Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОРЯДОК КОНСТРУКТИВНОГО И ТЕПЛОВОГО РАСЧЁТА АГП

1. ,

Где - теплота, получаемая при сгорании топлива в горелке;

- физическая теплота топлива;

- теплота, поступающая с исходным раствором;

- теплота, уходящая с парогазовой смесью;

- теплота, уходящая с раствором;

- потери в окружающую среду;

- физическая теплота поступающего воздуха.

2. .

3. Расход топлива в погружной газовой горелке: .

4. Расход воздуха для полного сгорания топлива при :

/

5. Количество продуктов сгорания по составляющим:

;

;

Минимальный объём сухих продуктов сгорания:

;

;

Объём водяных паров:

;

Суммарный объём продуктов сгорания:

6. Теоретическая температура горения природного газа при полном сгорании топлива без тепловых потерь:

.

7. Энтальпия продуктов полного сгорания газообразного топлива:

8. Объёмный расход дымовых газов на выходе из сопла погружной горелки: .

9. Скорость истечения дымовых газов погружной горелки:

.

10. Оптимальная глубина погружения горелки:

,

где , а

- диаметр аппарата,

- диаметр сопла.

11. Барботаж газового потока в жидкости: , где

- приведенная скорость газового потока поперечно сечению аппарата.

12. Влагосодержание дымовых газов: , где n - показатель степени;

- для воды; - для растворов H₂SO₄; - для растворов минеральных солей.

13. Критерий парового напряжения:

14. Удельное объёмное тепловое напряжение: .

15. Средний температурный напор: .

16. Объём раствора в аппарате определяется по тепловой нагрузке: .

17. Полный объём аппарата: , где

- коэффициент загрузки аппарата.

РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ КОЛОННЫ

Дистилляция - это процесс разделения смеси с полной конденсацией паров.

Ректификация - это процесс разделения смеси с частичной, многократной конденсацией образующихся паров.

Принцип разделения смесей основан на том, что при кипении смеси образуются пары, в которых концентрация низкокипящего компонента больше, чем в исходной смеси.

Физико-химические свойства смесей.

Из 2-х компонентов бинарных смесей один является низкокипящим (летучим), второй - высококипящим (нелетучим).

Все смеси делят на 3 группы:

1. Смеси с взаимно-нерастворимыми компонентами;

2. Смеси с взаимно-растворимыми компонентами;

3. Смеси с частично-растворимыми компонентами.

К 1-ой группе относятся бензол-вода, ртуть-вода. Эти смеси подчиняются закону Дальтона: давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений составляющих смесь.

Например: Смесь (Бензол-Вода).

Парциальное давление воды 225 мм рт.ст.

Парциальное давление бензола 535 мм рт.ст.

§ Парциальное давление не зависит от содержания составляющих в жидкой фазе;

§ Температура кипения смеси меньше температуры кипения летучего компонента;

§ Температура смеси не зависит от содержания летучего компонента в этой смеси.

Рассмотрим пары, занимающие объём смеси и имеющие температуру смеси:

Бензол - ,

Вода - , где

, тогда .

Вывод: в парах на каждый килограмм воды приходится около 10 кг бензола. газ топливо дистилляция

Чем выше давление, тем выше количество компонентов в парах.

Обычно для расчётов процесса разделения смеси используется метод диаграмм. Одной из таких диаграмм - является диаграмма равновесия. Она показывает соотношение между количеством летучего компонента в парах (у) и в жидкости (х).

Содержание летучего компонента в жидкости не оказывает влияния на его содержание в парах.

Т.а - азиотропическая точка, она соответствует концентрации летучего компонента одинаково и для паров и для жидкой фазы.

2-ая группа: спирт-вода. Смеси этого типа подчиняются закону Рауля: парциальное давление пара каждого компонента в паровой фазе над кипящей смесью равно давлению насыщенного пара этого компонента кипящего в чистом виде и при той же температуре, умноженную на молекулярную долю данного компонента в жидкой фазе.

Молекулярная доля - это отношение числа молей компонента к числу молей смеси:

и ,

где

а - летучий компонент;

в - нелетучий компонент;

и - молекулярная масса летучего и нелетучего компонентов;

а и в -весовое содержание компонента в смеси.

Из закона Рауля и .

, тогда .

t	am	an	x	y
100	0	0	0	0
98	2	9
95	5	17
…	…	…	…	…
78	100	100	1	1

Для расчёта процесса ректификации используется фазовая диаграмма.

т.1 - соответствует жидкой фазе;

т.2 - начало процесса кипения;

т.3 - соответствует влажному насыщенному пару до т.4;

т.4 - после неё - перегретый пар.

3-я группа: фенол-вода.

СПОСОБЫ ПЕРЕГОНКИ СМЕСЕЙ

1. Однократное испарение;

2. Простая дистилляция;

3. Ректификация.

Схема однократного испарения.

Простая дистилляция.

Ректификация.

Флегма - та часть готового продукта, которая возвращается в колонну.

Конструкции самих тарелок могут быть колпачковые, сетчатые, насадочные и т.д.

