Методические указания: Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости

Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)
___________________________________________
кафедра процессов и аппаратов
А.И. Волжинский, О.М. Флисюк
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН,
ПОТОКОВ ПАРА И ЖИДКОСТИ
Методические указания
к курсовому проектированию
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2002
УДК 66.023
Волжинский А.И., Флисюк О.М. Определение средних физических
величин, потоков пара и жидкости: метод. указания СПб., СПб ГТИ (ТУ),
2002.-10с.
Рассмотрены вопросы расчета средних значений теплофизических
свойств жидких и паровых смесей, а также потоков пара и жидкости в секциях
ректификационной колонны. Даны расчетные формулы и концентрации к ним.
Предназначены для студентов химико-технологических специальностей
и соответствуют рабочей программе по дисциплине “Процессы и аппараты
химической технологии”.
Ил. 2, табл.6, библиогр. 7 назв.
Рецензент: Н.А. Марцулевич, доктор техн. наук, профессор кафедры
теоретических основ химического машиностроения СПб ГТИ
Утверждены
на
заседании
общеинженерного отделения 4.03.02.
учебно-методической
Рекомендованы к изданию РИСо СПб ГТИ (ТУ)
комиссии
ВВЕДЕНИЕ
Расчет ректификационной колонны начинают с определения средних
значений температур теплофизических свойств жидкости и пара, а также их
расходов. Этот этап предшествует гидравлическому расчету колонны.
Жидкостные и паровые потоки являются смесями компонентов, свойства
которых рассчитываются на основе свойств чистых веществ в зависимости от
состава и температуры потока. В данные методических указаниях в краткой
форме представлена сводка основных формул для расчета различных свойств.
Определение средних физических величин потоков пара и жидкости
Для определения основных размеров колонны (аппарата), расходов
греющего пара и воды требуется найти средние мольные, массовые составы,
мольные, массовые и объемные расходы по жидкости и пару, а также
некоторые физические величины.
Для простой полной колонны, обогреваемой глухим паром (горячей
водой) или острым паром, средние составы и расходы по жидкости и пару, а
также физические величины определяют отдельно для верхней и нижней частей
колонны.
а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:
- мольные составы хАв и хАн определяют как среднеарифметические:
хАв=(хF+хD)/2 ,
(1)
хАн=(хF+хW)/2 ,
(2)
где А - легколетучий компонент;
- массовые составы х Ав и х Ан определяют по уравнению
х Аi=МАхАi/Мхi,* где Мхi - мольная масса смеси;
- мольные массы Мхв, Мхн определяют по формуле:
М хi=МАхАi+ МВ (1-хАi) ,
(3)
где МА,МВ - мольные массы исходных веществ, кг/кмоль;
- средние температуры tхв, tхн определяют по диаграмме t-x,y при
соответствующих значениях хАв и хАн;
- плотности хв, хн определяют по уравнению:
x
x
1
 Ai  Bi ,
(4)
 xi  Ai  Bi
где Ai, Bi - плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при
соответствующих температурах, кг/м3;
- динамические коэффициенты вязкости хв, хн рассчитывают по
уравнению:
4
lgхi= xAilgАi+xBi lgВi;
(5)
- коэффициенты диффузии D хв, D хн рассчитывают по приближенной
формуле [1, с.289; 2, с.262]:
D хi= D 20,i[1+bi(txi-20)],
(6)
o
2
где D 20,i - коэффициент диффузии бинарной смеси при t=20 C, м /с.
Температурный коэффициент bi в уравнении (6) может быть определен по
эмпирической формуле:
 xi
b i  0,2
,
(7)
3 
xi
Примечание- * В этой и последующих формулах индекс i относится либо к верхней, либо к нижней частям
колонны.
где xi - динамический коэффициент вязкости жидкости при t=20oC, мПас; xi плотность жидкости при t=20oC, кг/м3.
Коэффициент диффузии D20,i рассчитывают по приближенной формуле
[1, с.289; 2, с.261]:
1  10 6
1
1
D 20 ,i 

