Post on 30-Oct-2015
description
Proiect Fenomene de Transfer - Amestec Binar Benzen - Toluen
Universitatea Politehnica din Bucureti
Facultatea Chimie Aplicat i tiina Materialelor
PROIECTAREA UNEI COLOANE CU TALERE PENTRIU RECTIFICAREA UNUI AMESTEC BINAR
Autor: Andrei Niculescu,
grupa SIPOL an IIICuprins
Tema de proiect2Proprieti fizice ale componentelor i fazelor3Proprieti fizice pentru componenii puri. Dependena de temperatura.3Date de literatur care permit calculul proprieti.3Dimensionarea tehnologic a schimbtorului de cldur.5Bilanul termic5Determinarea geometriei optice9Calculul coeficienilor pariali de transfer termic10Coloana de rectificare16Bilant de materiale17Determinarea numarului minim de talere teoretice:18Refluxul18Determinarea refluxului minim18Determinarea refluxului optim:20Determinarea numarului de talere teoretice (metoda McCabe Thiele)20Calculul hidrodinamic al coloanei22Zona de concentrare24Zona de epuizare25Calculul hidrodinamic al coloanei ZC27Estimarea diametrului coloanei27S-a ales o fractie din viteza de inecare FI=0.428Determinarea diametrului coloanei:28Se alege o valoare a diametrului standardizat28Aria sectiunii transversaale a coloanei va fi:28Dimensiunile principale ale talerului cu clopote29Numarul clopotelor in lungul diametrului talerului:29Numarul total de clopote:30Inaltimea lichidului deasupra pragului deversor:32Calculul pierderilor de presiune pe talerul cu clopote37Calculul hidrodinamic al coloanei ZE39Eficienta talerelor46E = 0.58578847Concluzii48
Tema de proiect
S se proiecteze secventa de separare a unui amestec binar cunoscandu-se urmatoarele date:- amestecul supus rectificarii: BENZEN TOLUEN;- debitul de alimentare: A = 8000+800n [kmol/h], (n=2); - compoziia alimentarii: xF =0,3+0,01n=0.32;
- fraciile molare ale distilatului i rezidului: xD =0,75, xW =0,01;
- starea termic a alimentrii: q=1;
- presiuni orientative - pentru alimentare pF=790 torr;
- pentru vrful coloanei pD =760 torr;
- pentru blazul coloanei pW =820 torr;
- schimbtorul de cldur care se dimensioneaz in proiect: RW;tipul coloanei: TALERE CU CLOPOTEI.Secventa de separare dureaza =8000 h/an. Preincalzitoru care va fi dimensionat e un schimbator de caldura multitubular cu pozitionarea VERTICAL. Agentul termic e a aburul tehnologic aflat la o presiune de p=1,2 atm. Tempereatura initiala a amestecului = 20C.Proprieti fizice ale componentelor i fazelor Amestecul supus rectificrii este BENZEN (B) TOLUEN (T). n acest amestec, componentul mai puin volatil este benzenul, pe care l vom nota n relaiile de calcul cu cifra 1, iar componentul mai greu volatil (toluenul) l vom nota cu cifra 2.
Proprieti fizice pentru componenii puri. Dependena de temperatura.
Temperaturile de fierbere: - tf benzen = 80,13 C (uor volatil) - tf toluen = 110,50 C (greu volatil)
Constante Margules: A12 = 0,0242
A21 = -0,0584
Tabelul 1. Constante Antoine:CompusABC
(1)6,905651211,033220,79
(2)6,953341343,943219,377
Date de literatur care permit calculul proprieti.
Pentru a utiliza proprietile amestecului n diferite forme, exist o serie de date ce prezint corelaii ntre acestea. Formulele de calcul le putem gsi n literatur n: Octavian Floarea: Operaii i utilaje n industria chimic, Probleme pentru subingineri, sau Pavlov, Romankov.
Date utilizate n calcule:
densitatea unui amestec se calculeaz cu formula:
EMBED Equation.DSMT4 i fraciile masice ale componenilor amestecului;
am, i densitatea amestecului i densitile componenilor;
n nr. de componeni.
vscozitatea unui amestec se calculeaz cu formula:
i vscozitile componenilor amestecului;
xi fraciile molare ale componenilor amestecului;n nr. de componeni.
conductivitatea unui amestec se calculeaz cu formula:
i conductivitile componenilor amestecului;
xi fraciile molare ale componenilor amestecului;
n nr. de componeni.
cldura specific a unui amestec se calculeaz cu formula:
Cpi caldurile specifice ale componenilor amestecului;
xi fraciile molare ale componenilor amestecului;
n nr. de componeni.
masa molar a amestecului se calculeaz cu fomula:
Mi masele molare ale componenilor amestecului;
xi fraciile molare ale componenilor amestecului;
n nr. de componeni.
