kontr_2

О 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 [e-mail]

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