6.3. Bilantul de Materiale
-
Upload
popescugabriel61 -
Category
Documents
-
view
234 -
download
1
Transcript of 6.3. Bilantul de Materiale
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
1/41
Fig.19.Schema tehnologica a procesului de productie a bioetanoluluidin biomasa lignocelulozic [17]
55
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
2/41
6.3. Bilanul de materiale
Legend:Tabel 6.3.1. Semnificaia notaiilor ntlnite n schema tehnologic
Utilizm ca materie prim resturi din lemn de esen tare, avnd un debit de
alimentare de : 80 t/h
Compoziia materiei prime: - 23.8 % celuloz;
-12.1% hemiceluloz;
-14.5% lignin;
-0.7 % manan;
-0.4% araban;
-48.5 % umiditate;
Hidroliza se realizeaz utiliznd 42 SOH de concentraie 0.5 %, la o temperatur
de 190C i o presiune de 12.2 atm.
Purificarea se realieaza prin trecerea print-o coloan schimbatoare de ioni,
utiliznd ca efluent 3NH .
Neutralizarea se realizeaz utiliznd ca agent de neutralizare 2)(OHCa
Etapa SSCF are loc la o temperatura de 33C, presiune :1 atm , n prezena
celulazelor generate de enzima Zymomonas mobilis.
Celulazele transform 92% din hexoze i 85% din pentoze n alcool.
Notaie Semnificaie Notaie SemnificaieM1 Vas de amestecare SC3 Separator solid/lichidM2 Vas de amestecare M10 Vas de amestecareM3 Vas de amestecare SP1 Separator R1 Reactor de hidroliz E1 Schimbator de cldurF1 Dispozitiv de rcire instantanee M11 Vas de amestecareM4 Vas de amestecare M12 Vas de amestecareSC1 Separator solid/lichid SP2 Separator M5 Vas de amestecare a fractiei
lichide cu ap i amoniacR3 Reactor de fermentare a
zaharurilorR2 Coloan schimbatoare de ioni R4 Reactor de fermentare a materiei
nereacionateSC2 Separator solid/lichid M13 Vas de amestecareM6 Vas de amestecare SC4 Separator solid /lichidM7 Vas de amestecare E2 Schimbator de cldurM8 Vas de amestecare T1 Coloan de distilareR3 Reactor de neutralizare T2 Coloan de distilareM9 Vas de amestecare SC5 Separator solid /lichidR9 Reactor de preparare a gipsului
56
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
3/41
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
4/41
intermediari ieiteComponente M S8 S8 S9 S9 S13 S13 S12 S12
kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/hTotal efluent 5491.69 135495 5441.43 135495 3885.13 106924.33 1556.29 28571
Celuloza 162 117.53 19040 109.07 17669.12 109.07 17669.12 0 0
Hemiceluloz 132 73.33 9680 11 1452 11 1452 0 0Manan 162 3.46 560 0 0 0 0 0 0
Araban 132 2.42 320 0 0 0 0 0 0Lignina 150 77.33 11600 77.33 11600 77.33 11600 0 0
Glucoz 180 0 0 7.64 1375.11 7.64 1375.11 0 0Manoz 180 0 0 2.59 466.67 2.59 466.67 0 0
Arabinos 150 0 0 1.82 272.73 1.82 272.73 0 0
Xiloz 150 0 0 55 8250 55 8250 0 0Ap 18 5211.11 93800 5161.26 92902.62 3612.88 65031.83 1548.38 27871
acid sulfuric 98 2.76 270 2.76 270 2.48 243 0.28 27acid acetic 60 3.75 225 3.75 225 2.06 123.75 1.69 101
Furfural 96 0 0 7.94 762.18 1.98 190.55 5.95 572HMF 126 0 0 0.86 108.89 0.86 108.89 0 0
Celobioz 342 0 0 0.41 140.68 0.41 140.68 0 0
Total(In/Ie)
kg/h
135495
58
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
5/41
n etapa de pretratament celuloza i hemiceluloza sunt descompuse sub aciunea acidului sulfuric diluat , conform reaciilor prezentate ntabelul 6.2.1., rezultnd glucoz, celobioz i xiloz , alturi de ali produi de reacie (manoz, arabinoz, furfural, HMF). Acidul sulfuric ajut lasepararea ligninei i reduce cristalinitatea celulozei.
