книги / Процессы и аппараты химической технологии. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2

где – параметр, учитывающий ассоциацию молекул воды, =2,6; М – молекулярная масса воды; μ – динамический коэффициент вязкости воды, мПа·с, при средней температуре в колонне tср ( С) (табл. П.1.4); Тср – средняя температура в колонне, К; v – мольный объемдиффундирующеговещества,дляэтиловогоспиртаv = 57,8.

1.2.9. Рассчитать безразмерные комплексы k1, k2:

где Sсв – относительная площадь свободного сечения тарелки, Sсв 0,13; hп – высота сливной перегородки, hп 0,02, м; –

поверхностное натяжение жидкости в условиях для средней части колонны (табл. П.1.5), Н/м.

1.2.10. Теоретический средний КПД тарелки рассчитать по критериальному уравнению, полученному путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:

теор 0,068 k10,1 k120,115.

Вариант 2. Работа колонны с отбором дистиллята

2.1. Расчет опытного среднего КПД тарелок

2.1.1. По замеренным в конце каждого опыта объемным концентрациям спирта во флегме, дистилляте и кубовой жидкости определить в них массовые доли этилового спирта xф , xд

(xф = xд ) и xW по табл. П.1.1.

2.1.2.Найденные таким образом составы флегмы, дистиллята и кубовой жидкости пересчитать на мольные доли xф , xд и xW

по формуле:

41

где х – мольная доля спирта, кмоль спирта / кмоль смеси; x – массовая доля спирта, кг спирта / кг смеси; 46 – молекулярная масса этилового спирта; 18 – молекулярная масса воды.

2.1.3.По данным табл. П.1.2 построить диаграмму равновесия у–х, выраженную в мольных долях этилового спирта

(см. рис. 2.2).

Предварительно необходимо пересчитать массовые доли этилового спирта x и y из табл. П.1.2 в мольные доли х и у.

2.1.4.Определить массовый расход (кг/с) флегмы GR и дистиллята Gд при работе колонны:

GR VR R ,

где VR – объемная производительность колонны по флегме, м3/с;R – плотность флегмы, кг/м3, определяемая по табл. П.1.3 в зависимости от массовой доли спирта во флегме xф.

Во втором варианте работы колонны (с выдачей дис-

тиллята) Gд Vд д , где Vд – объемная производительность ко-

лонны по дистилляту, м3/с; д – плотность дистиллята, кг/м3. 2.1.5. Определить коэффициенты А и В уравнения рабо-

чей линии.

Во втором варианте работы колонны (с выдачей дис-

тиллята) рабочая линия будет располагаться между линией равновесия и диагональю диаграммы.

Уравнение рабочей линии:

y(x) A x B,

где А, В – коэффициенты уравнения рабочей линии, A RR 1,

B Rxд 1, R – флегмовое число.

2.1.6. На построенной по первому варианту равновесной диа- граммеу–х(см.рис.2.3)построитьрабочуюлинию: y(x) A x B.

42

2.1.7.На диаграмму равновесия нанести точки (хд; yд)

и(хW; yW), характеризующие составы флегмы и кубовой жидкости. Для этого:

по табл. П.1.2 для ранее найденных xд и xW определить

соответствующие равновесные массовые составы газовых фаз yд* и yW* для дистиллята и кубовой жидкости;

по аналогии с п. 2.1.2 пересчитать на мольные доли yд* и yW* .

2.1.8. Число теоретических тарелок nт (может быть дроб-

ным) определяется в результате построения ступенек между рабочей и равновесной линиями в диапазоне от хW до точки с абсциссой хд (для примера, приведенного на рис. 2.6, nт 2,8 ).

Рис. 2.6. Пример построения диаграммы равновесия и рабочей линии в среде Mathcad с определением числа теоретических тарелок для второго варианта выполнения лабораторной работы

По результатам графического расчета теоретического числа тарелок определить их КПД:

оп nт .

nд

43

2.2. Расчет теоретического среднего КПД тарелок

2.2.1.Определить молекулярную массу дистиллята Mд

икубовой жидкости MW :

Mд 46 xд 18 1 xд ,

MW 46 xW 18 1 xW .

2.2.2. Вычислить среднюю молекулярную массу пара Mср:

Mср Mд MW 2.

2.2.3. Определить среднюю температуру в колонне Тср (К):

Тср tд 2tW 273,

где tд, tW – температуры дистиллята и кубовой жидкости, С. 2.2.4. Рассчитать среднюю плотность пара п (кг/м3):

Мср 273.

п 22,4 Тср

2.2.5. Вычислить среднюю скорость пара (м/с) по формуле:

2.2.6. Рассчитать среднюю плотность жидкости (кг/м3):

ж д 2 W .

