Добавил:
Студия потом доделаем , наш девиз : Работа не волк, в лес не убежит) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Расчет средних величин

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
16.06.2019
Размер:
179.87 Кб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

___________________________________________

кафедра процессов и аппаратов

А.И. Волжинский, О.М. Флисюк

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ПОТОКОВ ПАРА И ЖИДКОСТИ

Методические указания к курсовому проектированию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2002

УДК 66.023

Волжинский А.И., Флисюк О.М. Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости: метод. указания СПб., СПб ГТИ (ТУ), 2002.-10с.

Рассмотрены вопросы расчета средних значений теплофизических свойств жидких и паровых смесей, а также потоков пара и жидкости в секциях ректификационной колонны. Даны расчетные формулы и концентрации к ним.

Предназначены для студентов химико-технологических специальностей и соответствуют рабочей программе по дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии”.

Ил. 2, табл.6, библиогр. 7 назв.

Рецензент: Н.А. Марцулевич, доктор техн. наук, профессор кафедры теоретических основ химического машиностроения СПб ГТИ

Утверждены на заседании учебно-методической

комиссии

общеинженерного отделения 4.03.02.

 

Рекомендованы к изданию РИСо СПб ГТИ (ТУ)

ВВЕДЕНИЕ

Расчет ректификационной колонны начинают с определения средних значений температур теплофизических свойств жидкости и пара, а также их расходов. Этот этап предшествует гидравлическому расчету колонны. Жидкостные и паровые потоки являются смесями компонентов, свойства которых рассчитываются на основе свойств чистых веществ в зависимости от состава и температуры потока. В данные методических указаниях в краткой форме представлена сводка основных формул для расчета различных свойств.

Определение средних физических величин потоков пара и жидкости

Для определения основных размеров колонны (аппарата), расходов греющего пара и воды требуется найти средние мольные, массовые составы, мольные, массовые и объемные расходы по жидкости и пару, а также некоторые физические величины.

Для простой полной колонны, обогреваемой глухим паром (горячей водой) или острым паром, средние составы и расходы по жидкости и пару, а также физические величины определяют отдельно для верхней и нижней частей

колонны.

 

а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

 

- мольные составы хАв и хАн определяют как среднеарифметические:

 

 

 

хАв=(хFD)/2 ,

(1)

 

 

хАн=(хFW)/2 ,

(2)

где А - легколетучий компонент;

 

- массовые составы

х

Ав и

х

Ан определяют по уравнению

 

хАiАхАiхi,* где Мхi - мольная масса смеси;

-мольные массы Мхв, Мхн определяют по формуле:

МхiАхАi+ МВ (1-хАi) ,

(3)

где МАВ - мольные массы исходных веществ, кг/кмоль;

-средние температуры tхв, tхн определяют по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях хАв и хАн;

-плотности хв, хн определяют по уравнению:

1

 

x

Ai

 

x

Bi

,

(4)

 

Ai

Bi

xi

 

 

 

где Ai, Bi - плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах, кг/м3;

- динамические коэффициенты вязкости хв, хн рассчитывают по уравнению:

 

 

 

 

4

 

 

 

lg хi= xAilg Аi+xBi lg Вi;

(5)

- коэффициенты диффузии D хв, D хн рассчитывают по приближенной

формуле [1, с.289; 2, с.262]:

 

 

 

 

 

 

 

Dхi= D20,i[1+bi(txi-20)],

(6)

где D20,i - коэффициент диффузии бинарной смеси при t=20oC, м2/с.

 

Температурный коэффициент bi

в уравнении (6) может быть определен по

эмпирической формуле:

 

 

 

 

 

 

 

bi 0,2

 

 

xi

 

,

(7)

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

xi

 

 

 

 

 

 

Примечание- * В этой и последующих формулах индекс i относится либо к верхней, либо к нижней частям колонны.

где xi - динамический коэффициент вязкости жидкости при t=20oC, мПа с; xi - плотность жидкости при t=20oC, кг/м3.

Коэффициент диффузии D20,i рассчитывают по приближенной формуле

[1, с.289; 2, с.261]:

D

 

 

 

1 10 6

1

 

1

,

(8)

20,i

 

 

 

 

 

 

 

 

AB xi (v1A/ 3 v1B/ 3 )2

 

MA

 

MB

 

где xi - динамический коэффициент вязкости жидкости при t=20oC, мПа с; МА и МВ- мольные массы исходных веществ, кг/кмоль; vA, vВ - мольные объемы растворенного вещества и растворителя, см3/моль; А и В - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя.

