Основы теплообмена в ректификационных установках. Расчет ректификационных установок.
Ректификация—перегонка одной и той же смеси с многократными частичными конденсацией и сепарацией паров.
Рассмотрим по рис.совместно принцип работы установки и происходящие в ней процессы тепло- и массообмена. В перегонном кубе I за счет подвода тепла происходит испарение бинарной смеси. Пары смеси поднимаются в ректификационной колонне, а навстречу им из дефлегматора III cтекает некоторая часть дистиллята, которая носит название флегмы. Пары на выходе из ректификационной колонны II с параметрами точки 8 (на t-x-диаграмме) поступают в дефлегматор III, в котором они частично конденсируются за счет отдачи тепла подаваемой в него воде (процесс идет по линии 8-c1). Парожидкостная эмульсия с параметрами, соответствующими точке c1, поступает в сепаратор IV; в нем происходит отделение пара с параметрами точки 10 от жидкости (флегмы), параметры которой определяются точкой 9. Отсепарированный пар поступает в конденсатор V, где он полностью конденсируется до состояния точки II и в виде готового продукта (ректификата) поступает в сборный бак VI.
Процесс тепло- и массообмена на верхней тарелке протекает в следующем порядке: жидкость (флегма), получающаяся в сепараторе IV, с параметрами точки 9 вступает в контакт с парами состояния точки 6, поступающими с предшествующей по ходу пара нижней тарелки; при этом происходит частичная конденсация паров до состояния с2 и последующая их сепарация, в результате которой образуются пар состояния 8 и флегма состояния 7. Эта флегма по опускной трубе сливается на нижнюю тарелку и вступает в контакт с парами состояния 4. После сепарации образуются флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т. д. Надежное контактирование флегмы с парами осуществляется благодаря наличию на тарелках колпачков с прорезями в виде зубцов на нижней кромке, через которые проходят пузырьки пара при движении их с нижней тарелки на верхнюю.
Таким образом, ректификация представляет собой процессы тепло- и массообмена при непосредственном смешении жидкой смеси (флегмы) с парами при их многократной частичной конденсации и сепарации. Количество флегмы в килограммах, приходящееся на 1 кг пара в любом рассматриваемом сечении колонны, называется флегмовым числом. В расчетах по всей колонне принимают постоянное флегмовое число.
Расчет:. Предполагается, что разгоняемая смесь вводится в колонну предварительно подогретой до температуры кипения ее на данной тарелке (на которую подается смесь) и за счет тепла, выделяющегося при конденсации 1 моля пара, испаряется 1 моль жидкости, при этом количество молей пара, поднимающегося по колонне, и количество флегмы, стекающей вниз, остаются постоянными для всех тарелок; изменяется только состав пара и флегмы. Далее принимается, что конденсат в дефлегматоре имеет тот же состав, что и пар, поднимающийся с самой верхней тарелки. Тепло, потребное для парообразования перегоняемой смеси, сообщается ей поверхностью нагрева, не разжижая жидкость в перегонном кубе.
Для расчета примем следующие обозначения:
хт и хп — содержание летучего компонента в жидкости на m-й и п-й тарелках колонны в моль-процентах (нумерация тарелок); уп— моль-процент содержание летучего компонента в паре, поднимающемся с n-тарелки колонны в моль-процентах.
Считаем заданными:
xd— содержание летучего компонента в дистилляте (готовом продукте), вытекающем из дефлегматора; хF— то же в начальной смеси; xw— то же в кубовом остатке; F— число молей начальной смеси, приходящейся на 1 моль дистиллята (конечного продукта); R— число молей флегмы, возвращающейся в верхнюю часть ректификационной камеры, приходящейся на 1 моль готового продукта (флегмовое число); R’— то же для нижней части колонны; W— количество остатка в молях на 1 моль готового продукта, выпускаемое из колонны; V— число молей пара на 1 моль готового продукта, поднимающегося с какой-либо тарелки колонны.
Для упрощения расчета количества дистиллята — готового продукта, выводимого из установки в единицу времени, .принимаем D=1 моль.
На рисизображена схема ректификационной установки с указанием принятых обозначений. Согласно схеме для первой (верхней) тарелки без учета потерь вещества имеем следующее уравнение материального баланса:
(5-12) Принимаем, что в дефлегматоре концентрация смеси не изменяется, т. е. y1=xd кроме того, имеем в виду, что расчет ректификационной колонны мы ведем на 1 моль отбираемого дистиллята, т. е. V=R + D = R + 1. Тогда уравнение (5-12) запишется в виде 
, (5-13)
Откуда 
а для n-й тарелки 
Обозначив 
Получим 
(5-14а) —Его называют уравнением концентрации для верхней (укрепляющей) части колонны, а прямую, выраженную этим уравнением,— линией концентрации верхней части колонны.