2. Etapa de detoxifiere
Tabel.6.3.3. Bilanul de materiale pentru etapa de detoxifiere
59
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
6/41
intrate
Componente M S13 S13 S18 S18 S17 S17 S14 S14kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h
Total efluent 3885.13 106924 7.02 119 1011.11 18200 3160.83 56895
Celuloz 162 109.07 17669 0 0 0 0 0 0Hemiceluloz 132 11 1452 0 0 0 0 0 0
Manan 162 0 0 0 0 0 0 0 0Araban 132 0 0 0 0 0 0 0 0
Lignina 150 77.33 11600 0 0 0 0 0 0Glucoz 180 7.64 1375 0 0 0 0 0 0Manos 180 2.59 467 0 0 0 0 0 0
Arabinos 150 1.82 273 0 0 0 0 0 0Xiloz 150 55 8250 0 0 0 0 0 0
Ap 18 3612.88 65032 0 0 1011.11 18200 3160.83 56895acid sulfuric 98 2.48 243 0 0 0 0 0 0
acid acetic 60 2.06 124 0 0 0 0 0 0
Furfural 96 1.98 191 0 0 0 0 0 0HMF 126 0.86 109 0 0 0 0 0 0
Celobioz 342 0.41 141 0 0 0 0 0 0amoniac 17 0 0 7.02 119 0 0 0 0
Total (In/Ie)kg/h
182139
intermediari ieiteComponente M S19 S19 S16 S16 S21 S21 S22 S22
kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h
Total efluent 7866.70 151418 197.40 30721 2347.01 42524 5519.69 108893Celuloz 162 0 0 109.07 17669 0 0 0 0
Hemiceluloz 132 0 0 11 1452 0 0 0 0Manan 162 0 0 0 0 0 0 0 0
Araban 132 0 0 0 0 0 0 0 0
Lignin 150 0 0 77.33 11600 0 0 0 0
Glucoz 180 7.64 1375 0 0 0 0 7.64 1375Manos 180 2.59 467 0 0 0 0 2.59 467
Arabinos 150 1.82 273 0 0 0 0 1.82 273
Xiloz 150 55 8250 0 0 0 0 55 8250
Ap 18 7784.82 140127 0 0 2335.45 42038 5449.38 98089acid sulfuric 98 2.48 243 0 0 2.48 243 0 0
acid acetic 60 2.06 124 0 0 2.06 124 0 0Furfural 96 1.98 191 0 0 0 0 1.98 191
HMF 126 0.86 109 0 0 0 0 0.86 109
Celobioz 342 0.41 141 0 0 0 0 0.41 141amoniac 17 7.02 119 0 0 7.02 119 0 0
Total (In/Ie)kg/h
182139
60
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
7/41
n aceast etap de detoxifiere, acidul sulfuric i acidul acetic sunt eliminate prin trecerea printr-un schimbtor de ioni, care la rndullui este curat utiliznd un flux de amoniac. Conform reciilor din tabelul 6.2.2 acizii sunt transformai n srurile corespunztoare. Acizii sunteliminai din sruri fiind separai din amestec mpreun cu apele reziduale.