Значения коэффициентов А и В, а также атомные объемы приведены в Приложении.

- поверхностные натяжения в, н определяют по уравнению:

1

 

xAi

 

xBi

,

(9)

i

Ai

Bi

 

 

 

 

где Аi, Вi - поверхностные натяжения исходных веществ при соответствующих температурах, Н/м.

Для органических веществ значения Аi, Вi, как правило, близки и величины i могут быть определены как среднеарифметические.

- удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята определяют по аддитивным формулам :

cF

x

AFcAF

x

Fc F ,

(10)

cW

x

AW cAW

x

W c W ,

(11)

cD

x

AD cAD

x

Dc D .

(12)

- мольные расходы L, Lрассчитывают по уравнениям:

 

L=GDR,

(13)

L= GDR+GF,

(14)

5

где GD, GF -мольные расходы питания и дистиллята, кмоль/с; R - флегмовое число.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- массовые расходы Lхв , Lхн рассчитывают по уравнениям:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

DRMхв

,

 

 

 

 

(15)

 

 

 

L

хв

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DRMхн

 

 

 

FMхн

,

 

 

 

 

 

 

G

G

(16)

 

 

L

хн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MD

MF

 

где GF ,GD - массовые расходы питания и дистиллята, кг/с;

- объемные расходы V, V(в м3/с) рассчитывают по соотношению [1,

с.354; 2, с.318]:

Vxi Lxi / xi .

 

 

 

 

 

 

(17)

- удельные энтальпии смесей it (в кДж/кг) при данной температуре t

определяют по аддитивной формуле:

 

 

 

 

 

 

 

it iA

x

A iB

x

B

[cA

x

A

cB (1

x

A )]t,

(18)

где сА, сВ - удельные теплоемкости исходных веществ при данной температуре t, кДж/(кг К); t - температура, оС;

-

удельная теплопроводность смесей определяется по

 

соотношению:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

1 2

x

2 0,72( 2

1)

x

1

x

2

 

 

 

 

(19)

 

при 2> 1,

 

 

 

 

 

x

1 ,

x

 

 

где 2,

1- теплопроводность исходных веществ,

Вт/(м·К);

2 -

массовые

доли исходных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны:

 

-мольные составы уАв, уАн определяют по уравнениям рабочих линий при подстановке в них соответственно хАв, хАн;

-мольные массы Мув, Мун определяют по уравнению (3) при соответствующих значениях уАв, уАн;

-массовые составы yA в, yA н определяют по уравнению [1, с.283; 2,

с.257]:

y

A i=MAyAi/Myi;

(20)

-средние температуры t, tопределяют по диаграмме t-х,у при соответствующих значениях уАв, уАн;

-плотности ув, ун рассчитывают по уравнению [1, с. 13; 2, с.5]:

уi=yAi Ai+yBi Bi ,

(21)

где Аi, Вi - плотности паров веществ А и В при соответствующих температурах, кг/м3;

- плотности Аi , Bi, а также и плотности смесей определяют по уравнению Клапейрона:

 

 

 

 

Top

 

Mi

 

273p

,

(22)

 

 

 

22,4

 

 

i

 

0 Tp

0

 

 

Tp

0

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

i

 

 

6

где 0 - плотность пара при нормальных условиях (Т0=273 К, р0= 760 мм рт. ст.), кг/м3; Тi - средняя температура пара, К; р - среднее давление в колонне, мм рт. ст.;

- динамические коэффициенты вязкости ув, ун рассчитывают по приближенной формуле [1, с.15; 2, с.6]:

Myi

 

y

M

A

 

y

M

B

(23)

 

Ai

 

Bi

 

i

Ai

 

Bi

 

 

 

 

 

 

- коэффициенты диффузии Dув, Dун рассчитывают по приближенной формуле [1, с.288; 2, с.260]:

 

4,3 10

7 T3/2

1

1

 

 

Dyi

 

 

i

 

 

 

 

,

(24)

p(v1A/3

v1B/3 )2

 

MA

MB

где Тi- средняя температура пара, К; р - среднее давление в колонне, ат; остальные обозначения см. для уравнения (8);

- удельная теплота конденсации паров дистиллята рассчитывается по аддитивной формуле:

rD

y

DrA (1

y

D )rB ,

(25)

где rA, rB - удельные теплоты конденсации паров веществ А и В при температуре дистиллята tD, кДж/кг; yD - массовая доля легколетучего компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора yD xD );

- удельная энтальпия паровой фазы определяется по аддитивной формуле:

It IA

 

A IB

 

B [cA

 

A cB(1

yA)]t rA

 

A rB(1

 

A),

(26)

y

y

y

y

y

где IA, IB - удельные энтальпии паров чистых компонентов А и В при заданной температуре t, кДж/кг; t – температура, 0С.

