Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej

Politechniki Krakowskiej

Instytut Inżynierii Chemicznej i Procesowej

PROJEKT INŻYNIERIA

CHEMICZNA II

KOLUMNA REKTYFIKACYJNA

Data oddania:

Ocena:

Temat projektu:

W kolumnie rektyfikacyjnej z półkami kołpakowymi ma być rozdzielana mieszanina aceton – benzen o zawartości x_s=0,42(ułamek masowy) składnika bardziej lotnego. Masowe natężenie przepływu surowca wynosi Q_ms =2000[kg/h]. Żądana zawartość składnika bardziej lotnego w destylacie wynosi x_D =0,98, a w cieczy wyczerpanej x_w=0,048. Kolumna pracuje pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego, surowiec jest doprowadzany w stanie 25% pary, liczba powrotu R jest β=3 razy większa od wartości minimalnej.Kocioł kolumny ogrzewany jest parą wodną nasyconą ulegającą całkowitemu skropleniu. Ciśnienie pary wodnej nasyconej p=3,619bar. W skraplaczu płaszczowo-rurowym oparów opuszczających kolumnę następuje ich całkowite skroplenie. Woda chłodząca wykorzystywana w skraplaczu ogrzewa się o wartość Δt=20^oC.

Obliczenie ilości otrzymanych produktów (Qms=S, W, D) w kmol/h i kg/h.
Zmiana ułamków masowych na molowe.
$$M_{A} = 58\frac{\text{kg}}{\text{kmol}}$$ $$M_{B} = 78\frac{\text{kg}}{\text{kmol}}$$ xs = 0, 42 xD = 0, 98 xW = 0, 048
Przeliczenie S na Smol.
xmolS = 0, 493 $$S = 2000\frac{\text{kg}}{h}$$
Obliczenie D, W, Dmol i Wmol.
$$S = 2000\frac{\text{kg}}{h}$$ xs = 0, 42 xD = 0, 98 xW = 0, 048 xmolS = 0, 493 xmolD = 0, 985 xmolW = 0, 064 $$S_{\text{mol}} = 29,35\frac{\text{kmol}}{h}$$
Wyznaczenie temperatury surowca, cieczy wyczerpanej i oparów na wylocie z kolumny.
Dane równowagowe^1. :
xmol ymol t,   0 0 80,1 0,02 0,063 79,5 0,05 0,14 78,3 0,1 0,243 76,4 0,2 0,4 72,8 0,3 0,512 69,6 0,4 0,594 66,7 0,5 0,665 64,3 0,6 0,73 62,4 0,7 0,795 60,7 0,8 0,863 59,6 0,9 0,932 58,8 1 1 56,1
Wyznaczenie składu cieczy i pary w surówce:
p = 0, 25 $$S_{\text{mol}} = 29,35\frac{\text{kmol}}{h}$$ xmolS = 0, 493
Z punktu przecięcia linii równowagi i prostej wyznaczonej wyżej odczytuję skład surówki: xmolc = 0, 44,  ymolP = 0, 63
Na podstawie wykresu t=f(x mol, y mol): ts tD tw 64 56 76, 4
Wyznaczenie Rmin i R.
Linia surowca
p = 25% xmolS = 0, 493
Punkt przecięcia linii surowca i linii równowagi:xmolF = 0, 445,  ymolF = 0, 637
Wyznaczenie Rmin.
xmolD = 0, 985 xmolF = 0, 445 ymolF = 0, 637
Wyznaczenie R.
Rmin = 1, 81 β = 3
Obliczenie ilości L, V, L’i V’ w kmol/h i kg/h.
Górna część kolumny.
R = 5, 43 $$D = 798,28\frac{\text{kg}}{h}$$ $$D_{\text{mol}} = 13,67\frac{\text{kmol}}{h}$$
Dolna część kolumny.
$$S = 2000\frac{\text{kg}}{h}$$ $$S_{\text{mol}} = 29,35\frac{\text{kmol}}{h}$$ e = 0, 75 $$L = 4285,79\frac{\text{kg}}{h}$$ $$L_{\text{mol}} = 74,23\frac{\text{kmol}}{h}$$ $$V = 5132,94\frac{\text{kg}}{h}$$ $$V_{\text{mol}} = 87,89\frac{\text{kmol}}{h}$$
Wyznaczenie graficzną metodą M-C-T liczbę półek teoretycznych w górnej i dolnej części kolumny.
Wyznaczenie dolnej linii operacyjnej.
$${L^{'}}_{\text{mol}} = 96,24\frac{\text{kmol}}{h}$$ $$W_{\text{mol}} = 15,68\frac{\text{kmol}}{h}$$ xmolW = 0, 064
Wyznaczenie górnej linii operacyjnej.
R = 5, 43 xmolD = 0, 985
Liczba półek w górnej część kolumny: ng = 7 Liczba półek w dolnej części kolumny: nd = 4 − 1 = 3
Wyznaczenie liczby półek rzeczywistych w górnej i dolnej części kolumny.
Sprawność kolumny.