3.Etapa adugrii de var i eliminarea gips-uluiTabelul.6.3.4. Bilanul de materiale pentru etapa de adugare de var i eliminare de gips
61
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
8/41
intrate
Componente M S22 S22 S23 S23 S25 S25 S27 S27 S30 S30
aburJP
aburJP
kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/hTotal efluent 5519.69 108893 0.87 85 1.84 136 38.89 700 0.97 95
Glucoza 180 7.64 1375 0 0 0 0 0 0 0 0
Manosa 180 2.59 467 0 0 0 0 0 0 0 0Arabinosa 150 1.82 273 0 0 0 0 0 0 0 0
Xiloza 150 55 8250 0 0 0 0 0 0 0 0Apa 18 5449.38 98089 0 0 0 0 38.89 700 0 0
acid sulfuric 98 0 0 0.867347 85 0 0 0 0 0.97 95
Furfural 96 1.98 191 0 0 0 0 0 0 0 0HMF 126 0.86 109 0 0 0 0 0 0 0 0
Celobioza 342 0.41 141 0 0 0 0 0 0 0 0var 74 0 0 0 0 1.84 136 0 0 0 0
gips 172 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Total(In/Ie)
kg/h
109909
62
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
9/41
intermediariiesite
Componente M S31 S31 S32 S32 S34 S34 S33 S33
kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h
Total efluent 5562.25 109909 5560.41 109909 5558.58 109593 1.84 316Glucoza 180 7.64 1375 7.64 1375 7.64 1375 0 0
Manosa 180 2.59 467 2.59 467 2.59 467 0 0Arabinosa 150 1.82 273 1.82 273 1.82 273 0 0
Xiloza 150 55 8250 55 8250 55 8250 0 0
Apa 18 5488.27 98789 5488.27 98789 5488.27 98789 0 0acid sulfuric 98 1.84 180 0 0 0 0 0 0
Furfural 96 1.98 191 1.98 191 1.98 191 0 0
HMF 126 0.86 109 0.86 109 0.86 109 0 0Celobioza 342 0.41 141 0.41 141 0.41 141 0 0
var 74 1.84 136 0 0 0 0 0 0gips 172 0 0 1.84 316 0 0 1.84 316
Total(In/Ie)kg/h
10990963
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
10/41
n aceast etap amestecul lichid este reacidifiat prin adugarea treptat de acid sulfuric. Acidul sulfuric este necesar pentru hidroliza isolubilizarea componenilor, ns este toxic mai departe n etapa SSCF, de aceea trebuie eliminat. Eliminarea acidului se face conform reaciei dintabelul 6.2.3, prin adugarea de var transformnd astfel acidul n gips , acesta putnd fi eliminat mai uor.
4.Etapa SSCFTabel 6.3.5. Bilanul de materiale pentru etapa SSCF
64
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
11/41
intrateIntermediari
componente M S34 S34 S16 S16 S39 S39 S41 S41 S42 S42
kg/kmol kmol/h kg/h kmol/kg kg/h kmol/kg kg/h kmol/kg kg/h kmol/h kg/htotal efluent 5558.58 109593 197.40 30721 170.59 2900 - 38 141771
Celuloza 162 0 0 109.07 17669 0 0 0 0 109.07 17669Hemiceluloza 132 0 0 11 1452 0 0 0 0 11 1452
Lignina 150 0 0 77.33 11600 0 0 0 0 77.33 11600
Glucoza 180 7.64 1375 0 0 0 0 0 0 7.64 1375Manosa 180 2.59 467 0 0 0 0 0 0 2.59 467
Arabinosa 150 1.82 273 0 0 0 0 0 0 1.82 273Xiloza 150 55 8250 0 0 0 0 0 0 55 8250
Apa 18 5488.27 98789 0 0 0 0 0 0 5405.94 97307
acid acetic 60 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Furfural 96 1.98 191 0 0 0 0 0 0 1.98 191
HMF 126 0.86 109 0 0 0 0 0 0 0.86 109Celobioza 342 0.41 141 0 0 0 0 0 0 0.41 141
amoniac 17 0 0 0 0 170.59 2900 0 0 170.59 2900
etanol 46 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0dioxid decarbon 44 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
produsisecundari - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Z.mobilis - 0 0 0 0 0 0 - 0.2 - 0
celulaze 60500 0 0 0 0 0 0 0.0006 38 0.0006 38Total( In/Ie)/
kg/h
143253
65
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
12/41
66
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
13/41
intermediari ieitecomponente M S47 S47 S36 S36 S48 S48 S50 S50
kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/htotal efluent 141771 82.32 1482 453.78 14827 126944
Celuloza 162 20.50 3322 0 0 0 0 20.50 3322
Hemiceluloza 132 11 1452 0 0 0 0 11 1452Lignina 150 77.33 11600 0 0 0 0 77.33 11600
Glucoza 180 0 0 0 0 0 0 0 0
Manosa 180 0 0 0 0 0 0 0 0Arabinosa 150 0 0 0 0 0 0 0 0