Уравнение материального баланса всего потока для нижней тарелки при условии, что количество пара неизменно и отсутствуют потери вещества, может быть представлено в виде Vy + R’ xm-1=V ym + R' xw. (5-15)
Делаем также допущение, чтопар, поднимающийся из перегонного куба, имеет одинаковый состав с флегмой, стекающей с последней тарелки или остатком в перегонном кубе, т е y = xw; кроме того, согласно схеме на рис. 5-16R' = R+F, а V=R+1.
Подставив эти значения в уравнение (5-15), получим:(R+1) xw + (R+F) xm-1 = (R+1) ym + (R + F) xw,
Откуда 
Введя обозначения 
,
найдем окончательно xm-1 = A' ym + В'.-Это уравнением концентрации для нижней (исчерпывающей) части колонны.
Уравнения (5-14) и (5-16) показывают, что направления линий концентраций зависят только от флегмового числа R, так как величина F, входящая в выражения для коэффициентов, является величиной постоянной.
Графическое определение теоретического числа тарелок для разгонки бинарной смеси производят на диаграмме равновесия (рис.). Для этого проводят диагональ ОК. и вертикальные прямые x = xw, x = xd и x = xF, отмечают точки N и W пересечений диагонали соответственной с первой и второй из этих прямых и точку f1 пересечения третьей прямой с кривой равновесия. Затем по уравнению (5-14) наносят линию концентрации MN для верхней (укрепляющей) части колонны; чтобы ее построить, необходимо определить только отрезок ОМ, равный В=xd /(R+1),так как точка N определяется из условия y1 = xd и лежит на диагонали.
При наличии линии концентрации для верхней части колонны построение линии концентрации нижней (исчерпывающей) части колонны, удовлетворяющей уравнению (5-16), не требует вычислений, так как искомой линией концентрации является прямая FW. В самом деле, одной точкой этой линии должна быть точка F — обязательная общая точка для обеих рабочих линий, а другой точкой является точка W — соответствующая концентрации смеси в кубовом остатке.
Определение числа тарелок производят проведением горизонтальных и вертикальных отрезков между кривой равновесия и рабочими линиями NF и FW. Начиная от точки N, проводят горизонталь 1до пересечения с кривой равновесия, затем вертикаль до пересечения с рабочей линией, после чего проводят горизонталь 2 и т. д.
Число полученных при построении ступеней или треугольников соответствует числу теоретически необходимых тарелок ректификационной колонны. Каждый горизонтальный участок ступени соответствует изменению концентрации флегмы на тарелке, а вертикальный — изменению концентрации паров над этой тарелкой.
Зависимость между практически выбираемым и теоретическим числом тарелок определяется формулой 
, где nТи п— теоретическое и практически выбираемое число тарелок; η — к. п. д. тарелки.
Для приближенных расчетов принимают флегмовое число R=(1,5 
2,5)Rмин, где Rмин — минимально возможное число, которому соответствует бесконечно большое число тарелок, определяемое как 
(5-18) где xd— содержание легколетучего компонента в дистилляте; хF— содержание летучего компонента в исходной жидкости; yF— содержание легкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной жидкостью
8. Основы теплового расчета контактных теплообменников
Конструкции смесительных ТА:
В промышленности нашли широкое применение смесительные теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен между теплоносителями происходит непосредственно, без теплопроводной стенки между ними. В большинстве случаев это аппараты непрерывного действия, В зависимости от назначения они имеют различные технические названия. Для осушения или увлажнения воздуха в установках кондиционирования применяются кондиционеры; очистка воздуха или газа от пыли, золы, смолы путем промывки их водой осуществляется в скрубберах; нагрев жидкости за счет тепла воздуха, газа или пара осуществляется в смесительных подогревателях или конденсаторах; охлаждение больших количеств циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин электрических станций достигается тепло- и массообменом ее с воздухом в градирнях и т. д.
Рис.6.Типы смесительных теплообменников:
а – безнасадочный форсуночный; б – каскадный; в – насадочный; г – струйный; д – пленочный с насадкой из цилиндров; 1 – форсунки; 2 – трубы, распределяющие воду; 3 – каскады; 4 – насадка; 5, 6 – сопла первой и второй ступеней струйного смесителя; 7 – насос; 8, 9 – центробежный и осевой вентиляторы; 10 – электродвигатель; 11 – концентрические цилиндры; 12 – сепараторы влаги; 13 – подогреватель воздуха
По конструктивным признакам различают следующие типы теплообменников смешения:
1. Полые или безнасадочные колонны или камеры (рис. 6,а),в которых жидкость распыливается форсунками в газовую среду; соприкосновение между жидкостью и газом происходит на поверхности образовавшихся при распыливании капель жидкости.
