kontr_2
.pdfО С Н О В Н Ы Е П Р О Ц Е С С Ы И А П П А Р А Т Ы
ХИ М И Ч Е С К О Й Т Е Х Н О Л О Г И И
ВВ Е Д Е Н И Е
Ярад приветствовать вас на своём сайте.
Итак, вы выполнили первую контрольную работу и благополучно сдали экзамен. Теперь на очереди вторая контрольная работа. Её объект – конденсатор. В котором происходит процесс конденсации пара бинарной смеси. Т.е. как и в первой контрольной работе, мы считаем процесс и подбираем для его реализации аппарат.
С вами я – Вячеслав Васильевич Филиппов, доцент кафедры «Химическая технология и промышленная экология» СамГТУ.
Свои вопросы вы можете, как и прежде, направлять по адресу filippov50@mail.ru
Конденсатор - обязательный элемент ректификационной установки. Уходящие с верха колонны пары поступаю в него и частично или полностью конденсируются.
Давайте посмотри на фото внизу.
На этом фото видны блоки ректификационных колонн. Если присмотреться, между колонами виден горизонтальный конденсатор
Здесь тоже хорошо видны ректификационные колонны.
А это горизонтальный кожухотрубчатый конденсатор – объект вашей второй контрольной работы.
Это тоже горизонтальный кожухотрубчатый конденсатор, который пока лежит на технологической площадке.
Аэто трубный пучок кожухотрубчатого конденсатора. На поверхности этих труб идёт конденсация пара.
Будем считать, что вы внешне представляете тот аппарат, который вам нужно будет рассчитать. Пора перейти к выбору своего варианта. В задании вам указывается:
1.два компонента пара, которые требуется сконденсировать;
2.массовая доля каждого компонента;
3.давление, при котором ведётся процесс конденсации;
4.массовый расход пара.
Внимание! Для расчётов вам потребуются многочисленные теплофизические свойства. Они полностью размещены на моём сайте. Там же есть электронный справочник, который позволяет находить свойства веществ при любых температурах. А для упрощения работы (у кого нет постоянного Интернета) я привёл все необходимые справочные величины в этом пособии.
Переходим к выбору своего варианта.
В А Р И А Н Т Ы
Студент выбирает номер своего варианта по сумме трёх последних цифр зачётной книжки. Если две последние цифры 000, то выполняется вариант № 28.
|
|
|
Масс. % |
Масс. % |
|
Массо- |
|||||
№ |
|
|
Дав- |
вый |
|||||||
Компо- |
|
компо- |
компо- |
||||||||
вари- |
Компонент 2 |
ление |
расход |
||||||||
нент 1 |
нента 1, |
нента 2 |
|||||||||
анта |
|
Р, кПа |
G , |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
y1 = |
y2 = |
|
1 |
|||||
|
|
|
|
кг/час |
|||||||
1 |
Гексан |
Гептан |
0,45 |
0,55 |
120 |
20000 |
|||||
2 |
Гексан |
Гептан |
0,50 |
0,50 |
130 |
25000 |
|||||
3 |
Гексан |
Гептан |
0,55 |
0,45 |
140 |
28000 |
|||||
4 |
Гексан |
Гептан |
0,60 |
0,40 |
150 |
30000 |
|||||
5 |
Гептан |
Октан |
0,45 |
0,55 |
120 |
20000 |
|||||
6 |
Гептан |
Октан |
0,50 |
0,50 |
130 |
25000 |
|||||
7 |
Гептан |
Октан |
0,55 |
0,45 |
140 |
28000 |
|||||
8 |
Гептан |
Октан |
0,60 |
0,40 |
150 |
30000 |
|||||
9 |
Гептан |
Октан |
0,45 |
0,55 |
125 |
35000 |
|||||
10 |
Бензол |
Толуол |
0,35 |
0,65 |
130 |
25000 |
|||||
11 |
Бензол |
Толуол |
0,45 |
0,55 |
150 |
30000 |
|||||
12 |
Бензол |
Толуол |
0,50 |
0,50 |
160 |
35000 |
|||||
13 |
Бензол |
Толуол |
0,55 |
0,45 |
165 |
20000 |
|||||
14 |
Бензол |
Толуол |
0,60 |
0,40 |
170 |
28000 |
|||||
15 |
Метанол |
Этанол |
0,35 |
0,65 |
130 |
15000 |
|||||
16 |
Метанол |