Xiloza 150 0 0 0 0 0 0 0 0Apa 18 5326.54 95878 82.32 1482 53.27 959 5273.27 94919
acid acetic 60 9.70 582 0 0 2.91 175 6.79 408Furfural 96 1.98 191 0 0 0 0 1.98 191
HMF 126 0.86 109 0 0 0 0 0.86 109
Celobioza 342 0 0 0 0 0 0 0 0amoniac 17 165.85 2819 0 0 140.97 2397 24.88 423
etanol 46 256.44 11796 0 0 2.56 118 253.88 11678dioxid decarbon 44 254.07 11179 0 0 254.07 11179 0 0
produsisecundari - 49.23 2805 0 0 0 0 49.23 2805Z.mobilis - - 0 0 0 0 0 - 0
celulaze 60500 0.0006 38 0 0 0 0 0.0006 38Total( In/Ie)
kg/h
143253
67
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
14/41
n aceast etap restul celulozic i celobioza sunt transformate n glucoz, care la rndul ei este transformat impreun cu xiloza, subaciunea celulazelor n etanol, dioxid de cabon, dup cum arat reaciile prezentate n tabelele 6.2.4., 6.2.5 i 6.2.6.5.Etapa de distilare
Tabel 6.3.6..Bilanul de materiale pentru etapa de distilare
intrate Intermediar ieite
componente M S50 S50 S52 S52 S51 S51 S53 S53 S54 S54kg/kmol kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h
total efluent 126930 59532 67398 2536.02 46025 374 13507Celuloza 162 20.50 3322 0 0 20.50 3322 0 0 0 0
Hemiceluloza 132 11.00 1452 0 0 11 1452 0 0 0 0
Lignina 150 77.33 11600 0 0 77.33 11600 0 0 0 0Apa 18 5272 94905 2636 47452 2636 47452 2504.43 45080 131.81 2373
acid acetic 60 6.79 408 2.38 143 4.42 265 2.38 143 0.00 0Furfural 96 1.98 191 0 0 1.98 191 0 0 0 0
HMF 126 0.86 109 0 0 0.86 109 0 0 0 0
amoniac 17 24.88 423 19 317 6.22 10618.6
6 317 0 0
etanol 46 253.88 11678 252.61 11620 1.27 5810.5
6 486242.
05 11134
produsisecundari - 49.23 2805 0 0 49.23 2805 0 0 0 0Z.mobilis - - 0.2165 - 0 - 0.2165 0 0 0 0
celuloza 60500 0.0006 38 0 0 0.0006 38 0 0 0 0
total (In/Ie)kg/h 126930 126930
68
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
15/41
n aceast etap emestecul obinut n etapa SSCF este trecut prin dou coloane de distilare. Din prima coloana se obine un amestec binaretanol-ap ce conine 19% etanol i 80% ap cu mici urme de amoniac i acid acetic. Acest amestec este introdus intr-o a doua coloana de distilareobnndu-se n final un amestec etanol-ap (82% etanol i 18% ap).
6.3.2. Bilanul total de materiale
1.Bilanul total al materialelor intrate n procesTabel 6.3.7.Bilanul total de materiale intrate
componente M S1 S2 S4 S5 S7 S18 S17 S14 S23 S25 S27 S30 S39 S41
aburJP
aburIP
aburJP
kg/kmol kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h
total efluent 80000 9000 270 24225 22000 119 18200 56895 85 135.9 700 95 2900 38.217celuloz 162 19040
hemiceluloz 132 9680manan 162 560
araban 132 320
lignin 150 11600ap 18 38800 9000 24000 22000 18200 56895 700
acid sulfuric 98 270 85 95
acid acetic 60 225Zymomonas m. - 0.217
celulaze 60500 38amoniac 17 119.4 2900
var 74 136Total intrat 214664
69
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
16/41
3. Bilanul total al materialelor ieite din proces
Tabel 6.3.7. Bilanul total al materialelor ieite
Componente M S12 S21 S33 S36 S48 S51 S53 S54kg/kmol kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h
Total efluent 28571 42524 316 1482 14841 67398 46025 13507
celuloza 162 3322hemiceluloza 132 1452
lignina 150 11600apa 18 27871 42038 1482 959 47452 45080 2373
acid sulfuric 98 27 243 0
acid acetic 60 101 124 175 265 143furfural 96 572 191
HMF 126 109dioxid de carbon 44 11179 0
etanol 46 131 58 486 11134
Zymomonas - 0.2165celulaze 60500 38
amoniac 17 119 2397 106 317gips 172 316 0
produsi secundari - 2805Total iesite 214664
70
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
17/41
6.3.Consumuri specifice.Costuri specifice
n urma efecturii bilanului total de materiale, am obinut un flux de etanol, FEt=13507 kg/h. Opernd 8000 de ore ntr-un an vom obine o producie anual de : 108056tone/an.
