книги / Методы управления тепло- и массообменными процессами

– изменить набор уравнений для расчета термодинамических свойств веществ. Для этого необходимо:

а) зайти в раздел Basic Thermo;

б) сменить Equilibrium K-values на Ideal;

в) если это не поможет, то изменить Vapor/Liquid Enthalpy

на Ideal;

г) если и это не поможет, то изменить методы расчета Vapor Density и Liquid Density на Ideal.

Эвристические правила синтеза систем ректификации

При разработке схем разделения смеси рекомендуется использовать следующие эвристические правила синтеза систем ректификации [3], позволяющие значительно упростить сам процесс синтеза ХТС разделения смеси и значительно сократить затрачиваемое на разработку ХТС время:

1.При ректификационном методе разделения смеси (особенно азеотропных смесей) предпочтение отдается «прямой» последовательности разделения (компоненты выделяются один за другим в отдельных колоннах, начиная с компонента, обладающего наибольшей летучестью, т.е. имеющего наименьшую температуру кипения).

2.Выбирается вариант схемы, в котором разделение осуществляется в порядке уменьшения различий в значениях относительных летучестей разделяемых ключевых компонентов.

3.Компонент, содержание которого существенно превышает содержание всех остальных компонентов исходной смеси, должен отбираться первым в общей последовательности выделения компонентов или фракций компонентов.

4.Процесс разделения наиболее трудноразделимой пары компонентов или наиболее трудноразделимых фракций должен проводиться последним в общей последовательности разделения.

5.Выбирается вариант схемы, в котором отношение количеств верхнего и нижнего продуктов в каждой колонне близко

кединице.

21

6.Наиболее «агрессивный» по воздействию на аппаратуру компонент должен выводиться из системы разделения в первую очередь.

7.Разделяющий агент необходимо выделять непосредственно после аппарата, в который он вводился.

Примечание. Данные эвристики являются не безусловными правилами, а рекомендациями, применение которых зависит от конкретного компонентного состава смеси.

Этапы выполнения работы:

1.Повторить соответствующие теме теоретические сведения из курса ПАХТ, а также разделы в конспекте лекций по курсу «Моделирование ХТС».

2.С учетом выбора хладагентов для дефлегматоров и источников тепла для кубов колонн разработать и рассчитать не менее трех вариантов систем разделения многокомпонентных смесей в соответствии с индивидуальным заданием.

3.При написании отчета обосновать выбор каждой из предложенных схем (ее реальность), а в выводах сравнить каждую схему разделения с другими вариантами схем. Результаты расчетов и обоснованность того или иного варианта проиллюстрировать графиками, таблицами, схемами и т.д.

4.Отчет о проделанной работе сдать преподавателю в электронном виде.

Варианты заданий

Разработать ХТС разделения смесей следующих составов (мас. %):

1.R-22 (CHClF2) – 45, R-21 (CHCl2F) – 30, HF – 20, хлоро-

форм (CHCl3) – остаток.

2.R-23 (CHF3) – 10; R-22 (CHClF2) – 55, R-21 (CHCl2F) – 25,

хлороформ (CHCl3) – остаток.

22

3.R-13 (CClF3) – 45, R-12 (CCl2F2) – 35, R-11 (CCl3F) – 10, R-10 (CCl4) – остаток.

4.R-13 (CClF3) – 50, HF – 35, R-11 (CCl3F) – 10, R-10 (CCl4) –

остаток.

5.R-12 (CCl2F2) – 45, HF – 30, R-11 (CCl3F) – 20, R-10 (CCl4) –

остаток.

6.Диметиловый эфир – 5, метанол 25, этанол – 10, вода –

остаток.

7.Диметиловый эфир – 5, диэтиловый эфир – 10, метанол – 45, вода – остаток.

8.Диэтиловый эфир – 5, метанол 45, этанол – 10, вода –

остаток.

9.Метанол – 20, этанол – 25, бутанол – 10, вода – остаток.

10.Метанол – 25, н-пропанол – 20, бутанол – 5, вода –

остаток.

При составлении отчета необходимо объяснить обоснованность всех разработанных вариантов с точки зрения теории,

а не просто ограничиться описанием разработанных ХТС.

Порядок расчета теплообменного оборудования

К сожалению, в Design-II for Windows в модулях колонн ректификации происходит расчет только тепловой нагрузки на куб и дефлегматор, поэтому для расчета их поверхностей теплообмена необходимо создать специальное задание и выполнить ряд вычислений.

Приведем пример разработки варианта ХТС разделения смеси, выполненной с помощью программы Design-II for Windows.

1. Расчет колонны ректификации

Проводим расчет колонны ректификации как модуля Shortcut Fractionator. При наведении мыши на изображение колонны откроется желтое окно, в котором отражены результаты расчета (рис. 4).

23

Как видно по результатам расчета, число ступеней массопереноса положительное (расчет верен!), при этом:

–тепловая нагрузка на куб 438,43 кВт;

–тепловая нагрузка на дефлегматор 333,17 кВт;

–флегмовое число 1,2774.

