книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1
.pdfНаходим отношение мольных расходов .газа и жидкости G/L. Из уравнения расхода для газа w = GMr/(ppS) получаем:
G/S = wpr/Mr = 0,041 • 13,4/20,3 = 0,0271 кмольДм'2-с).
Для жидкости:
- Т “ = - g - = 3,56 кмоль/(ма-с).
Отсюда
G/L = 0,0271/3,56 = 0,00761.
Коэффициент распределения m в уравнении (6,12):
Е 1 144-10®
m = Y f = —îë-735— e 97,3 ~ см* УРавнение (6-3)»
где коэффициент Генри Е = 1,144-10® мм рт. ст. (при 22 °С) получен интерполя цией данных табл. XLI.
Общая высота единицы переноса:
hDU= hy + hx = 0,205 + 97,3 0,00761 -0,91 = 0,205 + 0,675 = 0,88 м.
Пример 6.15. По данным примера 6.8 определить число еди ниц переносу в абсорбере с учетом обратного (продольного) пе ремешивания.
Р е ш е н и е . Число единиц переноса для условий идеального вытеснения, т. е. без учета обратного перемешивания, составляет:
п0у = (Кн — Кв)/ДКср = (0,0639 — 0,00128)/0,0079 = 7,93.
Искомое число единиц переноса с учетом обратного перемеши вания п'оу находим из уравнения
1 ___1______
п0у п0у Лобр
в котором поправка на обратное перемешивание п0ор равняется:
|
|
|
|
|
A In А |
Ф + Ре' |
|
|
|
|
|
|
|
А — 1 |
пр> |
|
|
я |
|
ъ |
. |
0,05 |
/ |
А |
\о |
|
Где А |
mG ’ |
|
|
(Р^р)0-25 |
|
|
|
|
Значение |
критерия |
Ревр |
вычисляют по уравнению: |
|
||||
|
|
|
1 |
|
1 |
, |
1 |
|
|
|
|
Ре'пр |
|
|
|
f Ре'м . ж |
|
Здесь |
}. |
|
поу + 6,8у40’<> |
|
}ж; |
п0у + 6,7А0-5 |
wrH |
|
|
«о*+ 6,8/11,5 |
|
Ре, |
£ г - |
||||
ж = |
Г |
|
|
|
п0у + б.вД - 0 ’5 ’ " М' Г |
|||
« А |
|
— модифицированные критерии Пекле для газа и жидкости; |
||||||
t0pt wm — скорости потоков газа и жидкости, м/с; £г, Ет — соответствующие коэффициенты обратного перемешивания, м2/с; Н — рабочая длина аппарата — высота слоя насадки, м.
По данным |
примера |
6.8 |
находим: |
|
||||
|
V |
Кн — Кв |
0.0639 — 0,00128 |
|
||||
|
С' |
~~ Хп — Х ь ~ |
|
0.0234 — 0 |
|
|||
|
т = |
dV* |
= |
1,68; |
А |
V |
2.67 |
= 1,59. |
|
dX |
mG' |
1.68 |
|||||
Примем |
предварительно п^у = 9. |
Тогда |
|
|||||
Л “ |
9 -f 6,8.1,59°’5 |
0,78; |
/ж = - |
9 - f 6,8-1.59^5 = 1,22. |
||||
9 - f 6,8.1,59й5 |
|
|
|
9_j_ 6,8-1,59~°*5 |
||||
Для определения скоростей газа и жидкости (wv и wm) необ ходимо найти доли поперечного сечения абсорбера, занимаемые каждым потоком в отдельности. Долю объема насадки б, заня тую жидкостью, рассчитаем по уравнению [6.3]:
6 = 4,8310” 4оГм35Л*°’24,
в котором
3000
=0,0114 кг/(с-м);
“ So 3600-0,358-204
db = 4VCB/o = 4-0,74/204 = 0,0145 м.
Подставляя эти значения, находим:
6 = 4,83. Ю^4.204-0,0114о*435/0,0145°*24 = 0,039.