Tabel:6.3.1. Consumuri specifice i costuri specifice pentru producia bioetanolului din materiilignocelulozice
Tabel 6.3.2. Producii specifice pentru producia bioetanolului din materii lignocelulozice
Instalaia propus produce n medie 133.73 milioane l etanol/an, funcionnd
8000 ore pe an. Fluxul de materie prim introdus n instalaie este de 80 t/an. n urma
calculului economic s-a obinut un cost total de 0.56 /l etanol, lund n considerare
costul echipamentelor, costul materiei prime, costul substanelor chimice folosite si al
celulazelor, precum i al altor cheltuieli diverse. Costul echipamentelor include costul
aburului i al apei de rcire, iar cheltuielile diverse includ costul electricitii, cheltuieli
generale i administative pecum i salariile angajailor.[17]
n tabelul 6.3.3.sunt estimate preurile pentru fiecare component intrat n
costul de producie:
6.3.3.Preul componentelor intrate n producie
n Anexa 5 prezint mprirea costului total de fabricaie a bioetanolului pefiecare etap a procesului tehnologic.
71
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
18/41
6.5.Dimensionare utilaje
6.5.1.Predimensionare fermentator
n urma efecturii bilanului matematic obinem o valoare de 11796 kg/h pentru
debitul de etanol care iese din fermentator. Avem o productivitate a instalaiei de 8 kg
etanol/m3*h.
Volumul necesar fermentatorului este de : V fermentator= 1475 m3.
Deoarece avem nevoie de un fermentator cu volumul foarte mare, ne propunem
utilizarea a 4 fermentatoare care vor funciona n paralele pentru care propunem un grad
de umplere de 85%. Fiecare fermentator utilizat are 452 m3, sunt cilindrice i au
urmtoarele caracteristici dimensionale:
Diametrul : 6 m;
nlimea : 16 m;
Aria: 28.3 m;
Volumul: 452 m3.
n fiecare din cele 4 fermentatoare temperature masei de reaciei trebuie
meninut constant, la valoare 33 C. Din acest motiv fermentatoarele sunt prevazute cu
o serpentin.
a) Dimensionarea serpentinei
Pentru a putea dimensiona serpentina avem nevoie s cunoatem cantitatea de
cldur ce trebuie ndeprtat.
Cldura de fermentare: -234 kJ/mol;
Gucoza reacionat: 32.06 kmol/h.
Cldura degajat n urma fermentrii este de 2083575 w. Avnd 4 fermentatoare
cldura pentru un singur fermentator va fi 520894 w.
Temperatura masei de reacie trebuie meninut la valoarea constant T = 33C.
Temperatura apei de rcire este Tr,i = 20C la intrarea n serpentin i Tr,e = 30C la
ieirea din serpentin.
Diferena medie de temperatur se calculeaz cu formula (1).
72
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
19/41
tmed = (tmax tmin) / ln (tmax / tmin) (1)
unde: tmax = diferena maxim de temperatur ntre cele dou fluide =13C
tmin = diferena minim de temperatur ntre cele dou fluide = 3C.
n urma calculului obinem pentru tmed valoarea 6.82 C.
Suprafaa de transfer termic s-a calculat cu urmtoarea formul (20) [18]
S = Q / (K tmed) (2)
unde :K-coeficientul de transfer termic, pe care l propunem: K=1000W/m2C.
s-a obinut o suprafa de transfer termic S = 306.4 m2.
Caracteristicile serpentinei:
Diametrul serpentinei (d): 5.5 m
Diametrul exterior al evii (de): 10 cm;
Diamentrul interior al evii (di): 9cm;
Lungimea necesar a serpentinei (L) se calculeaz cu relaia (3), i este de 976
m;
L = S / ( de) (3)Numrul de bucle al serpentinei (Nb) se calculeaz cu relaia (4) i obinem 60
bucle complete;
Nb = L / ( d) (4)
Atunci putem considera c lungimea serpentinei pentru 60 de bucle complete
este de 1036 m .
Aria serpentinei (As) se calculeaz cu relaia (5), obinnd valoarea 325 m2.
As = 60 2 d de (5)
Aria interioar a evii (Ai) , se calculeaz cu relaia (6), i obtinem valoarea 0.64
dm2.