,
(8)
AB  xi ( v 1A/ 3  v 1B/ 3 ) 2 M A M B
где xi - динамический коэффициент вязкости жидкости при t=20oC, мПас; МА
и МВ- мольные массы исходных веществ, кг/кмоль; vA, vВ - мольные объемы
растворенного вещества и растворителя, см3/моль; А и В - коэффициенты,
зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя.
Значения коэффициентов А и В, а также атомные объемы приведены в
Приложении.
- поверхностные натяжения в, н определяют по уравнению:
1 x Ai x Bi


,
(9)
 i  Ai  Bi
где Аi, Вi - поверхностные натяжения исходных веществ при соответствующих
температурах, Н/м.
Для органических веществ значения Аi, Вi, как правило, близки и
величины i могут быть определены как среднеарифметические.
- удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята
определяют по аддитивным формулам :
c F  x AF c AF  x F c F ,
(10)
c W  x AW c AW  x W c W ,
(11)
c D  x AD c AD  x D c D .
(12)
- мольные расходы Lxв, Lxн рассчитывают по уравнениям:
Lxв=GDR,
(13)
Lxн= GDR+GF,
(14)
5
где GD, GF -мольные расходы питания и дистиллята, кмоль/с; R - флегмовое
число.
- массовые расходы L хв , Lхн рассчитывают по уравнениям:
G RM хв
L хв  D
,
(15)
MD
G RM хн G F M хн
L хн  D

,
(16)
MD
MF
где G F ,G D - массовые расходы питания и дистиллята, кг/с;
- объемные расходы Vxв, Vxн (в м3/с) рассчитывают по соотношению [1,
с.354; 2, с.318]:
Vxi  L xi /  xi .
(17)
- удельные энтальпии смесей it (в кДж/кг) при данной температуре t
определяют по аддитивной формуле:
i t  i A x A  i B x B  [c A x A  c B (1  x A )]t ,
(18)
где сА, сВ - удельные теплоемкости исходных веществ при данной температуре t,
кДж/(кгК); t - температура, оС;
удельная теплопроводность смесей  определяется по
соотношению:
   1 x 1   2 x 2  0,72( 2   1 )x 1 x 2
(19)
при 2>1,
где 2, 1- теплопроводность исходных веществ, Вт/(м·К); x 1 , x 2 - массовые
доли исходных веществ.
б) Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны:
-мольные составы уАв, уАн определяют по уравнениям рабочих линий при
подстановке в них соответственно хАв, хАн;
- мольные массы Мув, Мун определяют по уравнению (3) при
соответствующих значениях уАв, уАн;
- массовые составы y A в, y A н определяют по уравнению [1, с.283; 2,
с.257]:
y A i=MAyAi/Myi;
(20)
- средние температуры tyв, tyн определяют по диаграмме t-х,у при
соответствующих значениях уАв, уАн;
- плотности ув, ун рассчитывают по уравнению [1, с. 13; 2, с.5]:
уi=yAiAi+yBiBi ,
(21)
где Аi, Вi - плотности паров веществ А и В при соответствующих
температурах, кг/м3;
плотности Аi ,Bi, а также и плотности смесей определяют по
уравнению Клапейрона:
Tp
M i 273p
i   0 o 

,
(22)
Ti p 0 22,4 Ti p 0
6
где 0 - плотность пара при нормальных условиях (Т0=273 К, р0= 760 мм рт. ст.),
кг/м3; Тi - средняя температура пара, К; р - среднее давление в колонне, мм рт.
ст.;
- динамические коэффициенты вязкости ув, ун рассчитывают по
приближенной формуле [1, с.15; 2, с.6]:
M yi y Ai M A y Bi M B


(23)
i
 Ai
 Bi
- коэффициенты диффузии Dув, Dун рассчитывают по приближенной
формуле [1, с.288; 2, с.260]:
4,3  10 7 Ti3 / 2
1
1
D yi 