В кубе-нагревателе находится чистый высококипящий компонент с небольшим содержанием летучего (1-2% спирта, остальное - вода). В куб-нагреватель подводится теплота в виде пара, вода при этом кипит (температура кипения 98⁰С). Из этих 2% спиртов образуются пары, содержащие 9% спирта. Пар поднимается вверх через паровой патрубок и ударяется в колпачок, который служит для направления пара через жидкость и барбатирует через жидкость, лежащую на тарелке. При этом температура жидкости на тарелке ниже температуры пара, который поступает на тарелку (95⁰С). Часть пара конденсируется при этой температуре (конденсируется в первую очередь нелетучий компонент, т.е. вода). Вода подмешивается к жидкости, лежащей на тарелке. При конденсации выделяется скрытая теплота парообразования. Потерь тепла в окружающую среду нет, поэтому всё тепло идёт на испарение жидкости с тарелки. Образующийся пар подмешивается к общему потоку. На тарелке флегма обогащается нелетучим компонентом, но за счёт перетока флегмы с верхней тарелки концентрация спирта на первой тарелке поддерживается на уровне 9%. Пар обогатился летучим компонентом и имеет концентрацию 17%.Температура пара 95⁰С. Далее пар поступает на вторую тарелку и происходит то же самое, а концентрация спирта на тарелке становится равной 17%, а в парах 25% и т.д. На последней тарелке температура кипения смеси 78⁰С, т.е. кипит чистый спирт.

1. В одном аппарате бинарная смесь разделяется на летучие и нелетучие компоненты;

2. Тепло конденсации полезно используется и идёт на парообразование.



ПРОЦЕССЫ В РЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ В ДИАГРАММАХ

Рассмотрим процессы тепломассообмена, происходящие в верхней части колонны; тарелки, которые имеют лишь по одному колпачку (в реальных колоннах их бывает до 30).

Флегма (жидкая бинарная смесь), параметры которой определяются (т.11) на фазовой диаграмме, имеет концентрацию по летучему компоненту (Х₁₁) и подаётся по патрубку (а) в колонну из дефлегматора. В колонне флегма вступает в тепломассообмен с паром, состояние которого определяется (т.8) - этот пар поступает из последней тарелки. В результате образуется влажный пар или смесь (состояние в (т.С₁)). Эта смесь сепарируется на сухой пар (т.10), который уходит в дефлегматор через патрубок (б), а флегма (т.9) опускается вниз по перепускному патрубку на 2-ую сверху тарелку, где вступает в тепломассообмен с паром (состояние в (т.6)). В результате образуется смесь (т.С₂). После разделения этой смеси флегма (т.7) и пар (т.8) и т.д.

Т.о. по мере опускания вниз содержание летучего компонента в флегме уменьшается, а пары, поднимающиеся по колонне вверх, вступающие в контакт с флегмой, обогащаются летучим компонентом. В этом и состоит принцип ректификации.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ

Графоаналитический метод, используемый для определения числа тарелок в ректификационной колонне, предусматривает ряд допущений:

1. Предполагается, что смесь вводится в колонну подогретой до температуры кипения жидкости на тарелке, на которую поступает смесь и за счёт тепла, выделяющегося при конденсации 1-ого моля пара испаряется 1 моль жидкости. При этом количество молей пара поднимающегося по колонне вверх и количество флегмы, стекающей вниз, остаётся постоянным для всех тарелок, изменяется лишь состав пара и флегмы;

2. Принимается, что конденсат в дефлегматоре имеет тот же состав, что и пар, поднимающийся с верхней тарелки колонны;

3. Теплота, необходимая для парообразования подводится к основанию колонны с помощью глухого пара так, что конденсат греющего пара не разжижает жидкости в нижней части колонны.

Для расчёта примем следующие обозначения:

X_n и X_m - молекулярное процентное содержание летучего компонента в жидкости на данной тарелке колонны в верхней части (X_n) и в нижней (X_m) (нумерация тарелок идёт сверху вниз);

Y_n и Y_m - молекулярное процентное содержание летучего компонента в парах, поднимающегося n-ой тарелки.

Должны быть заданы величины:

X_F и X_d - молекулярное процентное содержание летучего компонента в готовом продукте (X_d) и в исходной смеси (X_F);

R - число молей флегмы, поступающей в верхнюю часть колонны;

R^' - число молей флегмы, поступающей в нижнюю часть колонны;

W - количество кубового остатка в молях, т.е. то что удаляется из колонны;

V - число молей пара, выходящего из последней тарелки колонны.

Все параметры рассчитываются на 1 моль готового продукта.

Для упрощения расчётов необходимо составить схему колонны с указание всех материальных потоков.

Пар в количестве (V) с концентрацией (у₂) поступает со 2-ой тарелки на 1-ую. С 1-ой тарелки на 2-ую спускается флегма в количестве R с концентрацией (х).

Для верхней тарелки согласно схеме при отсутствии потерь можно записать уравнение материального баланса так:

(1),

Где - по допущениям;

(2),

Откуда .

