М.С. Грановский, С.Л. Левченко - Расчет коэффициента массопереноса и высоты ректификационной колонны (1160031), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В рассматриваемых условияхпроведения процесса ректификации она имеет вид отрезка диагонали на диаграмме XY с координатами XW,YW и XP,YP (рис.5).Рис.5. Рабочая линия ректификационной колонны, работающей в безотборном режиме.Экспериментально было установлено, что скорость приближения к состояниюравновесия в большинстве случаев прямо пропорционально отклонению от него. Тогдадля рассматриваемой системы скорость массообмена между бензолом в жидкости ипаре WF [моль/м2⋅с] (количество бензола, перешедшего из раствора в пар в единицувремени через единицу поверхности раздела фаз), выраженная через концентрации вгазовой фазе равнаWF=-KF⋅(C-C*)= -KF⋅ C0⋅(Y-Y*)(13)где KF [м/c] - коэффициент массопереноса; C, C* [моль/м3] - текущая и равновеснаяконцентрации бензола в газовой фазе; Y, Y* - текущая и равновесная мольные долибензола в газовой фазе; C0 [моль/м3] - молярная плотность пара - величина постояннаяв условиях изотермического эквимолярного обмена веществом.Аналогичное выражение для скорости массопереноса в единице объема WV[моль/м3с] массообменного аппарата имеет вид:WV=-KF⋅A⋅⋅ C0⋅(Y-Y*)= -KY⋅(Y-Y*),(14)где A [м2/м3]= F/V - величина, характеризующая содержание поверхности контакта фазF в единице объема V массообменного аппарата, KY [мoль/м3⋅c]= KF⋅A⋅⋅C0 - объемныйкоэффициент массопереноса.6Общий вид дифференциального уравнения мат.
баланса по компоненту встационарных условиях имеет вид:- div(J) + σ =0,(15)где div(J) [моль/м3 с] - дивергенция плотности потока компонента J [моль/м2⋅с] ,σ[моль/м3⋅с]- источник возникновения компонента в объеме.В нашем случае дивергенция потока НК (бензола) в паре вдоль продольнойкоординаты Z аппарата, выраженная через неизменный по условию задачи мольныйпоток газа G, приходящийся на единицу поперечного сечения колонны, и мольнуюдолю компонента в нем, равнаdiv(J) = G⋅⋅dY/dZ .(16)Источник возникновения бензола в паре равенσ = WV= -KY⋅(Y-Y*).(17)Подставляя (16) и (17) в (15), имеемG⋅⋅dY/dZ = -KY⋅(Y-Y*).(18)Разделяя переменные и интегрируя уравнение (18), получаем выражение длярасчета высоты H ректификационной колонны, работающей в безотборном режиме:ypH= G/ KY⋅³ dY/(Y*(X) - Y(X)) .y(19)wИнтеграл в уравнении (19) называется числом единиц переноса и обозначаетсяny., а величина hy =G/KY, соответственно, высотой единицы переноса.
Определиввеличину интеграла или число единиц переноса ny, по уравнению (19) легко найтитребуемую высоту массообменной зоны колонны. Зная высоту колонны, из уравнения(19) определяется коэффициент массопереноса KY.Алгоритм расчета nyЗадается значение мольной доли НК бензола X в жидкости в интервале Xw=X=Xp, подиаграмме равновесных концентраций бензола в жидкости и паре (рис. 3) находитсяY*(X), по уравнению рабочей линии колонны (для безотборного режима работыколонны - формула (11)) рассчитывается текущая концентрация Y(X), далееопределяется значение дроби 1/(Y*(X)-Y(X)), строится график зависимости 1/(Y*(X)Y(X)) от Y в интервале от Yp до Yw, значение площади под этой кривой и есть величинаискомого интеграла. Использовав приведенную процедуру определения Y*(X) и Y(X),легко найти значение интеграла численно методами Симпсона, прямоугольников,трапеций и др.74.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАБОЧЕГО РЕЖИМА РЕКТИФИКАЦИОННОЙКОЛОННЫ.При непрерывном отводе из колонны дистиллята P равенство потоков пара ижидкости вдоль колонны не выполняется: G≠≠L. В условиях эквимолярного обменакомпонентами плотность потока пара G остается неизменным, а величина плотностипотока жидкости L претерпевает ступенчатое изменение в точке ввода разделяемойсмеси. Вследствие этого ход рабочих линий для низа (от точки ввода исходной смесидо куба) и верха (от точки ввода исходной смеси до дефлегматора) существенноотличается.Уравнение рабочей линии для верха ректификационной колонны выводится изиз равенства (10):Y = (YP - (L/G)⋅⋅XP) + (L/G)⋅⋅X,(20)В соответствии со схемой ректификационной установки, весь парподнимающийся по колонне конденсируется в дефлегматоре.
Тогда плотность потокаподнимающегося вверх пара G равнаG = P/S + L = P/S +P⋅⋅R/S =P⋅⋅(R+1)/S,(21)где R - флегмовое число, показывающее во сколько раз количество жидкости,возвращаемое назад в колонну (флегмы), превосходит количество дистиллята:L =R⋅⋅P/S.(22)В результате полной конденсации паров в дефлегматоре концентрация пара,покидающего аппарат, и жидкости (флегмы), возвращаемой в колонну, равны междусобой YP=XP.
