Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов, обучающихся по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» Института дистанционного образования Составитель

скачать ^ 5.3. Варианты задач и методические указания к решению для второй контрольной работы (6 семестр) Задача №6 В противоточном насадочном абсорбере, заполненном керамическими кольцами Рашига размером 50×50×5 мм происходит поглощение компонента А из его смеси с воздухом водой при постоянной температуре t и давлении Р. Расход воздушной смеси, приведенный к нормальным условиям, Vo. Концентрация компонента А в воздушной смеси на входе в аппарат yн, степень извлечения компонента φ. Орошающая вода на входе не содержит компонента А. Коэффициент избытка поглотителя β; высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, hэ. Расчет допускается проводить по упрощенному методу (метод ВЭТТ). Определить диаметр абсорбера и требуемую высоту насадки. Таблица 6 Исходные данные к задаче №6 № вари- анта Компонент А Vo, нм3/ч yн, %(мол) φ β nэ, м Р, МПа t, °C 1 Ацетилен 15000 10,0 0,90 1,20 0,90 0,5 20 2 Сероводород 9000 8,5 0,92 1,40 1,25 0,3 20 3 Хлор 7500 12,0 0,94 1,30 1,40 0,2 15 4 Этилен 12800 5,6 0,90 1,15 1,15 0,6 10 5 Метан 6900 4,0 0,95 1,25 1,85 2,0 15 6 Бром 14600 9,2 0,90 1,20 2,0 0,1 25 7 Этан 5000 6,4 0,92 1,35 0,85 1,8 15 8 Двуокись углерода 8200 15,0 0,96 1,18 0,94 1,2 20 9 Окись углерода 4700 7,0 0,94 1,16 2,20 2,5 15 10 Хлор 16000 18,0 0,93 1,10 1,55 0,4 20 Принимая противоточное движение фаз, составим материальный баланс процесса, из которого определим расход поглотителя и концентрацию поглощаемого компонента в воде на выходе из аппарата: M=G(Yн-Yк)=L(Xк-Хн)=Lmin(Xк*-Хн), где М-расход распределяемого компонента (А), кмоль/с; G, L-расходы соответственно инертной части газа и поглотителя, кмоль/с; Lmin-минимальный расход поглотителя, кмоль/с; Yн, Yк- начальная и конечная концентрации компонента А в газе, кмольА/кмоль воздуха; Хн, Хк- начальная и конечная концентрации компонента А в жидкой фазе, кмоль А/кмоль воды, Xк*- конечная концентрация компонента А в жидкой фазе, равновесная с концентрацией компонента А в поступающем газе, кмольА/кмоль воды. Определим расход инертной (неизменяемой) части газовой смеси – воздуха: кмоль/ч Концентрация поглощаемого компонента в воздушной смеси на выходе из аппарата составляет ук= (1-φ) yн. Пересчитаем концентрации компонента А, выраженные в мольных долях, в относительные мольные концентрации: Равновесную концентрацию определяем по уравнению равновесной линии (закон Генри): где ^ Р-давление процесса, МПа; Е-константа Генри, МПа (определяется по справочнику /7.4/). Находим из уравнения материального баланса минимальный расход воды (^ Lmin), учитывая, что по условию задачи Хн=0: и определяем ее действительный расход из выражения: L=βLmin. Затем определяем конечную концентрацию жидкой фазы: . Высоту насадки определяем по уравнению: где nт-число теоретических тарелок; hэ-высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, м. Число теоретических тарелок может быть определено графическим путем. Для этого на Y-^ X диаграмме строят равновесную и рабочую линии процесса абсорбции и вписывают между ними ступеньки в пределах изменения рабочих концентраций (Yн, Yк). Диаметр абсорбера рассчитывают по уравнению объемного расхода для газового потока: где ^ Vt-объемный расход газа, рассчитанный при рабочих условиях процесса, м3/с; w-фиктивная скорость газа (отнесенная к полному поперечному сечению аппарата), м/с. Согласно уравнению состояния газа, где ^ Vo-объемный расход газа при нормальных условиях, нм3/с; Р- рабочее давление газа, Па; Т-температура газа, К; Ро=1,013·105 Па (760 мм рт. ст.), То=273 К (0°С). При определении рабочей скорости газа в колонне сначала находят предельную скорость (при захлебывании