Sprawność kolumny liczę z zależności: Ek = 0, 0906 • (α•μ)^−0, 245 Do obliczenia średniej wartościα wykorzystuję dane równowagowe oraz zależność: $$\alpha = \frac{y_{\text{molA}}}{1 - y_{\text{molA}}} \bullet \frac{1 - x_{\text{molA}}}{x_{\text{molA}}}$$ xmol ymol α 0,02 0,063 3,294557 0,05 0,14 3,093023 0,1 0,243 2,889036 0,2 0,4 2,666667 0,3 0,512 2,448087 0,4 0,594 2,194581 0,5 0,665 1,985075 0,6 0,73 1,802469 0,7 0,795 1,662021 0,8 0,863 1,574818 0,9 0,932 1,522876 $$\alpha_{sr} = \frac{\sum_{}^{}\alpha}{11}$$ αsr = 2, 245 μm wyznaczam z zależności Kendalla. W temperaturze 64 ̊C:^2.
$$\mu_{A} = 2,188 \bullet 10^{- 4}\frac{\text{kg}}{\text{ms}}$$ $$\mu_{B} = 3,707 \bullet 10^{- 4}\frac{\text{kg}}{\text{ms}}$$ xmolF = 0, 445 αsr = 2, 245 ng = 7 nd = 3
Określenie wysokość części półkowej kolumny i wysokość całkowitą kolumny.
Dobieram: ^4.H = 0, 3m
Ng = 10 Nd = 4
Obliczenie maksymalną prędkość oparów w kolumnie oraz średnicy dolnej i górnej części kolumny.
Górna część kolumny.
Średnia temperatura w górnej części kolumny to: $t_{srg} = \frac{64 + 56}{2} = 60$. Skład molowy na półce zasilanej:xmolF = 0, 445,  ymolF = 0, 637 Skład molowy na ostatniej półce: x = 0, 978,  ymolD = 0, 985 Średni skład molowy jest równy:xmolsr = 0, 712,  ymolsr = 0, 811 Gęstości składników A i B w średniej temperaturze:^3.$\rho_{A} = 743,365\frac{\text{kg}}{m^{3}},\ \rho_{B} = 986,825\frac{\text{kg}}{m^{3}}$
$$M_{A} = 58\frac{\text{kg}}{\text{kmol}}$$ $$M_{B} = 78\frac{\text{kg}}{\text{kmol}}$$ T = 60 + 273 = 333K P = 101325Pa
Z wykresu ^4. odczytuję: $u = 0,6\frac{m}{s}$
$$V_{\text{mol}} = 87,89\frac{\text{kmol}}{h}$$ T = 333K
Dolna część kolumny.
Średnia temperatura w dolnej części kolumny to: $t_{srd} = \frac{64 + 76,4}{2} = 70,2$. Skład molowy na półce zasilanej:xmolF = 0, 445,  ymolF = 0, 637 Skład molowy na półce nad kotłem: x = 0, 183,  ymol = 0, 254 Średni skład molowy jest równy:xmolsr = 0, 359,  ymolsr = 0, 446 Gęstości składników A i B w średniej temperaturze:^3.$\rho_{A} = 730,563\frac{\text{kg}}{m^{3}},\ \rho_{B} = 978,239\frac{\text{kg}}{m^{3}}$
$$M_{A} = 58\frac{\text{kg}}{\text{kmol}}$$ $$M_{B} = 78\frac{\text{kg}}{\text{kmol}}$$ T = 70, 2 + 273 = 343, 2K
Na podstawie wykresu^[4]: $u = 0,57\frac{m}{s}$
$${V'}_{\text{mol}} = 80,55\frac{\text{kmol}}{h}$$ T = 343, 2K
Obliczenie koniecznego zapotrzebowania pary grzewczej doprowadzanej do kotła Gp.g [kg/h] i orientacyjną powierzchnie wymiany ciepła Ap.grz
Bilans masowy kolumny.
Dane dla układu: ^5. $$c_{A} = 2,306\frac{\text{kJ}}{\text{kgK}}$$ $$c_{B} = 2,137\frac{\text{kJ}}{\text{kgK}}$$ xs = 0, 42 xD = 0, 98 xW = 0, 048 ts = 64 tw = 76, 4 tD = 56 T0 = 0 $$r_{A} = 503,83\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$ $$r_{B} = 573,49\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$ $$V = 5132,94\frac{\text{kg}}{h}$$ $$S = 2000\frac{\text{kg}}{h}$$ $$D = 798,28\frac{\text{kg}}{h}$$ $$W = 1201,72\frac{\text{kg}}{h}$$
Obliczenie zapotrzebowania pary grzejnej.
Dla p = 3, 619bar: ^6. $$r_{\text{pary}} = 2145\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$ tpary = 140 $${\dot{Q}}_{W} = 507,45kW$$
Obliczenie orientacyjnej powierzchni wymiany ciepła.
tw = 76, 4 $${t_{\text{pary}} = 140\backslash n}{{\dot{Q}}_{W} = 507,45kW}$$ Zakładam^[7] $$k = 800\frac{W}{m^{2}K}$$
Obliczenie natężenia przepływu wody chłodzącej w skraplaczu.
tw = 20 $${\dot{Q}}_{D} = 720,35kW$$ $$c_{w} = 4,19\frac{\text{kJ}}{\text{kgK}}$$
Obliczenie orientacyjnej powierzchni wymiany ciepła skraplacza Askr zakładając rozsądną (dane literaturowe) wartość współczynnika przenikania ciepła k lub wartości współczynników wnikania ciepła α1 i α2.
Zakładam: ^[8]. $$k = 1000\frac{W}{m^{2}K}$$ tkw = 45 tw = 20 $${t_{D} = 56\backslash n}{{\dot{Q}}_{D} = 720,35kW}$$

