Расчёт тарельчатой ректификационной колонны для разделения смеси бензол-толуол

инистерство образования  РФ.

Пермский государственный  технический университет.

 

 

Кафедра машин и аппаратов  процессов и производств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовому проекту  по процессам и аппаратам химической технологии на тему

"Расчёт тарельчатой ректификационной колонны для разделения смеси бензол-толуол".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил       студент группы АТП-96-1 Григорчук В.И.

Проверил             преподаватель Долганов В. Л.

 

 

 

Пермь 1999

 

 

Содержание

 

      Содержание …………………………………………………………………………………1

1. Задание на проектирование …………………………………………………………….….2
2. Введение………………………………………………………………………………….…..3
3. Определение параметров топочных газов, подаваемых в сушилку………..………………4
4. Определение параметров топочных газов, расхода  агента и тепла на сушку……………..6
5. Определение объёма сушильного барабана………………………………………………...7
6. Выбор барабана и проверка выбранной скорости газа……………………………………10
7. Расчёт времени сушки и угла наклона барабана……………………………………………10
8. Проверка работоспособности барабана по уносу частиц………………………………….10  
9. Заключение…………………………………………………………………………………..12

        Список литературы…………………………………………………………………………..13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Задание  на проектирование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дополнительные данные (выбраны самостоятельно с помощью справочной литературы):

Размер частиц  материала      0,5-1,5 мм;

Температура влажного материала      18 °С;

Топливо          природный газ;

Температура топочных газов на выходе из барабана   100 °С;

Удельные потери тепла в окр. среду      22,6кДж/кг испар.влаги;

Параметры свежего воздуха 

температура      18 °С

отн. влажность     72%

 Средняя насыпная плотность  KCl     930кг/м³

Плотность частиц KCl      1900кг/м³ 

Давление в сушилке       атмосферное.

     
3. Введение.

 

В химической промышленности сушке  подвергается множество материалов, различающихся химическим составом, дисперсностью и структурой ,адгезионными свойствами и термочувствительностью, содержанием и формой связи  влаги  с материалом и другими свойствами. Иногда процесс сушки может быть осложнён параллельно  протекающими химическими реакциями.

 

Описание технологической схемы  установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На схеме обозначены:

1 – бункер; 2 – питатель; 3 – сушильный  барабан; 4 – топка; 5 – смесительная камера; 6,7,11 – вентиляторы; 8 – промежуточный бункер; 9 – транспортёр; 10 – циклон; 12 – зубчатая передача.

Описание технологического процесса:

Влажный материал  из бункера 1 с  помощью питателя 2 подаётся во вращающийся  сушильный барабан 3. Параллельно  материалу в сушилку подаётся сушильный агент, образующийся от сгорания топлива в топке 4 и смешения топочных газов  с воздухом в смесительной камере 5. воздух в топку и смесительную камеру подаётся  вентиляторами 6 и 7. высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный бункер 8, а из него на транспортирующее устройство 9.

Отработанный сушильный агент  перед выбросом в атмосферу очищается  от пыли в циклоне 10. при необходимости производиться дополнительное мокрое пылеулавливание.

Транспортировка сушильного агента через  сушильную установку производиться  вентилятором 11. при этом установка находиться под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

Барабан приводиться во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 12.

 

4. Определение  параметров топочных газов, подаваемых  на сушилку.

 

В качестве топлива используется природный  газ, который имеет следующий  состав (в объёмных процентах):  CH₄ - 92,0%; C₂H₆ - 0,5%;  H₂ - 5%; СО - 1%; N₂ - 1,5%.

Теоретическое количество сухого воздуха  L₀, необходимое на сжигание 1 кг горючего:

,

 где состав горючего газа  дан в объёмных долях.

Подставив соответствующие значения:

  =17,68 кг.