- мольный расход пара, который принимается постоянным по высоте колонны, определяют по уравнению (в кмоль/с):

Gyi

 

GD (R 1)

,

(27)

 

 

 

MD

 

где GD - массовый расход дистиллята, кг/с;

- массовые расходы Gy в, Gy н определяют по уравнению:

 

 

 

GD (R 1)Myi

.

(28)

G

yi

 

 

 

 

MD

 

- объемные расходы пара V,V(в м3/с) рассчитывают по соотношению

[1, с.353; 2, с.317]:

V

 

 

GD (R 1) 22,4Tip0

,

(29)

 

 

 

 

 

 

yi

 

 

 

 

 

 

MDT0p

 

или по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yi

,

 

V

 

G

(30)

yi

 

 

 

 

 

 

см,i

 

 

 

 

 

 

 

 

7

где см,i - плотность смеси паров компонентов, кг/м3.

ЛИТЕРАТУРА

1.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-ое изд. Л:Химия, 1987.576 с.

2.Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи)/П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина. СПб:Химия, 1993.496 с.

8

Приложение 1

 

Атомный объем, см3/атом

 

Мольный

 

 

объем,

 

 

 

 

см3/моль

 

B

 

27,0

I

37,0

 

C

 

14,8

H2

14,3

 

CI

 

24,6

O2

25,6

 

H

 

3,7

N2

31,2

 

N в первичных аминах

 

10,5

Воздух

29,9

 

 

 

 

 

 

N во вторичных аминах

12,0

CO

30,7

 

N с двумя насыщенными

15,6

CO2

34,0

 

связями

 

 

 

 

 

 

 

SO2

44,8

 

О с двумя насыщенными

7,4

NO

23,6

 

связями

 

 

N2O

36,4

 

О в альдегидах и кетонах

7,4

NH3

25,8

 

О в сложных эфирах

 

9,1

H2O

18,9

 

О в простых эфирах

 

9,9

H2S

32,9

 

О в высших простых и

 

11,0

COS

51,5

 

сложных эфирах

 

 

Cl2

48,4

 

О в кислотах

 

12,0

Br2

53,2

 

О в соединениях с S, P, N

8,3

I2

71,5

 

S

 

25,6

 

 

 

Структурные постоянные

 

Бензольное кольцо

– 15

 

 

 

Нафталиновое кольцо

– 30

 

 

 

Антраценовое кольцо

– 47,5

 

 

 

При расчете мольного объема химического соединения величину соответствующей структурной постоянной надо прибавить к сумме атомных объемов.

9

Приложение 2

Значения коэффициентов А и В для расчетов коэффициента диффузии в бинарных смесях.

Смесь

А

В

ацетон –бензол

1,15

1

ацетон –вода

 

 

ацетон – 1,2-дихлорэтан

 

 

ацетон -метиловый спирт

1

2,0

aцетон - четыреххлористый

1,15

1

углерод

 

 

ацетон-уксусная кислота

1,15

1,27

ацетонхлорбензол

1.15

1

гексан - гептан

1

1

ацетон - этиловый спирт

1

2,0

бензол - толуол

1

1

бензол – уксусная кислота

1

1,27

вода - уксусная кислота

4,7

1,27

изопропиловый спирт - толуол

2

1

метиловый спирт - вода

1,19

4,7

метиловый спирт -этиловый спирт

2

2

пропиловый спирт-вода

 

 

сероуглерод - ацетон

 

 

сероуглерод - четыреххлористый

 

 

углерод

 

 

толуол – уксусная кислота

 

 

хлороформ - бензол

1

1

хлороформ –1,2-дихлорэтан

1

1

хлороформ - метиловый спирт

 

 

хлороформ - четыреххлористый

1

1

углерод

 

 

четыреххлористый углерод-бензол

1

1

четыреххлористый углерод –

1

2,0

этиловый спирт

 

 

этиловый спирт - вода

1,24

4,7

этиловый спирт - бензол

2

1

10

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………... 3

Определение средних физических величин потоков пара и жидкости……….. 3

Литература ………………………………………………………………. 7 Приложения ………………………………………………………………………. 7

Соседние файлы в предмете Процессы и аппараты химической технологии