2. Насадочные колонны (рис. 6,в), в которых соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (кольца Рашига, куски кокса, деревянные доски, рейки и другие устройства, обеспечивающие пленочное стекание жидкости). Преимуществом насадочных колонн по сравнению с безнасадочными являются меньшие геометрические размеры их. Их недостаток состоит в большом расходе электроэнергии на вентилятор, который увеличивается по мере забивания насадки различными твердыми отложениями, содержащимися в газах или распыляемых растворах.
3. Каскадные аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, благодаря которым жидкость постепенно перетекает с полки на полку, как это показано на (рис. 6,б).
4. Струйные смесительные аппараты, в которых происходит нагревание воды эжектируемым или эжектирующим паром (рис. 6,г). Разность между температурой насыщенного эжектирующего пара и температурой нагретой эжектируемой воды в односопловых струйных смесительных аппаратах составляет 15—20 °С, а в двухсопловых около 10 °С.
5. Пленочные смешивающие подогреватели (рис. 6,д). Нагревание воды водяным паром в них происходит почти до температуры насыщения пара. Преимущество этой конструкции по сравнению с поверхностными подогревателями заключается в простоте, компактности, меньшем весе и независимости коэффициента теплообмена от чистоты поверхности, т. е, от загрязнения ее накипью, маслом и т. п. Такие аппараты обычно работают с незначительным избыточным давлением (1-5)·105 Па (0,01—0,05 кг/см2).
Недостатком пленочных подогревателей является коррозия поверхности аппаратов и трубопроводов из-за наличия в воде и частично в конденсирующемся паре значительного количества кислорода.
7. Пенные аппараты получили применение для улавливания из газов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема пенных аппаратов приведена на рис. 7. Скорость набегающего потока газа на решётку обычно принимают 2—2,5 м/с. При большей скорости усиливается унос воды в виде брызг, а при меньшей скорости уменьшается ценообразование, и значительная часть жидкости (более 50%) сливайся через отверстия решетки, В нормальных условиях работы половина жидкости сливается через отверстия в решетце и половина через сливной порог. Степень очистки газа в пенных аппаратах может составлять 90—95%.
Рис. 7. Однополочный пенный аппарат
Расчет безнасадочного аппарата:
Вследствие трудности определения поверхности теплообмена смешивающих аппаратов в некоторых случаях расчетих проводят по объемному коэффициенту теплопередачи. При этом уравнение теплопередачи принимает вид:
(1)
где kv— объемный коэффициент теплопередачи, отнесенный к 1 м3 активного объема аппарата, Вт/(м3 0C); V—полезный или активный объем смесительной камеры, м3; Δt - средняя разность температур теплоносителей,0С,
Для определения коэффициента теплоотдачи при тепло- и массопередаче между каплями и газовым потоком в условиях вынужденной конвекции (Rе = 1—200) можно пользоваться формулой А. В. Нестеренко
где α—коэффициент теплоотдачи. Вт/м2 0C); dK—диаметр капель, м; λ —коэффициент теплопроводности воздуха или газа при средней температуре между поверхностью капель и воздухом, Вт/(м-°С); Nuо — критерий Нуссельта при Rе=0 (Nuо =2); для значений Nuо >80 величиной Nuо можно пренебречь; Rе=w0d/v—критерий Рейнольдса; здесь w0—скорость движения капли относительно газа, м/с; v—коэффициент кинематической вязкости воздуха при средней его температуре, м2с; Рг = v /а—критерий Прандтля для воздуха (его величина может быть принята равной 0,72); Gu = (Тс—Тm)/Тс—критерий Гухмана (учитывает влияние массообмена на теплообмен), где Тс и Тm —температуры воздуха или газа по сухому и мокрому термометрам, К.
Для приближенных расчетов средний диаметр капли может быть определен по формуле
где р— давление жидкости перед форсункой. Па.
Если принять за форму капель правильный шар, то поверхности капель в 1 л жидкости может быть получена из следующих соотношений:
где n—число капель в единицеобъема.
Полный объем их
/6, л
Удельная поверхность капель
Для определения скорости падения капли воды в скруббере необходимо определить скорость витания ее. Под скоростью витания капли понимают такую скорость, при которой наступает равновесие силы тяжести капли и сопротивления газовой среды. Это условие равновесия можно выразить уравнением
где dK —диаметр капли, м; рк и рг—плотности капли и газа. кг/м3; ξ - коэффициент лобового сопротивления капли в газовом потоке; wвит — скорость витания капли, м/с.
Условие равновесия может быть представлено в виде критерия Федорова
Дата добавления: 2015-12-29; просмотров: 2610;