Полная конденсация многокомпонентной смеси заданного состава

 

 

Q = (20000/3600)*(1925,463*90 + 353522 – 1786,4*50) = 2430518 Вт ;

 

 

Теплоемкость воды при 20оС и при 40оС равна 4,18 кДж/ (кг*К). Тогда тепловой баланс для хладоагента – воды будет иметь вид:

 

Qха = Qвх ха – Qвых ха = Gха*Сха*(tвх - tвых)                               (10)

 

 

где Qха – теплота, принятая хладоагентом от углеводородной паровой смеси,

                кДж;

      Gха- расход хладоагента, кг/ч ;

      Сха- теплоемкость хладоагента, кДж/ (кг*К);

      tвх – начальная температура хладоагента, оС;

      tвых – конечная температура хладоагента, оС. 

 

Отсюда, Gха = Q  / (Сха*(tвх - tвых)) = 2430518/ 4180*(40-20) = 29,07 кг/c

 

 

1.2.5 Расчет средней  разности температур процесса  конденсации

 

Примем, что в теплообменном аппарате организуется противоток. Схема изменения температуры теплоносителей по поверхности теплообмена представлена на рисунке 1.

 

            90оС        смесь

                                         углеводородов    

           

              40оС                                                50оС

                                                                     

                                    хладоагент               20оС

                                                                                                       

 

 

Рисунок 1 – Схема изменения температуры теплоносителей по поверхности теплообмена.

 

По рисунку находим ∆tб = 90-40 = 50оС, ∆tм = 50-20 = 30оС.

 Так как ∆tб / ∆tм = 37/24,8 = 1,5 <2, найдем среднюю движущую силу процесса теплопередачи как среднеарифметическую:

 

∆tср = (∆tб + ∆tм)/2 = (50+30)/2 = 40оС

 

1.2.6 Расчет необходимой  поверхности теплопередачи 

 

Теплопередача происходит от конденсирующегося пара смеси углеводородов к воде. Значение коэффициента теплопередачи следует принимать в интервале от300 Вт/(м2К) до 800 Вт/(м2К). Примем коэффициент теплопередачи равным 550 Вт/(м2К).

Расчет поверхности теплообмена проводится по формуле:

 

F = Q / (∆tср*K)                                                  (11)

 

где F – поверхность теплопередачи, м2;

       Q – тепловая нагрузка, кДж;

       ∆tср – средняя движущая сила процесса, оС;

      K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К).

 

Поверхность теплопередачи F = 2430518 / (40*550) = 110,5 м2.

 

 

3. Подбор теплообменного аппарата

 

По рассчитанной поверхности теплообмена подберем теплообменный аппарат. Основные характеристики теплообменника приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Основные характеристики теплообменного аппарата по ГОСТ 15118-79, 15120-79 и 15122-79

 

Тип аппарата	Поверхность теплообмена, м2	Диаметр кожуха внутренний, мм	Число ходов	Длина труб, м	Число труб, шт
ТН	113	600	2	6	240

 

 

2 Неполная конденсация  многокомпонентной смеси

 

 

2.1 Исходные данные

 

Для конденсации поступает многокомпонентная смесь углеводородов с исходными параметрами, приведенными в пункте 1.1 настоящей работы.

 

2.2 Расчеты

 

Примем температуру неполной конденсации МКС равной 67оС.

 

2.2.1 Расчет констант  фазового равновесия для компонентов  МКС

 

Расчет констант фазового равновесия для каждого компонента смеси для условий неполной конденсации проводим по закону Рауля – Дальтона через давление насыщенных паров по формуле:

 

Кi = Pi0/Pобщ,

 

где Кi – константа фазового равновесия i-компонента смеси при температуре неполной конденсации;

      Pi0 – давление насыщенных паров i-компонента;

      Pобщ  – общее давление в системе.

 

Результаты расчетов будут приведены совместно с расчетом составов паровой и жидкой образующихся фаз в таблице 7.

 

2.2.2 Расчет составов  остаточной паровой и жидкой  фаз

 

Проверим наличие паровой и жидкой фазы при выбранной температуре неполной конденсации. Для этого необходимо одновременное выполнение следующих условий:

 

∑Хi0*Ki > 1 и ∑Хi0/Ki > 1,

 

где Хi0 – мольная доля i-компонента в исходной смеси;

       Ki – константа фазового равновесия i-компонента смеси при температуре неполной конденсации.