Этанол |
0,45 |
0,55 |
150 |
18000 |
|||||
17 |
Метанол |
Этанол |
0,50 |
0,50 |
160 |
20000 |
|||||
18 |
Метанол |
Этанол |
0,55 |
0,45 |
165 |
22000 |
|||||
19 |
Метанол |
Этанол |
0,60 |
0,40 |
170 |
25000 |
|||||
20 |
Метанол |
Изопропанол |
0,40 |
0,60 |
130 |
15000 |
|||||
21 |
Метанол |
Изопропанол |
0,45 |
0,55 |
140 |
20000 |
|||||
22 |
Метанол |
Изопропанол |
0,50 |
0,50 |
150 |
25000 |
|||||
23 |
Метанол |
Изопропанол |
0,55 |
0,45 |
160 |
22000 |
|||||
24 |
Метанол |
Изопропанол |
0,60 |
0,40 |
170 |
24000 |
|||||
25 |
Гексан |
Октан |
0,45 |
0,55 |
120 |
30000 |
|||||
26 |
Гексан |
Октан |
0,50 |
0,50 |
130 |
35000 |
|||||
27 |
Гексан |
Октан |
0,55 |
0,45 |
140 |
40000 |
|||||
28 |
Гексан |
Октан |
0,60 |
0,40 |
120 |
25000 |
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра химической технологии и промышленной экологии
Контрольная работа № 2
по дисциплине «Основные процессы и аппараты химических производств»
Расчёт конденсатора бинарной смеси
Выполнил студент III-ЗФ-19 гр. Иванов Пётр
Рассчитать и подобрать нормализованный конденсатор для конденсации пара состава:
компонент 1: бензол, y1 = 40 % масс,
компонент 2: толуол, y2 = 60 % масс.
Поступающий на конденсацию пар имеет давление Р=140000 Па (0,14 МПа). Массовый расход пара G1=35700 кг/час.
Температура пара на входе в аппарат равна температуре начала конденсацииt1н (определяется в ходе расчёта).
Температура конденсата на выходе равна температуре конца конденсацииt1к (определяется в ходе расчёта).
Охлаждение производится водой с начальной температурой t2н = 250 С .
Температуру воды на выходе из конденсатора t2к принять и объяснить выбор.
Расчёт произвести для вертикального и горизонтального кожухотрубчатых конденсаторов. Выбрать оптимальный вариант.
А Л Г О Р И Т М Р А С Ч Ё Т А
1.Определение мольного состава конденсирующегося пара.
2.Нахождение температуры начала конденсации t1н .
3.Нахождение температуры конца конденсации t1к .
4.Определение тепловой нагрузки конденсатора Q .
5.Расчёт расхода воды G2 , необходимого для проведения процесса конденсации.
6.Определение среднего температурного напора (средней разности температур) Dtср .
7.Принятие коэффициента теплопередачи Kприн и приближённая оценка требуемой поверхности теплопередачи Fприбл .
8.Выбор стандартного конденсатора и его эскиз.
9.Расчёт физико-химических свойств конденсата (жидкости, которая образовалась после конденсации пара).
10.Нахождение по эмпирическим формулам коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенках труб трубного пучка для вертикального aверт и горизон-
тального aгориз расположения аппарата.
11.Расчёт скорости движения воды w2 в трубах трубного пучка.
12.Нахождение критерия Рейнольдса Re2 для воды.
13.Расчёт критерия Нуссельта для воды Nu2 и определение коэффициента теплоотдачи a2 от труб трубного пучка к воде.
14.Определение коэффициента теплопередачи K0 для вертикального и горизонтально-
го аппаратов.
15.Принятие на основе опыта эксплуатации теплообменников термического сопротивления загрязнений со стороны пара r1 и со стороны воды r2 .
16.Нахождение расчётного коэффициента теплопередачи К р с учётом загрязнений для
вертикального и горизонтального аппаратов.
17. Расчёт требуемой поверхности теплопередачи Fфакт и определение запаса площади
поверхности теплопередачи D (%) для вертикального и горизонтального конденсаторов. Вывод.
