2-kr5
.pdf
Раздел 5
Задача №1
В ректификационной колонне непрерывного действия разделяется бинарная смесь
Ацетон-Бензол. |
Концентрация |
легколетучего |
компонента |
в |
исходной |
смеси |
|||||
(питании) xF 0, 40 , |
в дистилляте |
xD 0,92 , в кубовом остатке |
xW 0,12 . |
Расход |
|||||||
|
|
|
|
избытка флегмы 1, 7 . |
|
||||||
питания G |
F 9, 0 т/ч. |
Коэффициент |
Давление в колонне |
||||||||
атмосферное. |
Греющий |
пар |
в |
кубе колонны имеет избыточное давление |
|||||||
Pг.п.изб. 1, 2 атм. |
Степень |
сухости |
пара x=97%. |
Начальная |
температура |
воды, |
|||||
поступающей в дефлегматор 15 ºС, конечная температура воды 25 ºС. Коэффициент теплопередачи в дефлегматоре
К=850 Вт .
м2 К
Определить:
расход дистиллята
расход греющего пара
расход воды в дефлегматоре
поверхность теплопередачи дефлегматора.
Написать уравнение рабочей линии для верхней части колонны.
Решение
Температуры кипения компонентов при атмосферном давлении[1, табл. А9,стр.96]:
ацетон – 56 ºС
бензол - 80.2 ºС
Так как температура кипения ацетона меньше температуры кипения бензола, ацетон является легколетучим компонентом.
Молярные массы компонентов [1, табл. А9,стр.96]:
легколетучего - МА = 58,08 кг/кмоль
тяжелолетучего - МВ = 78,11 кг/кмоль Пересчитаем массовые концентрации потоков в мольные:
|
|
х |
|
|
|
x M A |
|
|
|||
|
|
x M |
A |
(1 x ) M |
B |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
0.40 |
58.08 |
|
|
|
|
|||||
хF |
|
|
|
|
|
|
|
0.473(мол) |
|||
0.4058.08 (1 0.40) |
78.11 |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||
2
|
0.92 |
58.08 |
|
|
|
||
хD |
|
|
|
|
|
|
0.939(мол) |
|
0.9258.08 (1 0.92) |
|
|||||
|
|
|
78.11 |
||||
|
0.12 |
58.08 |
|
|
|
||
хW |
|
|
|
|
|
0.155(мол) |
|
0.1258.08 (1 0.12) |
|
|
|||||
|
|
|
78.11 |
||||
Определим расход дистиллята из уравнений материального баланса:
GF GD GW
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
G |
F xF GD xD GW xW |
|
||||||||||
Тогда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
x |
x |
|
9 1000 |
|
0.4 0.12 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
GD GF |
F |
|
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.875 кг/с |
|||||
xD xW |
|
|
|
0.92 0.12 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
3600 |
|
|
||||||||||
Определим флегмовое число. Для расчета минимального флегмового числа необходимо
определить состав пара y* |
x |
F |
. Используя данные |
F |
|
|
таблицы [1, табл.А13, стр.101]. Данные по равновесию представлены в виде зависимости
между |
мольными концентрациями. Определение |
y* |
при |
x |
0.473 |
выполняется |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
F |
|
|
линейной интерполяцией равновесных составов фаз. y* |
= 0,646 (мол.) |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
Минимальное флегмовое число: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
x |
y* |
|
0.939 0.646 |
1.69 |
|
|
|
|||
|
|
R |
D |
F |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
y* |
x |
0.646 0.473 |
|
|
|
|||||||
|
|
min |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
F |
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рабочее флегмовое число: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
R Rmin |
1.7 1.69 2.88 , |
|
|
|
|
||||||
где |
– коэффициент избытка флегмы; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Rmin – минимальное флегмовое число |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Расход воды в дефлегматоре определяется по формуле: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
QD GBcB tвк tвн , |
|
|
|
|
|
|
||||
где |
QD |
- расход теплоты, |
выделяющейся при конденсации |
паров |
дистиллята в |
|||||||||
|
дефлегматоре, Вт; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
GB |
- расход воды в дефлегматоре, кг/с; |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
cB = 4190 – теплоемкость воды, Дж/(кг*К); |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
tвк , |
tвн - конечная, начальная температуры воды. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Тепловая нагрузка дефлегматора:
QD GD R 1 rD ,
где rD - удельная теплота конденсации паров дистиллята, Дж/кг.