колонны) по эмпирической формуле для колонн, заполненных кольцами Рашига внавал: где σ-удельная поверхность насадки, м2/м3; g-ускорение свободного падения,м/с2; Vсв-свободный объем насадки; ρг и ρж-соответственно плотности газа и жидкости, кг/м3; μж-динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа·с; L,G-массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А=0,022 для насадки из колец. Рабочую скорость газа принимаем на 20% ниже предельной: w=0,8wпр. Задача №7 В простом перегонном кубе перегоняется жидкая смесь хлороформ-бензол. Концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси xF, в кубовом остатке xW. Расход исходной смеси GF. Определить средний состав дистиллята, его массу и массу кубового остатка. Равновесные данные для смеси хлороформ-бензол (х-концентрация хлороформа в жидкости, % мол.; y*-равновесная концентрация хлороформа в паре, % мол.): х 0 8 15 22 29 36 44 54 66 79 100 у* 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Таблица 7 Исходные данные к задаче №7 № варианта GF, кг xF, % мол. xW, % мол. 1 9000 36 6 2 4500 55 10 3 7900 60 15 4 12000 45 8 5 6700 48 11 6 5500 32 5 7 11000 40 9 8 3900 64 14 9 8200 70 20 10 10500 50 12 Примечание: во все расчетные формулы следует подставлять концентрации компонентов, выраженные в мольных долях. Поскольку все концентрации даны в мольных долях, выразим массу исходной смеси в кмолях, поделив заданную массу в кг на молекулярную массу исходной смеси. Молекулярная масса исходной смеси определяется по формуле: МF=МхлxF+Мб(1-xF), где Мхл и Мб-молекулярные массы соответственно хлороформа и бензола, кг/кмоль. Массу кубового остатка определяем из уравнения материального баланса простой перегонки: . Поскольку аналитическая форма зависимости у* от х неизвестна, интеграл в правой части этого уравнения решается методом графического интегрирования. Для этого на диаграмме равновесия у*-х строим равновесную линию процесса у*=f(x). Затем разбиваем интервал интегрирования (хF-xW) на n равных частей, для каждого значения х на равновесной линии определяем соответствующее ему значение у*. Далее для каждого значения х(у*) находим величину функции z: . По полученным данным находим приближенное значение интеграла, например, по формуле Симпсона: где zo и zn значения функции соответственно при xW и xF. Найдя массу кубового остатка, определяем массу дистиллята: GР=GF - GW. Средний состав дистиллята определяем из материального баланса по низкокипящему компоненту: . Задача №8 В ректификационной колонне непрерывного действия c колпачковыми тарелками производится разделение жидкой смеси уксусная кислота-вода под атмосферным давлением. Массовый расход исходной смеси , концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси хF, в дистилляте хР, в кубовой жидкости хW. Исходная смесь подается в колонну при температуре кипения. Определить основные размеры колонны (диаметр и высоту тарельчатой части). Рабочее число флегмы рассчитать по упрощенной методике, используя эмпирическое уравнение. Расстояние между тарелками принять равным 0,3 м. Число действительных тарелок определить по упрощенной методике, используя коэффициент полезного действия колонны. Данные по равновесию для смеси уксусная кислота-вода приведены в ниже расположенной таблице (х - концентрация низкокипящего компонента в жидкой фазе, % мол.; у*- равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе, % мол.). x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y* 0 9,2 16,7 30,2 42,5 53,0 62,7 71,6 79,5 86,4 93,0 100 Таблица 8 Исходные данные к задаче №8 № варианта , кг/ч xF, % (мол.) xP, % (мол.) xW, % (мол.) 1 12000 45 90 4,5 2 5600 52 96 3,0 3 9800 38 94 5,0 4 4200 56 91 4,0 5 6300 60 95 5,8 6 11000 48 92 4,3 7 2800 33 96 3,0 8 3600 40 90 5,2 9 7900 55 94 4,4 10 8100 36 95 6,0 Примечание: в расчетах