Скорость течения жидкости в слое насадки:
|
Wm Рш50 |
3000 |
-0,06 м/с. |
|
|
3600.1000.0,358-0,039 |
|||
|
|
|
||
Скорость |
газа: |
|
|
|
|
Рг*5 (Vсв — 6) - |
1810 |
|
= 1,67 м/с. |
г |
3600-1,2-0,358(0,74 - 0,039) |
|||
Величины коэффициентов обратного перемешивания Ет и Еш находят опытным путем — см. пример 1.37. Для ориентировочного их определения в насадочном абсорбере воспользуемся критери альными уравнениями.
Для жидкой фазы:
^ V £« = 7*58-10' 3Re* 03-
Для газовой фазы:
, |
п л п __0.2 |
1 а —0.002 Re |
|
“'ЛWrdJ/Ec — 2»4 Rer |
•10 |
||
В этих уравнениях: |
dRLcS |
|
dffiç |
Re» |
Rer |
||
|
S|A,K * |
|
S(ir * |
где dH— номинальный размер элементов насадки, м.
центрадию X нитробензола и его объемную мольную концентра цию Сх.
6.2. Состав жидкой смеси: хлороформа 20%, ацетона 40%, сероуглерода 40%. Проценты мольные. Определить плотность смеси, считая, что изменения объема при смешении не проис
ходит.
6.3. Воздух насыщен паром этилового спирта. Общее давление воздушно-паровой смеси 600 мм рлг. ст., температура 60 °С. При нимая оба компонента смеси за идеальные газы, определить от
носительную массовую концентрацию Y этилового спирта в смеси
иплотность смеси.
6.4.Газ состава: водород 26%, метан 60%, этилен 14% (про
центы мольные) имеет давление /?абс = 30 кгс/см2 и температуру 20 °С. Считая компоненты""смеси идеальными газами, определить
их объемные массовые концентрации Су (в кг/м3). 6.5. Показать, что в формуле
______СуМд______
(см. табл. 6.2)
Р + Су (Мв — Л4д)
при любых значениях Мв и МА у не может быть отрицательным.
6.6.В условиях примера 6.3 (а) определить движущую силу процесса массоперехода в начальный момент времени по газовой
ипо жидкой фазе в объемных концентрациях, мольных и мас совых.
6.7.Пар бинарной смеси хлороформ — бензол, содержащий 50% хлороформа и 50% бензола, вступает в контакт с жидкостью, содержащей 44% хлороформа и 56% бензола (проценты мольные). Давление атмосферное. Определить: а) из какой фазы в какую будут переходить хлороформ и бензол; б) движущую силу про цесса массопередачи по паровой и по жидкой фазе на входе пара
вжидкость (в мол. долях). Данные о равновесных составах см.
втабл. XLVII.
6.8.СмесК воздуха с паром четыреххлористого углерода, сжа тая до абсолютного давления 10 ктс/см2, охлаждается в трубчатом водяном холодильнике. Пои 40 °С начинается конденсация че тыреххлористого углерода. Определить: а) массовый процент
его в воздухе в начальной смеси ц б) степень выделения из газовой смеси после охлаждения ее до 27 °С. Давление насы щенного пара четыреххлористого углерода — см. рис. XIV или XXIV.
6.9. Газовая смесь, содержащая 0,8% (об.) октана, сжимается компрессором до рабс = 5 кгс/см2 и затем охлаждается до 25 °С. Определить степень выделения октана. Как изменится степень выделения, если охладить сжатую газовую смесь холодильным рассолом до 0 °С? Давление насыщенного пара октана — см. рис. XIV, точка 31.
6.10* Рассчитать коэффициенты молекулярной диффузии под атмосферным давлением: а) пара бензола в ларе толуола при тем пературе 100 °С; б) пара этилового спирта в водяном паре при температуре 92 °С.