Определим удельная теплота конденсации паров дистиллята по формуле: rD xD rA (1 xD ) rB ,
где rA , rВ – удельные теплоты конденсации легколетучего и тяжелолетучего компонентов соответственно, Дж/кг.
Температура конденсации паров дистиллята tD = 57.7 ºC при хD 0.939(мол) [1, табл.А13,
стр.101].
Удельные теплоты конденсации легколетучего и тяжелолетучего компонентов при tD = 57.7 ºC:
rA 521,5 кДж/кг, rB 410,1 кДж/кг
rD 0.92 521.5 (1 0.92) 410.1 512.6 кДж/кг
QD 0.875 2.88 1 512.6 1740 кВт
GB |
|
|
1740 |
41.5 |
кг/с |
|
|
||||
|
(25 15) |
||||
|
4.19 |
|
|
||
Поверхность теплопередачи дефлегматора определим по формуле:
F |
Q |
, |
|
||
K tср |
где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К);
tср – средняя движущая сила теплопередачи, К.
Температурная схема процесса теплообмена:
4
t1 57.7 15 42.7C
t2 57.7 25 32.7C
Средняя движущая сила теплопередачи:
t |
|
|
t1 |
t2 |
|
42.7 32.7 |
37.5 C |
||||
ср |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
t |
|
|
|
42.7 |
|||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
ln |
|
1 |
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
t2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
32.7 |
|||
F1740 103 54.6 м2 850 37.5
Уравнение рабочей линии для верхней части колонны:
y |
R |
|
|
x |
|
xD |
, |
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
1 |
|
R 1 |
|
|
|||||
где y, x – концентрации легколетучего |
|
компонента |
в паре и |
жидкости, |
|||||||
кмольА/кмоль(А+В); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя флегмовое число R и концентрацию дистиллята |
в уравнение |
xD можно |
|||||||||
записать: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
2.88 |
|
|
x |
|
0.939 |
|
|
|
||
|
2.88 1 |
|
2.88 1 |
|
|
||||||
Уравнение рабочей линии для верхней части колонны, соответствующее параметрам данной задачи имеет вид:
y 0.742 x 0.242
Расход греющего пара рассчитываем по уравнению:
Gгр.п Qкуб ,
rгр.п x
где rгр.п - удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.
5
x - степень сухости греющего пара.
Тепловая нагрузка куба-испарителя куб Q рассчитывается из уравнения:
Qкуб QD
Давление пара: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Pг.п = 1+Рг.п.изб = 1+1,2=2,2 кгс/см2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
r |
2207.3 кДж/кг при Pг.п=2,2 кгс/см2 |
|
|
|
|
||||||
гр.п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Gгр.п |
|
1740 |
0.812 |
кг/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
2207.3 0.97 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
0.812 кг/с; |
G 41.5 кг/с; |
F 54.6 м2; |
y 0.742 x 0.242 |
||||
Ответ. G |
0.875 |
кг/с; G |
|||||||||
|
|
D |
гр.п |
|
|
|
B |
|
|
|
|
Задача №2
В ректификационной колонне непрерывного действия разделяется бинарная смесь
Ацетон-Бензол. |
|
Расход смеси GF 58 кмоль/ч. |
Концентрация |
легколетучего |
компонента в |
исходной смеси (питании) |
xF 0, 40 (мол.), |
в дистилляте |
|
xD 0,92 (мол.), |
в |
кубовом остатке xW 0,12 (мол). |
Коэффициент избытка флегмы |
|
2.5 . Давление в колонне атмосферное. Температура воды на входе в дефлегматор
ина выходе из него tн=15 ºС и tк =43 ºС. Коэффициент теплопередачи в дефлегматоре
К=850 Вт .
м2 К
Определить:
расход дистиллята;
расход кубового остатка;
поверхность теплопередачи дефлегматора;
расход воды в дефлегматоре.
Дать уравнение рабочей линии для нижней части колонны.
Решение
Температуры кипения компонентов при атмосферном давлении[1, табл.А9,стр.96]:
ацетон – 56 ºС
бензол - 80.2 ºС
Так как температура кипения ацетона меньше температуры кипения бензола, ацетон является легколетучим компонентом.