Zestawienie najważniejszych wyników

Masowe natężenie destylatu	$$798,28\frac{\text{kg}}{h}$$
Masowe natężenie cieczy wyczerpanej	$$1201,72\frac{\text{kg}}{h}$$
Liczba powrotu	5, 43
Liczba półek rzeczywistych w dolnej części kolumny	4
Liczba półek rzeczywistych w górnej części kolumny	10
Sprawność półki	0, 744
Wysokość całkowita kolumny	5, 8m
Wysokość półki rzeczywistej	0, 3m
Średnica kolumny	1, 19m
Prędkość oparów w dolnej części kolumny	$$0,57\frac{m}{s}$$
Prędkość oparów w górnej części kolumny	$$0,6\frac{m}{s}$$
Masowe natężenie pary grzejnej	$$0,237\frac{\text{kg}}{s}$$
Powierzchnia kotła	10m^2
Masowe natężenie wody w skraplaczu	$$8,6\frac{\text{kg}}{s}$$
Powierzchnia skraplacza	37, 3m^2

Literatura

1. W. Ciesielczyk, K. Kupiec, A. Wiechowski, „Przykłady i zadania z inżynierii chemicznej i procesowej”, cz.II, wyd. III, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1995,

2. PhysProps, wersja 1.6.1, z dnia 21.01.2013

3. PhysProps, wersja 1.6.1, z dnia 21.01.2013

4. W. Ciesielczyk, K. Kupiec, A. Wiechowski, „Przykłady i zadania z inżynierii chemicznej i procesowej”, cz.II, wyd. III, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1995,

5. W. Ciesielczyk, K. Kupiec, A. Wiechowski, „Przykłady i zadania z inżynierii chemicznej i procesowej”, cz.II, wyd. III, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1995,

6. L. Troniewski, „Tablice do obliczeń procesowych”, wyd. V, Wydawnictwo Politechniki Opolskiej, Opole 2006,

7. Tadeusz Hobler „Ruch ciepła i wymienniki”, wyd. II, Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Techniczne, 1959;

8. Tadeusz Hobler „Ruch ciepła i wymienniki”, wyd. II, Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Techniczne, 1959;