Рис. 4. Результаты расчета колонны ректификации

2. Расчет дефлегматора c воздушным охлаждением

Исходя из расхода дистиллята (D = 500 кг/ч) и флегмового числа (R = 1,2774) определяем расход потока, выходящего из верха колонны и конденсирующегося в дефлегматоре:

G = D · (R+1) = 500 · (1,2774+1) = 1138,7 кг/ч.

Для данного расхода вещества и состава дистиллята моделируем теплообменник, в котором поток указанного расхода и состава является входящим. Температура и давление потока должны соответствовать давлению и температуре дистиллята. В качестве модуля выбираем однопоточный теплообменник, для которого задаем следующий режим работы модуля (рис. 5):

24

– Basic Specification: Temperature Out is Bubble Pt. (это оз-

начает, что насыщенный пар из верха колонны конденсируется

(Х = 0, жидкость) при Т = Ткип и тепловая нагрузка на теплообменник равна теплоте конденсации: Qт/о = Qконд) (рис. 6);

–коэффициент теплопередачи Kтп = 30 Вт/(м2·К) (лимитируется отводом тепла от стенки в воздух);

–охлаждающий агент – воздух с начальной температурой

Т= 20 С и конечной температурой Т = 50 С.

Значения Kтп и температур, в принципе, могут быть другие.

Рис. 5. Ввод данных к расчету дефлегматора

Рис. 6. Диаграмма Т–S для выбора параметров

25

После расчета указанных параметров тепловая нагрузка на теплообменник и площадь теплопередачи появятся на экране (рис. 7).

Рис. 7. Результаты расчета характеристик

Тепловая нагрузка должна соответствовать тепловой нагрузке из модуля колонны.

При наведении мыши на модуль теплообменника на экране появится желтое окно с результатами расчета (рис. 8).

Рис. 8. Результаты расчета дефлегматора

Количество охлаждающего воздуха (Air M3V (NTP) /SE) (т.е. м3/с при нормальных термодинамических условиях) приведено в результатах расчета модуля.

26

3. Расчет куба

В отличие от расчета дефлегматора при данном расчете количество испаряемого вещества рассчитать будет невозмож-

но, поэтому его нужно будет подбирать.

Для этого моделируем теплообменник, в котором поток рассчитанного состава кубового остатка и какого-либо расхода является входящим. Температура и давление потока должны соответствовать давлению и температуре кубового остатка.

Сначала в качестве модуля выбираем однопоточный теплообменник, для которого задаем один параметр расчета –

Temperature Out is Dew Pt (рис. 9). Остальные значения не важны,

так как основная цель данного расчета – подобрать расход испаряемого вещества.

Рис. 9. Ввод данных к расчету куба (однопоточный теплообменник)

Спецификация расчета Temperature Out is Dew Pt. будет обозначать то, что заданное количество жидкости из нижней тарелки колонны будет полностью испарено до состояния насыщенного пара (Х = 1, газ) при Т = Ткип и тепловая нагрузка на теплообменник равна теплоте испарения: Qт/о = Qисп (см. рис. 6).

27

По окончании подбора количества жидкости заданного состава тепловая нагрузка на теплообменник должна соответствовать тепловой нагрузке на куб колонны (см. рис. 4). Полученный результат (рис. 10) отвечает этому требованию.

Рис. 10. Результаты расчета тепловой нагрузки на теплообменник

В данном расчете подобранное количество испаряемого потока равно 747,6 кг/ч.

Далее для данного расхода, состава и температуры моделируется двухпоточный теплообменник, в котором данный поток будет подаваться в межтрубное пространство. Задаем параметр расчета – Shell Side Temperature Out is Dew Pt., т.е. в кубе образу-

ется насыщенный пар (рис. 11). В трубное пространство подается поток греющего теплоносителя, например пара, температура которого превышает температуру в кубе.

Рис. 11. Ввод данных к расчету куба (двухпоточный теплообменник)

28

В ходе расчета параметры (температура и давление) и количество теплоносителя подбираются вручную таким образом, чтобы, например, при обогреве «глухим» паром (конденсирующимся до точки Dew Pt.) поток на выходе имел степень сухости, равную 0, и температуру, максимально приближенную к температуре пара, подаваемого в теплообменник. Рядом с теплообменником на экран можно вывести тепловую нагрузку и площадь теплопередачи.

Результаты расчета для Kтп = 250 Вт/(м2·К) приведены на рис. 12.

Рис. 12. Результаты расчета куба колонны с учетом теплоносителя

Количество греющего пара с давлением 28 кг/см2 и температурой 230 С получилось равным 867 кг/ч, а площадь теплопередачи 22,3 м2.

29

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Саулин Д.В. Математическое моделирование химикотехнологических систем: конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. –

Пермь, 2005. – 72 с.

2.Саулин Д.В. Design-II для Windows. Описание модулей оборудования и примеры их использования: конспект лекций. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 107 с.

3.Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: учеб. пособие для вузов: в 2 т. / под ред. Л.А. Серафимова. – М.: Химия, 2004. – Т. 2. – 416 с.

30