Andrei Niculescu Proiect Fenomene de Transfer - Amestec Binar Benzen - Toluen - Editat

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 =