового спирта в питании 20%, в верхнем про дукте 90%. Коэффициент избытка флегмы 1,8. Расход воды на де флегматор 40 м3/ч, вода в нем нагревается от 20 до 40 °С. Опреде лить количество метилового спирта, уходящего с кубовым остат ком.
7.27. Для обогрева куба ректификационной колонны, в кото рую подается на разделение 6 т/ч бензольно-толуольной смеси, имеется в распоряжении пар с абсолютным давлением 0,1 МПа. Концентрация исходной смеси 32% бензола. Требуемая концен трация дистиллята 97% бензола, кубового остатка — 95% то луола. Проценты массовые.
Определить: а) массовые расходы получаемого дистиллята и кубового остатка; б) давление в колонне; в) требуемое количество тарелок при числе флегмы 3,1 и при среднем к. п. д. тарелок т] = = 0,71; г) расход греющего пара и расход воды в дефлегматоре при нагреве воды в нем на 15 К. Влажность греющего пара 5%.
Смесь характеризуется законом Рауля. Тепловые потери при нять в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты. Питание по дается в колонну при температуре кипения. Принять разность тем ператур в кубе колонны 10 К.