73
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
20/41
Ai = ( di2) / 4 (6)
Mai departe utiliznd relaia (7), calculm debitul apei de rcire care circul prin
serpentin. n urma calculului am obinut Da= 49.85 kg/s.
Da = Q / c t (7)
unde: c = 4.18 kJ/kgC;
t = 10C.
Viteza apei n serpentin s-a calculat cu relaia (8), i s-a obinut va= 7.8 m/s.
va = Da / Ai (8)
Viteza soluiei din fermentator s-a stabilit a fi vs=3m/s.
n urmtoarea etapa vom verifica valoarea coeficientului de transfer termic (K).Vom folosi pentru calcul relaia (9) deoarece raportul dintre cele dou diametre ale
evii , de/di, este mai mic dect 1.5. [19]
k = 1 / (1/i + p/2p + 1/e) (9)
unde: i = coeficientul de convecie a agentului termic n interiorul evii,
W/m2C;
e = coeficientul de convecie a soluiei n exteriorul evii, W/m2C;
p = grosimea evii, m;
p = conductivitatea termic a evii de oel, W/mC
Grosimea evii este p = 0.01 m i conductivitatea termic a evii de oel este p =
46.5 W/mC.
Pentru calculul coeficieniilor de convecie se utilizeaz relaia (10). [19]
74
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
21/41
= Nu ( / d) (10)
unde: i = conductivitatea termic a lichidului, W/mC;
d = diametrul tevii, m;
Conductivitatea termic a apei de rcire din interiorul evii, la 25C, este a =
0.62 W/mC i conductivitatea termic a soluiei din fermentator, la33C, este sol =
0.62W/mC.
Criteriul Nusselt se calculeaz cu relaia (11) .[19]
Nu = 0.021 Re0.8 Pr0.43 (11).
Criteriul Prandtl pentru ap este Pra = 5.42 i pentru soluie Prsol = 3.9. [20]
Criteriul Prandtl se gasete tabelat, fiind calculat cu relaia (12).
pc=Pr (13)
Unde: -viscozitatea dinamic, ]/[ 2msN ;
cp-cldura specific la presiune constant, ]/[ CKgJ ;
-conductivitatea termic, ]/[ CmW ;
Criteriul Reynolds pentru apa care curge prin eava de diametru di = 0.09m cu
viscozitatea cinematic a = 0.9*10-6m2/s la 30C i viteza de curgere va = 7.8m/s este
dat de relaoa (14). [20]
Rea = (va di) / a (14)
Obinem Re= 783932.
riteriul Reynolds pentru suprafaa exterioar a evii de diametru d e = 0.1m, cu
viscozitatea cinematic sol = 6.5 10-6m2/s la temperatura de 33Ci viteza vsol = 3m/s
este dat de relaia (15). [20]
Resol = (vsol de) / sol (15)
Obinem Re=76923.
Cu datele obinute mai sus am calculat mai departe coeficienii de convecie
pentru cele dou lichide, folosind relaia (10). Am obtinut urmtoarele valori:
75
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
22/41
i = 15539 W/mC, pentru apa de rcire din interiorul evii;
e = 1281W/mC, pentru soluia din experiorul evii.
Mai departe calculm coeficientul de transfer termic (K) cu relaia (9) i obinem
valoarea 1050 W/m2C.Valoarea calculat este foarte apropiat de valoarea propus
K=1000 W/m2C.
In figura. Anexa 3 este prezentat schia unui fementator.
76
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
23/41
6.5.2. Dimensionarea coloanei de rectificare folosit la distilarea
amestecului binar ap-etanol
Introducem n coloana de distilare un debit de alimentare cu valoarea: F=16.54
kg/s. Amestecul are urmatoarea compoziie: x1,F =0.19 (etanol), x2,F=0.81
(ap).Temperatura de alimentare a mestecului este : t1,F 111C, iar presiunea de
alimentare este de pF=1.77 atm.
n Tabelul 6.5.1. vor fi prezentate proprietile fizice ale amestecului, acestea au
fost calculate cu programul Simulis Calculator, n funcie de temperatura , presiunea i
compoziia amestecului.
Tabelul 6.5.1. Proprietile fizice ale amestecului
n Tabelul 6.5.2. sunt prezentate condiiile de operare pentru coloana derectificare.