необходимо использовать концентрации компонентов, выраженные в мольных долях. Расчет колонны начинаем с составления материального баланса, из которого определяем расходы дистиллята и кубовой жидкости. Поскольку имеем два неизвестных, составляем систему из двух уравнений (материального баланса по всей смеси и материального баланса по низкокипящему компоненту): GF=GP+GW GFxF=GPxP+GWxW, откуда находим GP и GW, кмоль/с. В данном конкретном случае расходы всех потоков имеют размерность кмоль/с, поэтому выразим расход в кмоль/с: где МF-мольная масса исходной смеси, кмоль/кг Мольная масса исходной смеси определяется по уравнению: МF=M1xF+M2(1-xF), где М1 и М2- мольные массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов, кмоль/кг. Для определения основных размеров колонны необходимо определить рабочее флегмовое число ^ R по уравнению: R=1,3Rмин + 0,3, где Rмин–минимальное флегмовое число, которое определяется из выражения: где - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью состава хF (определяется по диаграмме у*-х). Диаметр колонны определяется из уравнения объемного расхода: где ^ V-объемный расход пара, проходящего по колонне, м3/с; w-допустимая оптимальная скорость в колонне, м/с. Объемный расход пара определяется из выражения: , где ^ Тср-средняя температура в колонне, К; То=273К. Рабочую скорость пара в колонне можно рассчитать по формуле: , где С-коэффициент, зависящий от конструкции тарелок и расстояния между ними (определяется по рис. 7.2 /7.4/. Так, для колпачковых тарелок при расстоянии между ними 300 мм С=0,031); ρж и ρп-средние плотности жидкости и пара в колонне, кг/м3. С целью упрощения расчетов среднюю температуру в колонне определяем как среднюю арифметическую величину между температурами кипения высококипящего и низкокипящего компонентов, среднюю плотность жидкости рассчитываем как среднюю арифметическую между плотностями низкокипящего и высококипящего компонентов, взятых при соответствующих температурах кипения. Состав пара вверху колонны принимаем равным составу дистиллята (ур=хр), состав пара внизу колонны принимаем равным составу кубовой жидкости (уw=хw), средний состав пара принимаем равным средней арифметической между уw и yр: уср=(уw+yp)/2. Тогда плотность пара на основании уравнения Клайперона может быть рассчитана по формуле: где ^ Мср-средняя молекулярная масса пара, кмоль/кг: Мср=М1уср + М2(1-уср) После определения диаметра колонны его уточняют в соответствии с имеющимися нормалями. Высота тарельчатой части колонны определяется по уравнению: H=(nд – 1) h, где h- расстояние между тарелками, м; nд-число действительных тарелок в колонне. Число действительных тарелок находим по упрощенной методике путем определения числа теоретических тарелок nт и среднего к.п.д. колонны η: nд=nт/η. Число теоретических тарелок находим графическим способом. Для этого наносим на диаграмму у-х равновесную линию (табличные данные по равновесию) и рабочие линии процесса для верхней и нижней частей колонны и строим ступеньки между равновесной и рабочими линиями процесса в интервале изменения рабочих концентраций от хP до xW. Число ступеней соответствует числу теоретических тарелок. Средний к.п.д. колонны η определяется по опытным данным, которые представлены в виде графической зависимости η=f(αμ) (рис.7.5 /7.4/). Здесь α=РА/РВ-коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов (РА-давление насыщенного пара низкокипящего компонента, РВ-давление насыщенного пара высококипящего компонента); μ-динамический коэффициент вязкости исходной смеси, мПа·с. Оба параметра находятся при средней температуре в колонне. Значения среднего к.п.д. обычно находятся в пределах 0,3-0,8. Скачать 1,09 Mb. оставить комментарий страница 5/7 Н.С. Шваб Дата 28.09.2011 Размер 1,09 Mb. Тип Рабочая программа, Образовательные материалы