18. Расчёт диаметров штуцеров входа пара, выхода конденсата, входа и выхода воды.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЬНОГО СОСТАВА КОНДЕНСИРУЮЩЕГОСЯ ПАРА
Определим молярную долю каждого компонента в составе конденсирующегося пара. Для этого сделаем пересчёт из массовых процентов в мольные доли по формуле
|
|
|
|
|
|
|
y |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
y1 |
= |
|
|
|
|
|
= |
|
|
78 |
|
|
= 0,44, |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
y1 |
+ |
|
|
y2 |
40 |
+ |
60 |
||||||||||||
|
|
|
M 2 |
|
78 |
|
|
||||||||||||
|
|
M1 |
|
92 |
|
где y1 и y2 – соответственно массовые проценты бензола и толуола в составе конденсирующегося пара (см. задание), y1 и y2 – мольные доли этих компонентов, M1 – мольная масса бензола, M 2 – мольная масса толуола. Их значения берутся из табл. 1.
Таблица 1
ХИМИЧЕСКАЯ Ф ОРМУЛА, МОЛЬ НАЯ МАССА
И НОРМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ ( при P0 )
№ |
Химическое соединение и его |
Мольная |
Температура |
||
масса, |
кипения, |
||||
п/п |
|
формула |
|||
|
кг/кмоль |
0 С |
|||
|
|
|
|||
1 |
Бензол |
СН6 6 |
78,1 |
80,2 |
|
2 |
Гексан |
СН6 14 |
86,2 |
68,7 |
|
3 |
Гептан |
СН7 16 |
100,2 |
98,4 |
|
4 |
Изопропиловый спирт 3СН8О |
60,1 |
82,4 |
||
5 |
Метиловый спирт СНОН3 |
32,0 |
64,7 |
||
6 |
Октан |
СН8 18 |
114,2 |
112,0 |
|
7 |
Пентан |
СН5 12 |
72,2 |
36,1 |
|
8 |
Толуол СН7 8 |
92,1 |
110,8 |
||
9 |
Этиловый спирт 2СН5ОН |
46,1 |
78,3 |
Мольная масса второго компонента |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
y |
2 |
|
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
y2 |
= |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
= |
|
|
92 |
|
|
= 0,56 . |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
y1 |
+ |
|
|
y2 |
40 |
+ |
60 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
M 2 |
|
78 |
|
|
|||||||||||
|
|
M1 |
|
|
92 |
|
Если расчёт выполнен верно, то сумма мольных долей компонентов должна быть равна 1. Проверяем:
y1 + y2 = 0,44 + 0,56 = 1,00 .
Мольные доли компонентов определены правильно.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАЧАЛА КОНДЕНСАЦИИ ПАРА
Так как конденсируется не чистый компонент, а смесь паров двух компонентов, то такой пар начнёт конденсироваться при одной температуре(мы её обозначаем t1н ), а закончит при более низкой (эту конечную температуру мы обозначаем t1к ).
Для нахождения температуры начала конденсации пара заданного состава при заданном давлении используется уравнение изотермы паровой фазы
y1 P + y2 P = 1, P1 P2
где Р – давление, при котором проводится процесс конденсации(см. задание); Р1 – давление пара чистого бензола, Р2 – давление пара чистого толуола, y1 – мольная доля бензола, y2 – мольная доля толуола (значения мольных долей бензола и толуола были определены в п. 1).
Необходимые для расчёта давления паров чистых компонентов Р1 и Р2 можно рассчитать по уравнению Антуана
B
ln P = A - C + 273 + t ,
где А, В и С – коэффициенты уравнения Антуана, их значения берутся изтабл. 2.
