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