Tensiunea superficiala a amestecului se calculeaz cu formula:
tensiunile superficiale ale componenilor amestecului;
xi fraciile molare ale componenilor amestecului;
n nr. de componeni.
Pentru efectuarea calculelor este indicat i necesar a se folosii aceleai uniti de msur. De aceea, se folosesc i o serie de relaii ntre unitile de msura:
- pentru presiune: 1 atm = 760mmHg =1,013*105 N/m2 - pentru vscozitatea dinamic: 1cP = 10-3 kg/m*s
- factori de transformare in S.I.: cP*10-3 = N/m*s2 ( kcal/kg*grd)*4186 = J/kg*grd dyn/cm*10-3 = N/m. (kcal/m*h*grd)*1.1626 = W/m*grdDimensionarea tehnologic a schimbtorului de cldur.
Dimensionarea tehnologic a unei aparaturi chimice presupune calculul acelei aparaturi. Astfel, calculul schimbtorului de cldur RW presupune rezolvarea unui bilan de materiale, a unui bilan termic i a determinrii ariei de transmitere a cldurii.
Bilanul de materiale pe instalaieAplicnd bilanul de materiale pe ntreaga instalaie putem scrie:
(a) A= D + W (b) A xF= D xD+W xw unde - A este debitul de alimentare (8000+800*n = 9600 kmoli/h; deoarece n = 2);
- D este debitul de distilat;
- W este debitul de reziduu;
- xF,xD xw reprezint fraciile molare ale alimentrii, distilatului i reziduluui (xF = 0,32 ; xD = 0,75; xW = 0,01).nlocuind n acest sistem se obine:
(a) A= D +W9600 = D +Wi
(b)A xF= D xD+ W xw96000.32 = D 0,75 + W 0,01De unde vor rezulta debitele de distilat i de reziduu: D = 40 kmol/h iW= 56 kmol/h.
Transformam debitul de alimentare A in debit masic (Gm)
Gm = A/ * 10^3/3600 = 9600/8000 * 10^3/3600 ( Gm = 0.34 Bilanul termic
Pentru a putea aplica bilanul termic instalaiei, nti trebuie s se determine temperatura de fierbere a reziduului i debitul de ap de rcire necesar.
Temperatura de fierbere a amestecului
Pentru a realiza curba de echilibru este necesar s se cunoasc fraciile molare ale componenilor amestecului la diferite temperaturi. Acestea se gsesc tabelate, conform tabelului 3:Tabelul 3. Compoziiile lichidului i ale vaporilor.
t (C)X (%)Y (%)
110,0500
105,311020,8
101,462037,2
983050,7
95,054061,9
92,35071,3
89,746079,1
87,297085,7
84,998091,2
82,689095,9
81,439598
80,13100100
Diagrama de fierbere
Din diagram se observ c temperatura de fierbere a amestecului este tf=99.1C.Constantele lui Antoine:
ABC
Benzen6.905651211.033220.79
Toluen6.953341343.943219.377
Se calculeazea presiunile de vaporizare cu relatiile lui Antoine:
Temperatura medie a amestecului, tm, se calculeaz cu ajutorul relaiei:
tm= (tf+tapa)\2 i este egal cu:
tm= 59.55Calculam densitatile componentilor si densitatea amestecului, toate la temperatura medie:benzen=900-1.086*tm835.3287kg/m^3
toluen=885.536-0.98*tm827.177kg/m^3
wi=wf=(xi*Mi)/(xi*Mi+(1-xi)My)0.285192rezulta wf=0.28 si 1-wf=0.72
am=1/[(wf/benzen)+((1-wf)/toluen)829.4434
Masele moleculare ale componentilor sunt:
Mbenzen=78
Mtoleun=92
Putem calcula astfel debitul volumetric, Gv:
Gv=Gm/am0.00041
Calculam caldurile specifice ale benzenului si toluenului la temperatura medie folosin anexa din carte:
cp benzen = 1639+4.657*tm
cp toluen = 1620+4.343*tm
cp benzen=1916.32435 J/kg*grd
cp toluen=1878.62565 J/kg*grd
Apoi calculam caldura specifica a amestecului cu formula:
cp am = 0.32*cp benzen+0.68*cp toluen
Rezulta:
cp am=1890.68923
Calculam debitul de apa necesar folosind r=2248*10^3= 2248000 (pt p=1,2 atm) cu formula:
Ga = (Gm*cp am * t)/r
Ga=0.0226193
Calculam si caldura transmisa in unitatea de timp:
Q=Gm*cp am*t50848.19626
Determinarea geometriei optice
Se realizeaz pornind de la ecuaia de transfer termic:
n care:
Q este cantitatea de cldur transmis n unitatea de timp prin suprafaa A, n W (J/s; kcal/h);
K coeficientul total de transfer de cldur, n W/m2grd (kcal/m2hgrd);
tm diferena medie de temperatur, n CUtilizndu-se un schimbtor de cldur n contracurent, apa circul n contracurent cu amestecul de separat, iar diferena medie de temperatur se calculeaz cu relaia:
Reamintim ca:
ti, am = 20C
tf = 99.1 Cta = 105 C
Rezulta
Suprafaa de transfer termic pentru un coeficient total de transfer termic propus K = 1068.952 W/m2grd va fi:
Aceast arie se standardizeaz, obindndu-se date referitoare la geometria schimbtorului.