В общем случае для любой тарелки:

или - уравнение прямой линии, где выражение - уравнение рабочей линии для верхней части колонны.

Уравнение для нижней части колонны:

(4),

Где , и .

,

Обозначив и , получаем

- уравнение прямой линии.

Линия NF - рабочая линия для верхней (укрепляющей) части колонны;

Линия FW - линия концентрации для нижней части колонны.

- теоретическое число тарелок;

- действительное число тарелок;

- КПД тарелки (можно принимать );

- средняя вязкость жидкости по колонне;

- относительная летучесть;

,

Где и - абсолютная температура нелетучего и летучего компонентов;

;

Для спирта , для воды ;

- средневесовая концентрация летучего компонента по колонне;

.

При определении числа тарелок надо знать флегмавое число R. Если его изменять, то будет меняться положение рабочих линий. Если , отбор дистиллята, т.е. готового продукта не производится и рабочая линия NF совпадёт с диагональю, тогда говорят, что колонна работает сама на себя. Движущая сила процесса, определяемая отрезком будет максимальной.

С уменьшением R - уменьшается движущая сила процесса, а она определяется расстоянием между рабочей линией и равновесной линией. Дальнейшее уменьшение R ведёт к совпадению (т.F) с (т.F). Это положение рабочей линии соответствует минимальному значению R, т.е. обозначается . Рабочее значение: .

При : .

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Обычно заданы весовые содержания летучего компонента во всех элементах колонны (, , ), также известна одна из следующих величин (, , ).

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Результатом расчёт теплового баланса является определение расхода греющего пара. Д.б. известны: весовые содержания летучего компонента (, , ); из материального баланса (, , ); температуры кипения (, ).

Определяются теплоёмкости компонентов и ; скрытая теплота парообразования и . Выбирается флегмавое число как: . Находится энтальпия пара и энтальпия конденсата (, ).

.

- теплота, поступающая с исходной смесью;

- теплота, поступающая с греющим паром;

- теплота, поступающая с флегмой;

- теплота уходящая из колонны с флегмой;

- теплота уходящая из колонны с кубовым остатком;

- потери в окружающую среду.

,

где - закон аддитивности;

- температура кипения смеси (определяется по таблице).

.

,

где ;

- определяется по таблице.

,

где .

.

Потери в окружающую среду можно определить 2-я способами:

1. ;

2. По полному сечению.

РАСХОД ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В ДЕФЛЕГМАТОРЕ

,

где и - задаются.

Для конденсатора-холодильника:

.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

- высота куба-нагревателя;

- высота тарельчатой части;

- высота сепарационного пространства.

.

При этом ,

где - расстояние между тарелками.

Есть стандартный ряд , мм: 200, 250, 300, 350, 400, 500 и т.д.

Чем больше , тем лучше идёт процесс ректификации, но это увеличивает высоту колонны и затраты на капитальное строительство колонны.

Величина принимается в диапазоне м.

определяется так, что расстояние от зеркала жидкости в кубе-нагревателе до нижней тарелки должна быть м.

По объёму куб-нагреватель должен быть таким, чтобы в нём помещались нагревательные трубы, а жидкости должно хватать на минут работы колонны.

Общая высота колонны (для смеси спирт-вода) метров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

,

где - секундный объём паров, движущихся по колонне, м/с;

- рабочая скорость, ;

- определяется из графика;

.

По найденному значению диаметра из каталога выбирается ближайший больший.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТАРЕЛКИ

,

где - сопротивление сухой тарелки,

;

- перепад давления, который обусловлен силами поверхностного натяжения жидкости,

,

где - коэффициент поверхностного натяжения;

- высота прорези, мм;

- ширина прорези, мм.

- изменение статического давления за счёт трения в прорезях колпачка.

- изменение статического давления за счёт уровня жидкости над прорезью колпачков.

,

где - высота жидкости над прорезью колпачка, мм;

.

Конструкции ректификационных колонн

1. Тарельчатые;

2. Насадочные;

3. Роторные.

ПРИМЕР РАСЧЁТА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ (фрагмент)

Определить число тарелок для разделения смеси и от начальной концентрации низкокипящего компонент до конечной концентрации . В кубовом остатке .

Из литературы по данным смеси - выбирается упругость паров каждого компонента.

Т, 0С	Ра(CS2), мм рт.ст.	Рв(CCl4), мм рт.ст.
40	617	215
45	726	262
50	855	316
55	1001	376
60	1169	449
65	1348	535
70	1561	622
75	1793	727
80	2033	843

Р=760 мм рт.ст. - давление при нормальных условиях.

Т, 0С	Содержание CS2 в жидкой фазе.	Содержание CS2 в парах.
40
45	(1,073)	(1,025)
50	0,823	0,926
55	0,614	0,809
60	0,432	0,664
65	0,277	0,491
70	0,147	0,302
75	0,031	0,073
80	(-0,07)	(-0,187)

Далее пересчитывается весовая доля в мольную, т.е. в .

Строится равновесная диаграмма по последней таблице и определяется теоретическое и действительное число тарелок.

Размещено на Allbest.ru