6.11. Определить коэффициент массопередачи в орошаемом
водой |
абсорбере, |
|
в котором |
$у = 2,76-Ю”3 кмоль/(м2*ч-кПа), |
|
а Рас = |
1,171СИ |
м/с. Давление в аппарате ргбс = 1*07 |
кгс/см2. |
||
Уравнение линии |
равновесия |
в мольных долях: у* = |
102л;. |
||
6.12. Определить среднюю движущую силу и общее число еди ниц переноса п0у при поглощении из газа паров бензола маслом. Начальная концентрация бензола в газе 4% (об.); улавливается 80% бензола. Концентрация бензола в масле, вытекающем из скруббера, 0,02 кмоль бензола/кмоль чистого масла. Масло, по ступающее в скруббер, бензола не содержит. Уравнение равновес ной линии в относительных мольных концентрациях:
у* = 0,126Х.
Движущуйэ силу выразить в единицах концентрации Y (кмоль бензола/кмоль инертного газа).
6.13. В скруббере поглощается водой диоксид серы из инерт ного газа (а$ота) под атмосферным давлением (760 мм рт. ст.). Начальное содержание диоксида серы в газе 5% (об.). Температура воды 20 °С, ее расход на 20% больше теоретически минимального. Извлекается из газа 90% S02. Определить: 1) расход воды на поглощение 1000 кг/ч сернистого газа; 2) среднюю движущую силу процесса; 3) общее число единиц переноса поу. Линия рав новесия может быть принята за прямую; координаты двух ее то чек: 1) парциальное давление S02 в газовой фазе р = 39 мм рт. ст.,
X = 0,007 кг Б 0 2/ к г воды; 2) р = 26 мм рт. ст., X = 0,005 к р S02/Kr воды.
6.14. В насадочном абсорбере производится поглощение пара
метилового |
спирта водой |
из газа под атмосферным давлением |
при средней |
температуре |
27 °С. Содержание метилового спирта |
в газе, поступающем в скруббер, 100 г на 1 м3 инертного газа (счи тая объем газа при рабочих условиях). На выходе из скруббера вода имеет концентрацию 67% от максимально возможной, т. е. от равновесной с входящим газом. Уравнение растворимости метилового спирта в воде в относительных мольных концентра циях: Y* — 1,15Х. Извлекается водой 98% от исходного коли чества спирта. Коэффициент массопередачи: Кх = 0 ,5 кмоль
спирта j ^м2 »ч ~ ^ д ЬСр”д^а ) - Расход инертного газа 1200 м3/ч
(при рабочих условиях). Абсорбер заполнен насадкой из керами ческих колец с удельной поверхностью 190 м2/м3. Коэффициент смачивания насадки ф = 0,87. Фиктивная скорость газа в аб сорбере w = 0,4 м/с. Определить расход воды и требуемую вы соту слоя насадки.
6.15. В скруббер диаметром 0,5 м подается 550 м3/ч (при 760 мм рт. ст. и 20 °С) воздуха, содержащего 2,8% (об.) аммиака, который поглощается водой под атмосферным давлением. Степень извлечения аммиака 0,95. Расход воды на 40% больше теорети чески минимального. Определить: 1) расход воды; 2) общее число
единиц переноса поу\ 3) |
высоту |
слоя |
насадки |
из керамических |
||
колец |
50x 50x 5 мм. |
Коэффициент |
массопередачи: |
Ку = |
||
= 0,001 |
кмоль аммиака Д м 2-с- |
кмоЛьвозлуха )■ |
Данные |
о рав |
||
новесных концентрациях жидкости и газа взять из Ъримера 6.10. Коэффициент смоченности насадки ф = 0,9.
6.16.Вывести формулу для определения высоты единицы переноса в насадочном абсорбере для жидкой фазы hx из критери ального уравнения (6.46).