 

После того, как установлено, что при температуре 67 оС паровая и жидкая фазы существуют одновременно, проводим расчет мольных долей компонентов смеси в образовавшемся конденсате по выражению:

 

Хi = Xi0 / (Ki – L(Ki-1))                                               (12)

 

Где  Хi , Xi0 – мольная доля i-компонента смеси в образовавшейся жидкой фазе и в исходной смеси соответственно;

        Ki – константа фазового равновесия i-компонента смеси при температуре неполной конденсации;

       L – доля неполной конденсации.

 

Расчет мольных долей компонентов смеси в образовавшейся паровой фазе проведем по формуле:

 

Yi = Xi*Ki                                                                                                                                                                         (13)

 

где Yi – мольная доля i-компонента смеси в образовавшейся паровой фазе;

      Xi – мольная доля i-компонента смеси в образовавшейся жидкой фазе; 

       Кi – константа фазового равновесия i-компонента смеси при температуре неполной конденсации.

 

Все расчеты проведены в Microsoft Office Excel 2007. С помощью функции «подбор параметра» подбираем значение доли неполной конденсации, которая составила 0,4542.

 

Таблица 7 – расчет константы фазового равновесия и составов остаточной паровой и жидкой фаз

 

				Антуан
№	комп.	xio	А	В	С	Pio	K i	Xio*Ki	Xio/Ki	Xi	Yi
1	i-бутан	0,1745	6,8229	916,050	243,780	7503,545	2,4420	0,4260	0,0714	0,0976	0,2384
2	н-бутан	0,1047	6,8803	968,100	242,560	5662,105	1,8427	0,1929	0,0568	0,0717	0,1321
3	н-бутен	0,3734	6,8429	926,100	240,000	6703,284	2,1816	0,8146	0,1712	0,2270	0,4952
4	н-гексан	0,3137	6,8778	1171,53	224,370	719,468	0,2341	0,0735	1,3399	0,5391	0,1262
5	i-гептан	0,0337	6,8732	1236,03	219,550	362,829	0,1181	0,0040	0,2856	0,0650	0,0077
	Итого	1,0000						1,5110	1,9250	1,0005	0,9996

 

 

Для наглядности расчета построим графическую зависимость

∑ Xi=f(L). График приведен на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – График зависимости суммы мольных долей компонентов в образовавшейся жидкой фазе от доли неполной конденсации

 

2.2.3 Материальный баланс неполной конденсации

 

Составляем материальный баланс неполной конденсации. Результаты представляем в виде таблицы 8.

 

 

 

 

                          Таблица 8 – Материальный баланс процесса неполной конденсации

 

			Исходная				Паровая				Жидкая
Комп.	Мол.мас.	мас.д.	кг/ч	кмоль/ч	мол.д.	мас.д.	кг/ч	кмоль/ч	мол.д.	мас.д.	кг/ч	кмоль/ч	мол.д.
i-бутан	58	0,15	3000	51,7241	0,1745	0,2272	2237,5995	38,5793	0,2384	0,0751	762,4005	13,1448	0,0976
н-бутан	58	0,09	1800	31,0345	0,1047	0,1259	1240,0684	21,3805	0,1321	0,0551	559,9316	9,6540	0,0717
н-бутен	56	0,31	6200	110,7143	0,3734	0,4558	4488,2031	80,1465	0,4952	0,1686	1711,7969	30,5678	0,2270
н-гексан	86	0,4	8000	93,0233	0,3137	0,1784	1756,8934	20,4290	0,1262	0,6149	6243,1066	72,5943	0,5391
i-гептан	100	0,05	1000	10	0,0337	0,0126	124,2797	1,2428	0,0077	0,0863	875,7203	8,7572	0,0650
Итого		1	20000	296,4962	1,0000	1,0000	9847,0440	161,8387	0,9996	1,0000	10152,956	134,6575	1,0005

 

 

 

Список использованных источников

 

1 Александров, И.А. Ректификационные  и абсорбционные аппараты. Методы  расчета и основы конструирования. – 3-е изд., перераб. М.: «Химия», 1978. – 280 с.

2 Татевский, В.М. Физико –  химические свойства индивидуальных  углеводородов: Рекомендуемые значения / под редакцией В.М. Татевского: М., 1960 – 413с.

3 Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей: издание второе / Н.Б. Варгафтик – М.: Наука, 1972. – 721с.

4 Павлов, К.Ф. Примеры и  задачи по курсу процессов  и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. –  М.: Альянс, 2005. – 576 с.