Для определения теплоты сгорания горючего воспользуемся тепловыми  эффектами следующих реакций:

Таблица 1. Тепловые эффекты реакций  горения составляющих природного газа

Газ	Реакция	Тепловой эффект, кДж/м3
CH4	CH4+2O2=CO2+2H2O	35741
C2H6	C2H6+3,5O2=2CO2+3H2O	63797
H2	H2+0,5O2=H2O	10810
СО	СО+0,5O2=CO2	12680

 

Количество тепла, получаемое при  сжигании 1 м³ газа, равно:

Q_v=0,92×35741 кДж/м³+0,005×63797 кДж/м³+0,05×10810 кДж/м³+0,01×12680 кДж/м³=33868 кДж/м³.

Плотность газообразного топлива:

, где  М_i – мольная масса горючего, кмоль/кг; t_T – температура топлива, равная 20 °С; v₀  - мольный объём, равный 22,4 м³/кмоль.

Подставив   соответствующие  значения, получим:

 

 

Количество  тепла, получаемое при сжигании 1 кг горючего:

 

масса сухого газа, подаваемого в  сушилку .в расчёте на 1 кг сжигаемого горючего определяется общим избытком воздуха a, необходимого для сжигания горючего и разбавления топочных газов до температуры смеси t_см=420 °С. Значение a находят из уравнений материального и теплового балансов.

Уравнение материального баланса:

, где L_сг – масса сухих газов , получаемых при сжигании 1 кг горючего, С_mН_n – массовая доля компонентов, дающих при сгорании воду.

 

 

 

 

Уравнение теплового баланса:

,

где   h - КПД топки, учитывающий полноту сгорания топлива и потери тепла топкой в окружающую среду, принимается равным 0,95;

с_Т – теплоёмкость топлива при t = 20 °С , равна 1,34 кДж/(кг×К);

I₀ – энтальпия свежего воздуха, кДж/кг;

i_сг – энтальпия сухих газов, кДж/кг; i_сг=с_сг×t_сг, с_сг, t_сг – соответственно  их теплоемкость и температура; с_сг= 1,05 кДж/(кг×К), t_сг = 420 °С;

х₀ – влагосодержание свежего воздуха, при температуре 18 °С и относительной влажность 72%;

i_П – энтальпия водяных паров, кДж/кг, i_П =r₀ + с_п×t_п, где r₀ – теплота испарения воды при температуре 0 °С, равная 2500 кДж/кг, с_п – средняя теплоёмкость водяных паров, равная 1,97 кДж/(кг×К), t_п- температура водяных паров, t_п=420 °С;

 

Решая совместно уравнения теплового  и материального балансов, получим:

 

Пересчитаем содержание компонентов  топлива, образующих при сгорании воду из объемных долей в массовые:

 

;

 

;      

;

 

Количество влаги, выделяющейся при  сгорании 1 кг топлива, равно:

.

Коэффициент избытка воздуха:

Общая удельная масса сухих газов, образующаяся при сжигании 1 кг топлива и разбавления топочных газов воздухом до температуры смеси 420 °С, равна:

Удельная масса паров воды в  газовой смеси при сжигании 1 кг топлива:

в

Влагосодержание газов на входе в сушилку равно:

х₁= .

Энтальпия газов на входе в сушилку:

 

 

 

5. Определение параметров отработанных  газов, расхода сушильного агента  и расхода тепла на сушку.

Из уравнения материального  баланса определим расход влаги W, удаляемой из высушиваемого материала:

 

;

Уравнение внутреннего теплового  баланса:

 

D=с×q₁+q_доп - ( q_Т+ q_М+ q_П)

где D - разность между удельным расходом и приходом тепла непосредственно в сушильной камере;

с – теплоёмкость влаги в о влажном материале, равная 4,19кДж/кг;

q_доп – удельный  дополнительный подвод тепла в сушилку кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту q_доп =0;

q_Т – удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами кДж/кг влаги, в данном случае q_Т=0;

q_М – удельный расход тепла в сушильном барабане с высушиваемом материалом, кДж/кг влаги

;

с_М – теплоёмкость KCl, вычисляется по уравнению с_М=16,67×10^-2+1,81×10^-5×Т+0,9×10³×Т^-2, где Т –абсолютная температура в К;

q₂ – температура высушиваемого материала на выходе из сушилки,°С. При   испарении поверхностной влаги q₂ принимается равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах сушильного агента. Если принять процесс сушки адиабатическим, q₂ можно найти по диаграмме Рамзина. По начальным параметрам сушильного агента q₂=62°С;

q_П -  удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги.