Молярные массы компонентов [1, табл.А9,стр.96]:
легколетучего - МА = 58,08 кг/кмоль
тяжелолетучего - МВ = 78,11 кг/кмоль Пересчитаем мольные концентрации потоков в массовые:
6
х x M A ,
Mсм
где Mсм - молярная масса смеси, кг/кмоль.
Mсм M А xA MB (1 xA )
MсмF 70.1 кг/кмоль
MсмD 59.68 кг/кмоль
MсмW 75.71 кг/кмоль
0.4 58.08
хF 0.331(масс.) 70.1
0.92 58.08
хD 0.895 (масс.) 59.68
0.12 58.08
хW 0.092 (масс.) 75.71
Пересчитаем мольный расход питания в массовый:
GF GF MсмF 360058 70.1 1.13 кг/с
Массовый расход дистиллята:
|
|
|
|
|
|
xF |
xW |
1.13 |
0.331 0.092 |
0.337 кг/с |
|
G |
G |
||||||||||
|
x |
0.895 0.092 |
|||||||||
|
D |
F |
|
x |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
D |
W |
|
|
|
|
Массовый расход кубового остатка:
|
|
|
|
|
|
xD |
xF |
1.13 |
0.895 0.331 |
0.793 кг/с |
||
G |
G |
|||||||||||
|
x |
0.895 0.092 |
|
|||||||||
|
W |
F |
|
x |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
D |
W |
|
|
|
|
|
Для расчета минимального флегмового числа необходимо определить состав пара yF* 
равновесного с жидкостью состава xF . Используя данные таблицы [1, табл.А13, стр.101].
Данные по равновесию представлены в виде зависимости между мольными концентрациями. Определение yF* при xF 0.4 выполняется линейной интерполяцией равновесных составов фаз. yF* = 0,594 (мол.)
Минимальное флегмовое число:
|
|
x |
y* |
|
0.92 0.594 |
1.68 |
|
R |
D |
F |
|
||||
y* |
x |
0.594 0.4 |
|||||
min |
|
|
|
||||
|
|
F |
F |
|
|
|
Рабочее флегмовое число:
R Rmin 2.51.68 4.2 ,
где – коэффициент избытка флегмы;
7
Rmin – минимальное флегмовое число Тепловая нагрузка дефлегматора:
QD GD R 1 rD ,
где rD - удельная теплота конденсации паров дистиллята, Дж/кг.
Определим удельная теплота конденсации паров дистиллята по формуле: rD xD rA (1 xD ) rB ,
где rA , rВ – удельные теплоты конденсации легколетучего и тяжелолетучего компонентов соответственно, Дж/кг.
Температура конденсации паров дистиллята tD = 58,3 ºC при хD 0.92(мол) [1, табл.А13,
стр.101].
Удельные теплоты конденсации легколетучего и тяжелолетучего компонентов при tD = 58.3 ºC:
rA 521,02 кДж/кг, rB 409,66 кДж/кг [1, табл.А10, стр.97]
rD 0.895 521.02 (1 0.895) 409.66 509.36 кДж/кг
QD 0.337 4.2 1 509.36 891.57 кВт
Расход воды в дефлегматоре определяется по формуле:
|
|
GB |
|
|
QD |
|
, |
|
|
|
cB |
tвк tвн |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
где |
GB - расход воды в дефлегматоре, кг/с; |
|
|
|
||||
|
cB = 4190 – теплоемкость воды, Дж/(кг*К); |
|
|
|
||||
tвк , tвн |
- конечная, начальная температуры воды |
|
|
|
||||
|
GB |
|
891.57 |
7.6 |
кг/с |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
4.19 (43 |
15) |
||||||
|
|
|
|
|
||||
Поверхность теплопередачи дефлегматора определим по формуле:
F |
Q |
, |
|
||
K tср |
где Q – тепловая нагрузка дефлегматора, Вт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К);
tср – средняя движущая сила теплопередачи, К.
Температурная схема процесса теплообмена:
8
t1 58.3 15 43.3C
t2 58.3 43 15.3C
Средняя движущая сила теплопередачи:
t |
|
|
t1 |
t2 |
|
43.3 15.3 |
||||
|
ср |
|
|
|
t |
|
|
|
43.3 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
ln |
|
1 |
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
t2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
15.3 |
||
F |
891.57 103 |
39 |
|
850 26.9 |
|||
|
|
26.9 C
м2
Уравнение нижней рабочей линии для нижней части колонны:
y |
R F |
x |
(F 1) xW |
, |
R 1 |
|
|||
|
|
R 1 |
||
где F – число питания.