6.17.Воздух с примесью аммиака пропускается через ороша емый водой скруббер, заполненный насадкой из колец с удельной поверхностью 89,5 м2/м8. Свободный объем насадки 0,79 м^м3. Температура абсорбции 28 °С, абсолютное давление 1 кгс/см2. Среднее содержание аммиака в газовой смеси 5,8% (об.). Мас
совая скорость газа, отнесенная к полному |
сечению скруб |
||||||
бера, 1,1 кг/(м2*с). Определить коэффициент |
массоотдачи |
для |
|||||
газа, |
считая, |
что |
скруббер работает при |
пленочном |
ре |
||
жиме. |
|
|
коэффициент массоотдачи |
от жидкой |
фазы |
||
6.18. Рассчитать |
|||||||
в насадочном абсорбере, |
в котором производится поглощение ди |
||||||
оксида углерода |
водой |
при температуре 20 °С. Плотность ороше |
|||||
ния |
60 |
м3/(м2*ч). |
Насадка — керамические |
кольца 35х35х |
|||
Х4 |
мм |
навалом. Коэффициент смоченности насадки ф = |
0,86. |
||||
6.19. |
Определить коэффициент массоотдачи для газа в скруб |
||||||
бере при поглощении пара бензола из коксового газа по следующим данным: насадка хордовая из реек 12,5х 100 мм с расстоянием между рейками b = 25 мм (для такой насадки йэ = 2Ь = 0,05 м); скорость газа, считая на полное сечение скруббера, 0,95 м/с; плотность газа 0,5 кг/м3; динамический коэффициент вязкости газа 0,013 мП ас; коэффициент диффузии бензола в газе 16 10~в м2/с. Режим считать пленочным.
6.20. Определить диаметр и высоту тарельчатого абсорбера для поглощения водой аммиака из воздушно-аммиачной смеси при атмосферном давлении и температуре 20 °С. Начальное содержа ние аммиака в газовой смеси 7% (об.). Степень извлечения 90%. Расход инертного газа (воздуха) 10 000 м3/ч (при рабочих усло виях). Линию равновесия считать прямой, ее уравнение в относи
тельных массовых концентрациях: Y* = 0,61|Х. Скорость газа ц абсорбере (фиктивная) 0,8 м/с. Расстояние между тарелками 0,6 м. Средний к. п. д. тарелок 0,62. Коэффициент избытка по глотителя ф = lw3.
6.21. По условиям предыдущей задачи определить: 1) высоту насадочного абсорбера с насадкой из керамических колец 50X
Х 50х5 мм, приняв Лэ — высоту слоя насадки, эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ), равной 0,85 м; 2) величину ко эффициента массопередачи в этом насадочном абсорбере Ку кг
К |
„ |
кг |
аммиака\ |
, , |
м ‘с |
KJ |
воздуха/ 1 считая |
коэффициент смоченности |
|
насадки ф равным 0,9.
6.22.По данным контрольных задач 6.20 и 6.21 определить высоту слоя насадки через общее число единиц переноса поу и высоту единицы переноса (ВЕП) Н0у.
6.23.Абсорбер для улавливания паров бензола из парогазо вой смеси орошается поглотительным маслом с мольной массой 260 кг/кмоль. Среднее давление в абсорбере рабс = 800 мм рт. ст., температура 40 °С. Расход парогазовой смеси 3600 м3/ч (при ра бочих условиях). Концентрация бензола в газовой смеси на входе
вабсорбер 2% (об.) извлекается 95% бензола. Содержание бен зола в поглотительном масле, поступающем в абсорбер после ре генерации, 0,2% (мол.). Расход поглотительного масла в 1,5 раза больше теоретически минимального. Для расчета равновесных составов принять, что растворимость бензола в масле определя
ется законом Рауля. При концентрациях бензола в жидкости до
X = 0,1 кмоль бензола/кмоль масла |
равновесную зависимость |
|||
К* = / (X) считать |
прямолинейной. |
|
2) |
кон |
Определить: 1) расход поглотительного масла в кг/ч; |
||||
центрацию бензола |
в поглотительном |
масле, выходящем |
из |
аб |
сорбера; 3) диаметр и высоту насадочного абсорбера при скорости
газа в нем (фиктивной) 0,5 |
м/с и высоте единицы переноса (ВЕП) |
||
hoy = 0,9 |
м; 4) высоту тарельчатого абсорбера при среднем к. п. д. |
||
тарелок 0,67 и расстоянии между тарелками 0,4 м. |
|
||
6.24. |
В насадочном |
абсорбере диаметром 1 м диоксид серы |
|
поглощается водой из воздуха. Начальное содержание S02 в по |
|||
ступающей |
смеси 7% (об.). Степень поглощения 0,9. На |
выходе |
|
из абсорбера вода содержит 0,0072 кг S02/KP воды. Коэффициент |
|||
массопередачи в абсорбере |
Ку = г 0.005 кг S02j^M2 •с »~кг |
ха) ■ |
|
Насадка из керамических колец 50 x 50 x 5 мм. Коэффициент смо ченности насадки ф = 1. Высота единицы переноса hQy = 1,17 м. Определить расход воды в абсорбере.