 

Найдём теплоёмкость KCl при начальной и конечной  температурой высушиваемого материала 

 t = 18°C, с_М=16,67×10^-2+1,81×10^-5×Т+0,9×10³×Т^-2= 16,67×10^-2+1,81×10^-5×(273+18)+0,9×10³×(273+18)^-2= =-2,61 кДж/°С;

t = 62°C, с_М=16,67×10^-2+1,81×10^-5×Т+0,9×10³×Т^-2= 16,67×10^-2+1,81×10^-5×(273+62)+0,9×10³×(273+62)^-2= =-0,06 (кДж/°С).

 

 

 

Удельный расход тепла в сушильном барабане

Разность между расходом и приходом тепла в сушильном барабане:

D=с×q₁+q_доп - ( q_Т+ q_М+ q_П)=4,19кДж/(кг×К)×18°С+0,482кДж/кг.вл-22,6 кДж/кг.вл = -1682,67 кДж/кг.вл;

 

Запишем уравнение  рабочей линии  сушки:

 

    или      I = I₁+D×(x – x₁)

I=540,3-1682,67×(х - 0,0313)

Для того, чтобы  построить на I-x диаграмме рабочую линию сушки необходимо знать координаты двух точек, координаты одной известны I=540,3 кДж/кг и х=0,0313 кг.вл/кг.возд. Подставив в уравнение значение х=0,15 кг.вл/кг.возд, получим I=340,56 кДж/кг. На I - x диаграмме через полученные точки проводим линию сушки до пересечения с изотермой 100°С. в точке пересечения получим  параметры отработанного сушильного агента: I=401,14 кДж/кг, х=0,114кг.вл/кг.возд.

Расход сухого газа :

Расход сухого воздуха:

Расход тепла на сушку:

Расход топлива на сушку:

 

 

6.Определение размеров сушильного  барабана.

 

Основные  размеры барабана выбирают согласно ГОСТам в соответствии с  объёмом сушильного пространства. Объём  сушильного пространства V складывается из объёма V_П, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента), и объёма V_c, требуемого для проведения процесса испарения влаги, т.е.

V=V_с+V_п

Объём сушильного пространства может  быть вычислен по модифицированному  уравнению массопередачи:

где  Dх_ср – средняя движущая сила процесса массопередачи, кг.вл/м³;

K_v – объёмный коэффициент массопередачи, 1/с.

При сушке кристаллических материалов происходит удаление поверхностной влаги, т.е. процесс протекает  в первом периоде сушки, когда скорость сушки определяется только внешним диффузионным сопротивлением. При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массотдачи b_v, который для барабанной сушилки может быть вычислен  по эмпирическому уравнению:

 

где    r_ср – средняя плотность сушильного агента кг/м³;

с – теплоёмкость сушильного агента при средней температуре в  сушильном барабане, равная     1 кДж/(кг×К);

b - степень заполнения барабана высушиваемым материалом ,%;

Р₀  - давление, при котором протекает процесс сушки, Па ;

Р- среднее парциальное давление водяных паров в сушильном  барабане, Па;

 Данное уравнение справедливо  для значений wr_ср=0,6-1,8 кг/(м²×с) и n=1,5-5,0 об/мин,

b = 10 - 25%.

Рабочая скорость сушильного агента в барабане зависит от дисперсности и плотности высушиваемого материала.

Примем скорость газов в барабане 2,7 м/с, средняя температура в барабане t_ср=(429+100)/2=260°С, плотность сушильного агента примем равной плотности воздуха при этой температуре:

при этом wr_ср=2,7 ×0,663=1,7 кг/(м²×с), что соответствует границам применения формулы для вычисления b_v. Примем скорость вращения барабана 5 об/мин, степень заполнения сушильного барабана хлоридом калия примем 25% (для распределительных перевалочных устройств с  закрытыми ячейками). Процесс сушки протекает при атмосферном давлении, Р₀=10⁵ Па.