Учитывая последнее равенство, подставив выражения для G и L вформулу (20), получим уравнение рабочей линии верхней части колонны XF= X=XP:Y = (1/(R+1))⋅⋅XP + (R/(R+1))⋅⋅X.(23)Аналогично строится рабочая линия нижней части колонны. В практическихрасчетах “c запасом” полагают, что концентрация пара на выходе из куба YW равнаконцентрации жидкости в нем (на самом деле концентрация НК в паре по закону Раулядолжна быть выше,чем в жидкости), т.е.
YW=XW. Тогда уравнение материальногобаланса по НК для низа колонна имеет вид:G⋅⋅(Y - YW ) = L⋅⋅(X - XW),(24)Количество пара в нижней части колонны равна количеству пара в ее верхней части иопределяется уравнением (21). Молярный поток жидкости L в нижней части колонныравенL = R⋅⋅P/S + F/S = (R⋅⋅P + ⋅ϕ⋅P)/S = P⋅⋅(R+ϕϕ)/S, (25)где ϕ показывает во сколько раз питающий поток F больше P.8Подставляя полученные значения в формулу (18), получим уравнение рабочейлинии нижней части колонны XW =X=XF :Y = ((1-ϕϕ)/(R+1))⋅⋅XW + (R+ϕϕ)/(R+1))⋅⋅X.(26)В точке с координатами XF и YF рабочие линии верхней и нижней частей колонныбудут пересекаться. На рис.
6 показана равновесная кривая, а также рабочая линияректификационной колонны.Рис.6. Рабочая линия ректификационной колонны, работающей в непрерывномрежиме.Верхняя часть колонны (от точки ввода исходной смеси до дефлегматора) называетсяукрепляющей, в ней пары должны максимально насыщаться НК, а нижняя (от точкиввода исходной смеси до куба) - исчерпывающей, в ней из жидкости в максимальнойстепени удаляется НК.Алгоритм расчета высоты ректификационной колонны HНа основании опытных данных, полученных с экспериментальной ректификационнойустановки, определяется коэффициент массопереноса Ky для измеренной величиныплотности потока пара G.
Задается величина поперечного сечения колонны S и поформуле (21) рассчитывается поток жидкости L, возвращаемый в колонну издефлегматора, и флегмовое число R. По уравнениям (6) и (7) находятся W и Xw , поформулам (23), (26) строится рабочая линия колонны, определяются числа единицпереноса ny для верха и низа колонны, по формуле (19) определяются высоты, их суммасоставляет искомую величину.Интенсифицировать процесс массообмена и ,таким образом, уменьшить высотумассообменной зоны колонны возможно путем увеличения поверхности раздела фаз вединице объема массообменной зоны аппарата, т.е. A в формуле (14).
Для увеличенияA массообменная зона ректификационных колонн формируется из определеннымобразом уложенных насадок с развитой поверхностью рис. 7 или тарелок рис. 8, вкоторых контакт между жидкой и паровой фазами осуществляется путем барботажапара через жидкость.9Рис.7. Типы насадок:а - кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом); б - кольца с перегородками,правильно уложенные; в - насадка Гудлое; г - кольца Паля.Рис.
8. Схема работы колпачковой тарелки.1- тарелка; 2 - газовые патрубки; 3 - колпачки; 4- сливные трубки.10ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ.1. НА ОСНОВАНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ПОЛУЧЕННЫХ СОСТАВОВРАСТВОРАБЕНЗОЛ-ГЕПТАНВДЕФЛЕГМАТОРЕИКУБЕРЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ, РАБОТАЮЩЕЙ В РЕЖИМЕ БЕЗ ОТБОРАДИСТИЛЛЯТА, НАЙТИ ОБЪЕМНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕНОСА KYКОЛОННЫ.2. ИСПОЛЬЗУЯ ПОЛУЧЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ KY , РАССЧИТАТЬ НЕОБХОДИМУЮВЫСОТУРЕКТИФИКАЦИОННОЙКОЛОННЫ,ОБЕСПЕЧИВАЮЩУЮЗАДАННУЮСТЕПЕНЬРАЗДЕЛЕНИЯКОМПОНЕНТОВИПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПО ДИСТИЛЛЯТУ.Схема лабораторной ректификационной установки и ее пульт управленияизображены на рис. 8. Установка состоит из куба 1 (емкостью 4 литра) с электрическойпечью 8, ректификационной колонны 2 с обогревающей рубашкой, дефлегматорахолодильника 3, регулятора потоков 4 с управляющим электромагнитом 5, вентиля 6для взятия пробы дистиллята, капилляра 7, служащего для отбора проб из кубаколонны.Куб, ректификационная колонна насадочного типа диаметром 50мм., высотой900мм.
и дефлегматор-холодильник изготовлены из нержавеющей стали. Элементнасадки колонны представляет собой ситчатый патрубок диаметром и длиной 5 мм.,выполненный также из нержавеющей стали. Принцип действия ректификационнойколонны изложен в теоретическом введении к лабораторной работе. В исходномсостоянии при отключенном электромагните 5 регулятор 4 направляет весь потокжидкости из дефлегматора в ректификационную колонну, исключая возможностьотбора дистиллята. Подобный режим работы означает, что в соответствии с рис.4 иуравнениями мат.
баланса ректификационной колонны, потоки исходной смеси F,дистиллята P, кубового остатка W равны нулю. Колонна в этом случае работает “самана себя” и представляет собой удобный объект для исследований.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА НА ЛАБОРАТОРНОЙРЕКТИФИКАЦИОННЫЙ УСТАНОВКЕ.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