6.25. В абсорбере под атмосферным давлением при темпера туре 20 °С поглощается из парогазовой смеси 300 кг бензола в 1 ч. Начальное содержание пара бензола в парогазовой смеси 4% (об.). Степень извлечения бензола 0,85. Жидкий поглотитель, по ступающий в абсорбер после регенерации, содержит 0,0015 кмоль бензола/кмоль поглотителя. Фиктивная скорость газа в абсорбере 0,9 м/с. Уравнение линии равновесия: Y* = 0,2Х, где У* и X выражены соответственно в кмоль бензола/кмоль инертного газа и кмоль бензола/кмоль поглотителя. Коэффициент избытка погло тителя ф = 1,4. Определить диаметр абсорбера и концентрацию бензола в поглотителе, выходящем из абсорбера.
Г л а в а 7
ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ
ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
1- Уравнение простой перегонки:
|
Хр |
|
(7.1) |
F |
С |
dx |
|
U? |
J |
у* — х * |
|
где F — начальное количество перегоняемой смеси; W — остаток жидкости в кубе после перегонки, у* и х — равновесные концентрации легколетучего (низкокипящего) компонента в паре и в жидкости; хр — содержание легколетучего
компонента в начальной смеси; xw — содержание легколетучего компонента в остатке после перегонки.
Средний состав перегнанной жидкости:
XD = |
Fxp |
WXyy |
(7.2) |
||
f |
_Ц7 |
* |
|||
|
|||||
Расчет по уравнениям (7.1) и (7.2) проводят, применяя либо мольные количества и мольные концентрации, либо массовые ко личества и массовые концентрации.
2. При перегонке нерастворимых в воде жидкостей с водяным паром (или инертным газом) расход пара рассчитывают по уравне нию:
Мв (II — Р) |
(7.3) |
|
МР(р |
||
|
Здесь GB — количество водяного пара, уходящего с паром перегоняемой жидкости, кг, G — количество перегоняемой жидкости, кг; М в н М — мольные массы воды и перегоняемой жидкости; Р — давление насыщенного пара перего няемой жидкости при температуре перегонки; П — общее давление смеси паров; ф — коэффициент, учитывающий неполноту насыщения водяного пара паром перегоняемого вещества (при ориентировочных расчетах принимают ф = 0,7
0,8).
3.Уравнения материального баланса ректификационной ко лонны непрерывного действия * (рис. 7.1):
Gif = Gp + Gwi |
(7.4) |
GpXp — ^ OXD “I" ^ w xWt |
(7-5) |
где Gpf GQ , G\p — массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубо вого остатка, хр , х^, xw — содержание легколетучего (ннзкокнпящего) компе-
нента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые или мольные доли.
* Приводимые ниже \ равнения справедливы для ректификационной ко лонны, обогреваемой глухим паром. При ректификации водных смесей с подачей р колонну острого пара уравнения машинального баланса н рабочей линии ннжнен чс.е*и колонны изменяются — см. пример 7.16.