Таблица 2 Значения коэффициентов уравнения Антуана для некоторых веществ
№ |
Жидкость |
А |
В |
С |
|
п/п |
|||||
|
|
|
|
||
|
ПРЕДЕЛЬНЫЕ |
УГЛЕВОДО |
РОДЫ |
|
|
1 |
Гексан |
15,8366 |
2697,55 |
- 48,78 |
|
2 |
Гептан |
15,8737 |
2911,32 |
- 56,51 |
|
3 |
Октан |
15,9426 |
3120,29 |
- 63,63 |
|
4 |
Пентан |
15,8333 |
2477,07 |
- 39,94 |
|
|
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ |
||||
5 |
Бензол |
15,9008 |
2788,51 |
- 52,36 |
|
6 |
м-Ксилол |
16,1330 |
3366,99 |
- 58,04 |
|
7 |
Толуол |
16,0137 |
3096,52 |
- 53,67 |
|
8 |
Хлорбензол |
16,0676 |
3295,12 |
- 55,60 |
|
|
СПИРТЫ И ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ |
|
|||
9 |
Бутиловый спирт |
17,2160 |
3137,02 |
- 94,43 |
|
10 |
Изопропиловый спирт |
18,6929 |
3640,20 |
- 53,54 |
|
11 |
Метиловый спирт |
18,5875 |
3626,55 |
- 34,29 |
|
12 |
Муравьиная кислота |
16,9882 |
3599,58 |
- 26,09 |
|
13 |
Уксусная кислота |
16,8080 |
3405,57 |
- 56,34 |
|
14 |
Этиловый спирт |
18,9119 |
3803,98 |
- 41,68 |
ЭФИРЫ, КЕТОНЫ, СЕРО- И ХЛОРСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ
15 |
Ацетон |
16,6513 |
2940,46 |
- 35,93 |
16 |
Дихлорэтан |
16,1764 |
2927,17 |
- 50,22 |
17 |
Диэтиловый эфир |
16,0828 |
2511,29 |
- 41,94 |
18 |
Сероуглерод |
15,9844 |
2690,85 |
- 31,62 |
19 |
Хлороформ |
15,9732 |
2696,79 |
- 46,16 |
20 |
Четырёххлористый углерод |
15,8742 |
2808,19 |
- 45,99 |
21 |
Этилацетат |
16,1516 |
2790,50 |
- 57,15 |
Для бензола и толуола значения этих коэффициентов равны:
Компонент |
А |
В |
С |
Бензол |
15,9008 |
2788,51 |
- 52,36 |
Толуол |
16,0137 |
3096,52 |
- 53,67 |
Необходимо отметить, что в результате расчёта по уравнению Антуана давление будет иметь размерность мм рт. ст.
Расчёт температуры начала конденсации пара выполняется методом последовательного приближения (обратите внимание – в уравнении изотермы паровой фазы температура в явной форме НЕ ПРИСУТСТВУЕТ!).
2.1.Задаёмся первым предполагаемым значение температуры 106ºС.
2.2.Для этой температуры по уравнению Антуана находим давления паров чистых бензола Р1 и толуола Р2
ln P1 |
= A1 |
- |
|
B1 |
= 15,9008 - |
2788,51 |
= 7,364 , |
||
C1 |
+ 273 + t |
- 52,36 + 273 +106 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
P = e7,364 |
= 1578 мм рт. ст. |
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Выполнив аналогичный расчёт для толуола, получим P2 = 662 мм рт. ст.
2.3. Проверим полученное значение суммы уравнения изотермы паровой фазы. Если бы мы «угадали» значение температуры начала конденсации пара, то сумма получилась бы равной 1. Но мы, конечно же, «не угадали» эту температуру. Поэтому значение суммы будет или больше 1 (если мы задались слишком низкой температурой), или меньше 1 (если взято слишком большое значение температуры).
Все давления, входящие в уравнение изотермы паровой фазы, должны быть выражены в одних единицах. Система СИ требует использования только паскалей. Но в этом случае нам придётся постоянно переводить мм рт. ст. в паскали. Проще один раз перевести общее давление Р в мм . ртс. путём деления заданного значения 133,3на
(Р=140000/133,3=1050 мм рт. ст.). Тогда получим
y1 P + y2 P = 0,44 ×1050 + 0,56 ×1050 = 1,181. P1 P2 1578 662
Как видим, значение суммы оказалось больше 1.
2.4. Задаёмся вторым значением температуры начала конденсации пара 116ºС и повторяем расчёт (т.е. находим Р1 и Р2 и снова определяем значение суммы)
P1 = 2033 мм рт. ст.
P2 = 880 мм рт. ст.
y1 P + y2 P = 0,44 ×1050 + 0,56 ×1050 = 0,895. P1 P2 2033 880