,
(24)
1/ 3
1/ 3 2
p( v A  v B ) M A M B
где Тi- средняя температура пара, К; р - среднее давление в колонне, ат;
остальные обозначения см. для уравнения (8);
удельная теплота конденсации паров дистиллята рассчитывается по
аддитивной формуле:
rD  y D rA  (1  y D )rB ,
(25)
где rA, rB - удельные теплоты конденсации паров веществ А и В при
температуре дистиллята tD, кДж/кг; y D - массовая доля легколетучего
компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора y D  x D );
удельная энтальпия паровой фазы определяется по аддитивной
формуле:
(26)
It  I y  I y  [c y  c (1 y )] t  r y  r (1 y ),
A A BB A A B
A
A A B
A
где IA, IB - удельные энтальпии паров чистых компонентов А и В при заданной
температуре t, кДж/кг; t – температура, 0С.
- мольный расход пара, который принимается постоянным по высоте
колонны, определяют по уравнению (в кмоль/с):
G (R  1)
G yi  D
,
(27)
MD
где G D - массовый расход дистиллята, кг/с;
- массовые расходы G y в, G y н определяют по уравнению:
G yi 
G D (R  1)M yi
.
(28)
MD
- объемные расходы пара Vyв ,Vyн (в м3/с) рассчитывают по соотношению
[1, с.353; 2, с.317]:
G (R  1)  22,4Ti p 0
Vyi  D
,
(29)
M D T0 p
или по формуле:
G yi
Vyi 
,
(30)
 см , i
7
где см,i - плотность смеси паров компонентов, кг/м3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. 10-ое изд. Л:Химия, 1987.576 с.
2. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии
(примеры и задачи)/П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И.
Курочкина. СПб:Химия, 1993.496 с.
8
Приложение 1
3
Атомный объем, см /атом
B
C
CI
H
N в первичных аминах
27,0
14,8
24,6
3,7
10,5
N во вторичных аминах
N с двумя насыщенными
12,0
15,6
связями
О с двумя насыщенными
7,4
связями
О в альдегидах и кетонах
О в сложных эфирах
О в простых эфирах
О в высших простых и
7,4
9,1
9,9
11,0
сложных эфирах
О в кислотах
О в соединениях с S, P, N
S
12,0
8,3
25,6
Мольный
объем,
см3/моль
I
37,0
H2
14,3
O2
25,6
N2
31,2
Воздух 29,9
CO
CO2
SO2
NO
N 2O
NH3
H2O
H2S
COS
Cl2
Br2
I2
30,7
34,0
44,8
23,6
36,4
25,8
18,9
32,9
51,5
48,4
53,2
71,5
Структурные постоянные
Бензольное кольцо
Нафталиновое кольцо
Антраценовое кольцо
– 15
– 30
– 47,5
При расчете мольного объема химического соединения величину
соответствующей структурной постоянной надо прибавить к сумме атомных
объемов.
9
Приложение 2
Значения коэффициентов А и В для расчетов коэффициента диффузии
в бинарных смесях.
Смесь
ацетон –бензол
ацетон –вода
ацетон – 1,2-дихлорэтан
ацетон -метиловый спирт
aцетон - четыреххлористый
углерод
ацетон-уксусная кислота
ацетон- хлорбензол
гексан - гептан
ацетон - этиловый спирт
бензол - толуол
бензол – уксусная кислота
вода - уксусная кислота
изопропиловый спирт - толуол
метиловый спирт - вода
метиловый спирт -этиловый спирт
пропиловый спирт-вода
сероуглерод - ацетон
сероуглерод - четыреххлористый
углерод
толуол – уксусная кислота
хлороформ - бензол
хлороформ –1,2-дихлорэтан
хлороформ - метиловый спирт
хлороформ - четыреххлористый
углерод
четыреххлористый углерод-бензол
четыреххлористый углерод –
этиловый спирт
этиловый спирт - вода
этиловый спирт - бензол
А
1,15
В
1
1
1,15
2,0
1
1,15
1.15
1
1
1
1
4,7
2
1,19
2
1,27
1
1
2,0
1
1,27
1,27
1
4,7
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2,0
1,24
2
4,7
1
10
СОДЕРЖАНИЕ
Введение …………………………………………………………………………...
Определение средних физических величин потоков пара и жидкости………..
Литература ……………………………………………………………….
Приложения ……………………………………………………………………….
3
3
7
7
Кафедра процессов и аппаратов
Методические указания
Определение средних физических величин,
потоков пара и жидкости
Александр Иванович Волжинский,
Олег Михайлович Флисюк
Отпечатано с оригинал – макета. Формат 60х90 1/16
Печ.л. 0,8. Тираж 25 экз.
Санкт – Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)
198013, Санкт – Петербург, Московский пр., 26