A stas = 1.9
Acestei arii ii corespund conform alegerii din table urmatoarele valori:
n=13
d=0.025(in m)
= 0.002(in m)
s=0.004(in m)
Dteava=0.049(in m)
Lteava=2(in m)
n care d diametrul interior al mantalei; s grosimea mantalei; grosimea evii;
d diametrul exterior al evii; n numrul de evi; L lungimea evii.
Calculul coeficienilor pariali de transfer termic
Calculul coeficienilor pariali de transfer termic presupune cunoatere anumitor proprieti fizico-chimice la temperatura medie de lucru, precum i a anumitor relaii criteriale.
Calculul coeficientului parial de transfer termic (1 presupune utilizarea proprietilor caracteristice amestecului care circul prin evi (amestecul benzen toluen), la temperatura medie - (59.55C).
Reamintim ca densitatile au fost calculate mai sus:benzen=900-1.086*tm835.3287kg/m^3
toluen=885.536-0.98*tm827.177kg/m^3
wi=wf=(xi*Mi)/(xi*Mi+(1-xi)My)0.285192rezulta wf=0.28 si 1-wf=0.72
am=1/[(wf/benzen)+((1-wf)/toluen)829.4434
Vscozitatea amestecului la aceeai temperatur se determin cu ajutorul relaiei:lg amestec = xi * lg i benzen 0.000384
toluen0.000251
amestec0.000288
Conductivitatea termic a amestecului este dat de relaia:
benzen= 0.135791
toluen=0.127893
amestec=0.130104
Se calculeaza Reynolds pentru aflarea refimului de curgere:
unde :c cldura specific (J/kggrd)
( - vscozitatea amestecului (daP);
( - conductivitatea termic (W/mgrd)Re=4634.936
Pr= 4.178402
B=242.0828
Nu= 171.8881
Rezulta
amestec= 894.5361W/m*m*grd
Cldura specific a amestecului este dat de relaia
cp am=1890.68923 J/kmol*grd
Viteza de curgere a fluidului este calculata mai susam=(4*Gv)/(n*3.14*d^2)0.064269m/s
n care: Gv este debitul volumetric, n m3/s;
N este numrul de treceri;
di2 este diametrului interior al evii;
n numrul de evi;
Pentru calculul celui de-al doilea coeficient parial de transfer 2, se calculeaza si apoi se calculeaza .
Mentiune: Am calculat cu formula pentru regimul laminar in deoarce diferenta dintre rezultatul calculului pentru regimul turbulent este aproape identic ca valoare. Astfel:
Valorile pentru densitate, conductivitate si vascozitate fiind calculate cu ajutorul tabelului si ale graficelor urmatoare:
TemperaturaDensitateConductivitateVascozitate
80981.80.67335.2
90965.30.67830.89
100958.40.68227.75
1109510.68425.49
105953.6050.6830732750.0002654
tp=0.5tabur+0.5tm= 82,275
Pentru verificarea erorii se calculeaza:
Acalc=Q/(kcalc*tm)2.370764417
Unde:
Valorile obinute pentru dimensionarea schimbtorului
Mrime i uniti de msurValoare numeric
Debit masic de alimentare, G ( )0.34
Temperatura de fierbere a amestecului, tfam ()99.1
Temperatura medie a amestecului, tm ()59.55
Caldura specific a amestecului, cpam ()1890.68923
Cantitatea de cldur, Q ()50848.19626
Debitul de abur, Gabur ()0.226193
Diferena medie de temperatur, tm ()
Aria necesar, Anec (m2)1.6043
Aria STAS, ASTAS (m2)1.9
Densitatea amestecului, am ()829.4434
Vscozitatea amestecului, am ()0.000288
Conductivitatea amestecului, am ()0.130104
Debit volumetric, Gv ()0.00041
Viteza de curgere a fluidului, wam ()0.064269
Criteriului Reynolds, Re 4634.936
Criteriul Prandtl, Pr4.178402
Criteriul Nussel, Nu171.8881
Coeficientul parial de transfer termic, (W/m2grd.)894.5361
Coeficientul parial de transfer termic al condensului, cond (W/m2grd.)4523.17346
Coeficientul total de transfer termic, kcalc (W/m2grd.)723.348322
Aria calculate, Acalc (m2)2.37076442
Eroarea , (%)12.8570728
Coloana de rectificare
O coloana de rectificare este reprezentata in figura urmatoare:
Coloana este cu funcionare continu fiind alimentat cu amestecul care urmeaz a fi separate, de compoziie cunoscut, exprimat ca fracie molar a componentului uor volatile, xF. caldur necesar fierberii qw este furnizat de refierbtor, care este montat in partea inferioara a coloanei. Refierbtorul poate fi nglobat n coloan sau poate fii un schimbtor de caldur extern. In figura de mai sus s-a optat pentru un refierbtor extern. Vaporii care rezult din rerfierbtor, se reindtroduc in coloan, unde se ntlnesc cu un curent de lichid, care reprezint refluxul, L. ceea ce nu se vaporizeaz n refierbtor reprezint produsul de blaz sau reziduul coloanei, W. Prin schimbul de caldur i de substant vaporii se mbogaesc n componentul uor volatile, in timp ce lichidul se mbogaete n componentul greu volatil. Refluxul se obine prin condensarea vaporilor in partea superioar a coloanei. In condensator se preia caldura de condensare a vaporilor din partea superioar a coloanei, qc. o parte din lichidul condensat il reprezint distilatul sau produsul de vrf al coloanei, D , iar cealalt parte este refluxul de lucru, L.Coloana este format din dou zone, cea de deasupra talerului de alimentare se numete zona de concentrare, aici realizandu-se concentrarea n component uor volatile, in timp ce zona de sub talerul de alimentare se numete zona de epuizare, deoarece, aici, componentul volatil este minoritar, iar amestecul devine mai bogat n componentul greu volatil.
Dimensionarea tehnologic a coloanelor de rectificare const n determinarea prin calcul a diametrului coloanei i a numrului de talere reale.
Determinarea numarului de talere teoretice ale unei coloane de rectificare a unui amestec binar
Bilant de materiale
Masele moleculare ale componentilor sunt:
Masele moleculare medii ale componentilor sunt:
Calculul debitelor masice in distilat (GD), blaz (GW) si alimentare (GF)
Determinarea numarului minim de talere teoretice:Numrul minim de talere se poate determina grafic sau analitic. Metoda folost n acest proiect este metoda grafic.
Pentru determinarea numrului minim de talere teoretice se pornete de la diagrama de echilibru pe care se fixeaz punctele de interes, concentraia corespunztoare distilatului xD i concentraia corespunztoare reziduului xW. Pornind din punctul D de coordonate (xD, xD) se traseaz dreapta n trepte ntre curba de echilibru i diagonala graficului pn la atingerea sau depirea punctului W de coordonate (xW, xW). Semnificaia fizic a desenului este urmtoarea: trasarea liniilor orizontale este echivalent cu aplicarea unor relaii de echilibru, n timp ce trasarea unor linii verticale este echivalent cu aplicarea relaiilor de operare. Astfel s-au obinut un numar minim de 5 talere (Nmin = 6).
RefluxulRefluxul reprezint cantitatea de lichid provenit din condensarea vaporilor n condensatorul coloanei, care este readus n coloan.
Noiunea de reflux poate avea dou situaii limit:
REFLUX TOTAL cnd vaporii care prsesc coloana sunt condensai i reintrodui n coloan. n acest caz dreapta de operare se confund cu diagonala;
REFLUX MINIM care reprezint cantitatea minim de lichid provenit din condensarea vaporilor de pe primul taler ce trebuie reintrodus n coloan astfel nct s se asigure o separare impus din punct de vedere teoretic.
Refluxul minim pentru amestecuri binare se calculeaz cu relaiaDeterminarea refluxului minim
Pentru a determina refluxul minim grafic, mai nti trebuie trasat dreapta q care are urmtoarea expresie:
Aceast dreapt are panta q / (q-1) i trece prin punctul de coordonate (xF, xF) care este situat pe diagonala diagramei de echilibru descris de relaia y = x. n figura urmtoare sunt prezentate mai multe drepte q n funcie de valoarea acestui parametru. Fiecare dintre ele corespunde unei anumite stri de agregare a amestecului de alimentare:
- lichid rece, sub temperatura de fierbere (tF ( tf) sau q>1;
- lichid saturat (tF = tf) sau q=1;
- lichid parial vaporizat (amestec de lichid i vapori saturani) (tf ( tF ( tc) sau 0