2.2.7. Определить коэффициент молекулярной диффузии (м2/с) по приближенной формуле:

Dж 7,4 10 12 ( M )0,5 Tср ,

v0,6

44

где – параметр, учитывающий ассоциацию молекул воды,= 2,6; М – молекулярная масса воды; μ – динамический коэффициент вязкости воды, мПа·с, при средней температуре в колонне tср ( С) (табл. П.1.4); Tср – средняя температура в колон-

не, К; v – мольный объем диффундирующего вещества, для этиловогоспиртаv =57,8.

2.2.8. Рассчитать безразмерные комплексы k1, k2:

где Sсв – относительная площадь свободного сечения тарелки,

поверхностное натяжение жидкости в условиях для средней части колонны (табл. П.1.5), Н/м.

2.2.10. Теоретический средний КПД тарелки рассчитать по критериальному уравнению, полученному путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:

теор 0,068 k10,1 k20,115.

Результаты вычислений свести в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Расчетные результаты

45

Составление отчета

Отчет по лабораторной работе должен включать в себя:

–схему установки;

–результаты графического определения числа теоретических тарелок (диаграмма у–х);

–расчеты определяемых величин;

–табл. 2.1, 2.2 и 2.3;

–анализ полученных результатов с определением процента расхождения результатов расчетов опытного и теоретического среднегоКПДтарелок.

Контрольные вопросы

1.Порядок выполнения работы.

2.Равновесие в процессе ректификации, влияние температуры и давления на равновесие. Равновесные линии различных смесей на диаграмме у–x; диаграмма t–х–у.

3.Закон Рауля и Дальтона, движущая сила процесса.

4.Материальный баланс и уравнения рабочей линии для исчерпывающей и укрепляющей частей.

5.Флегма, флегмовое число, коэффициент избытка флегмы. Влияние флегмового числа на число тарелок.

6.Расчет числа тарелок по кинетической кривой.

7.Расчет высоты колонны по числу единиц переноса.

8. Схема ректификационных установок периодического

инепрерывного действия.

9.Конструкция тарелок. Виды и характеристики насадок.

46

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Цели работы:

–построение кривых сушки и скорости сушки;

–определение опытного значения коэффициента массоотдачи и сравнение его с расчетным значением.

Сведения из теории

Сушка – процесс удаления влаги из влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Весьма распространенным способом проведения этого процесса в промышленных условиях является конвективная сушка, т.е. сушка путем непосредственного соприкосновения сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом.

Для расчета и проектирования сушильных аппаратов необходимо знать кинетику сушки, которая характеризуется изменением во времени средней влажности материала u

мость влажности материала от времени сушки и f графи-

чески изображается кривой линией (рис. 3.1), которая носит название кривой сушки. Кривую сушки строят по опытным данным путем взвешивания через определенные промежутки времени образца материала с известной начальной влажностью. На рис. 3.1 приведена также кривая нагрева t f вы-

сушиваемого материала.

47

сыщенное состояние) и в окружающей среде, влага в виде пара диффундирует через пограничный слой сушильного агента у поверхности материала. Скорость сушки не зависит от сопротивления массопроводности внутри материала и полностью определяется диффузией во внешней среде.

Отрезок СD – период равномерно падающей скорости.

Это период внутренней диффузии влаги. По мере высушивания подвод влаги к внешней поверхности материала становится недостаточно быстрым для компенсации испаряющейся с нее влаги. С этого момента (точка С) на внешней поверхности материала появляются сухие участки, доля увлажненной поверхности уменьшается, зона испарения углубляется внутрь материала, скорость сушки снижается. Скорость испарения влаги со смоченной части поверхности при этом не изменяется.

В этот период скорость процесса сушки лимитируется диффузией влаги из внутренних слоев к поверхности материала, зависит от структуры материала и его температуры, но мало зависит от внешних условий. В течение этого периода скорость сушки пропорциональна содержанию влаги в материале и изменяется по линейному закону. Температура материала при этом повышается (t tМТ ).

Отрезок DЕ – период неравномерно падающей скорости.

Происходит внутренняя диффузия тепла, влаги и пара. При дальнейшем уменьшении влажности материала вся его поверхность высыхает, влага испаряется преимущественно в глубинных слоях. Тепло, необходимое для испарения влаги, передается уже через слой материала, а водяной пар диффундирует в направлении, противоположном тепловому потоку, т.е. через сухой пористый слой к поверхности. На этом участке, вид которого зависит от природы материала и от условий ведения процесса, наблюдается криволинейное падение скорости сушки. При уменьшении влажности материала до равновесной up скорость испарения влаги падает до 0 (du / d 0), температура материа-

50