F |
xD xW |
|
0.92 0.12 |
2.86 |
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
x |
x |
|
|
0.4 0.12 |
|||
|
|
F |
|
W |
|
|
|
|
|
y |
4.2 |
2.86 |
x |
(2.86 1) 0.12 |
|||||
|
|
|
|
|
|||||
|
4.2 |
1 |
|
|
|
4.2 1 |
|||
Тогда уравнение нижней рабочей линии для нижней части колонны: y 1.358 x 0.0429
Ответ. GD 0.337 кг/с; GW 0.793 кг/с; F 39 м2; GB 7.6 кг/с; y 1.358 x 0.0429
9
Задача №3
В ректификационной колонне непрерывного действия разделяется бинарная смесь Ацетон-Бензол. Расход дистиллята GD 2.5 кг/с, расход кубового остатка
GW 2.8 кг/с. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте xD 0,92 (мол.), в кубовом остатке xW 0,12 (мол). Давление в колонне атмосферное. Греющий пар имеет избыточное давление Pг.п.изб. 1, 2 атм. Степень сухости пара x=1. Коэффициент
теплопередачи в кубе-испарителе К=850 Вт .
м2 К
Определить:
расход питания;
состав питания;
расход греющего пара в кубе-испарителе;
поверхность теплопередачи куба-испарителя.
Дать уравнение рабочей линии для нижней части колонны.
При расчете рабочего флегмового числа следует использовать уравнение
R=1,3Rmin+0,3.
Решение
Температуры кипения компонентов при атмосферном давлении[1, табл.А9,стр.96]:
ацетон – 56 ºС
бензол - 80.2 ºС
Так как температура кипения ацетона меньше температуры кипения бензола, ацетон является легколетучим компонентом.
Молярные массы компонентов [1, табл. А9,стр.96]:
легколетучего - МА = 58,08 кг/кмоль
тяжелолетучего - МВ = 78,11 кг/кмоль Пересчитаем мольные концентрации потоков в массовые:
х x M A ,
Mсм
где Mсм - молярная масса смеси, кг/кмоль.
Mсм M А xA MB (1 xA )
MсмD 59.68 кг/кмоль
MсмW 75.71 кг/кмоль
0.92 58.08
хD 0.895 (масс.) 59.68
10
хW 0.12 58.08 0.092 (масс.) 75.71
Массовый расход питания:
GF GD GW 2.5 2.8 5.3 кг/с
Из уравнения материального баланса определим концентрацию питания:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
х |
G |
D xD |
GW xD |
|
2.5 0.895 2.8 0.092 |
0.471 (масс.) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
F |
GF |
|
|
5.3 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Пересчитаем массовую концентрацию в мольную: |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
х |
|
|
|
x M A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x M |
A |
(1 x ) M |
B |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
0.47158.08 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
хF |
|
|
|
|
|
|
|
0.545(мол) |
|||||||||
|
|
0.47158.08 (1 0.471) |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
78.11 |
|
|
||||||||||||
Для расчета минимального флегмового числа необходимо определить состав пара yF* 
равновесного с жидкостью состава xF используя данные таблицы [1, табл. А13, стр.101].
Данные по равновесию представлены в виде зависимости между мольными
концентрациями. Определение |
y* |
при |
x |
0.545 выполняется линейной интерполяцией |
|||
|
|
F |
|
F |
|
|
|
равновесных составов фаз. y* = 0,694 (мол.) |
|
||||||
F |
|
|
|
|
|
|
|
Минимальное флегмовое число: |
|
|
|
|
|
||
|
|
x |
y* |
|
0.92 0.694 |
1.515 |
|
R |
D |
F |
|
||||
y* |
x |
0.694 0.545 |
|||||
min |
|
|
|
||||
|
|
F |
F |
|
|
|
|
Рабочее флегмовое число:
R 1.3 Rmin 0.3 1.3 1.515 0.3 2.27 ,
Тепловая нагрузка дефлегматора:
QD GD R 1 rD ,
где rD - удельная теплота конденсации паров дистиллята, Дж/кг.
Определим удельная теплота конденсации паров дистиллята по формуле: rD xD rA (1 xD ) rB ,
где rA , rВ – удельные теплоты конденсации легколетучего и тяжелолетучего компонентов соответственно, Дж/кг.
11