Tabel 6.5.2 Condiiile de operare
77
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
24/41
6.5.2.1. Diagrama de echilibru i Diagrama de fierbere
n Tabelul 6.5.3 sunt prezentate datele echilibrului lichid vapori. Avem Tr-
temperatura de rou, Tf- temperatura de fierbere, x1-compoziia componentului uor
volatil n faz lichid, x2- compoziia componentului greu volatil n faz lichid, y1-
compoziia componentului uor volatil n faz de vapori, y2 -compoziia componentului
greu volatil n faz de vapori , iar volatilitatea relativ.
Tr, Tf, au fost calculate cu ajutorul programului Simulis Calculator.
Volatilitatea relativ a fost calculat cu relaia (1) :
2
1
K
K= (1) unde : K1-constanta de echilibru pentru componentul 1
K2- constanta de echilibru pentru componentul 2
Constantele de echilibru K1 i K2 a fost calculate de asemenea prin intermediul
programului Simulis Calculator
Compoziia componentului uor volatil n faz de vapori (y1) a fost calculat cu
Ecuaia lui Fenske [21], dat de relaia (2) :
x
xy
)1(1 +=
(2) unde : -volatiltatea relativ
x- compoziia componentului uor volatil n fazlichid
Tabel 6.5.3. Echilibrul lichid-vapori
78
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
25/41
Cu datele prezentate n tabelul Tabel 6.5.3 au fost construite Diagrama de
echilibru (Figura 6.5.1.a) i Diagrama de fierbere ( Figura 6.5.1.b ).
Diagrama de echilibru red: -reprezentarea grafic a compoziia
componentului uor volatil n faz de vapori (y1) funcie de compoziia componentului
uor volatil n faz lichid(x1).Pe acelai grafic se reprezint ddiagonala de echilibru.
Diagrama de fierbere red: - reprezentarea grafic a Temperaturii de fierbere
(Tf) funcie de compoziia componentului uor volatil n faz lichid (x1) ;
- reprezentarea grafic a Temperaturii de rou
funcie de compoziia componentului uor volatil n faz de vapori (y1).
79
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
26/41
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
27/41
6.5.2.2. Starea termic a alimentrii
Starea termic a alimentrii (q) se calculeaz cu relaia (3) [22]:
'''
''
ff
ff
HHHHq
=(3) unde : ''fH -entalpia vaporilor;
'fH -entalpia amestecului la punctul de fierbere;
fH -entalpia amestecului la alimentare.Valoriile entalpiilor au fost calculate cu programul Simulis Calculator i sunt
prezentate n Tabelul 6.5.4. ,alturi de valoarea strii termice a alimentrii.
Tabelul 6.5.4. Starea termic a alimentrii
6.5.2.3. Parametrii limit ai separrii
a) Trasarea liniilor verticale
Se calculeaz refluxul minim folosind relaia (4):
FD
FD
xx
yy
R
=min ( 4)
n Tabelul 6.5.5. sunt prezentate datele necesare pentru trasarea liniilor D,F,W,
dreapta q, i dreapta de operare pentru refluxul minim.
-linia D trasat pe diagrama de echilibru unete punctul xD cu diagonala de
echilibru;
-linia F trasat pe diagrama de echilibru unete punctul xF cu diagonala de
echilibru;
-linia W trasat pe diagrama de echilibru unete punctul xW cu diagonala
de echilibru;
- dreapta q, se cunosc coordonatele din xL1, si xL2 (q=1, panta
infinit)yL1=xL1 iar yL2 se calculeaza cu relaia (2) pentru x=xL2;
-dreapta de operare, se cunosc : xL1=x1D, yL1=x1D iar xL2,yL2 sunt aceleai ca pentru dreapta q.
81
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
28/41
Tabel. 6.5.5.Date pentru construirea liniilor verticale
n Figura 6.5.2. sunt reprezentate pe diagrama de echilibru liniile verticale i
dreapta de operare pentru refluxul minim.
Figura 6.5.2. Reprezentarea grafic a liniilor verticale
b) Trasarea numrului minim de talere
Numrul minim de talere este un parametru ce caracterizeaz separarea
amestecului multicomponent, n funcie de componenii cheie, n cazul unei operri
limit la reflux total.
82
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
29/41
Se aplic pentru fiecare taler relaia lui Fenske considernd ca y1=xD i x1=y2,
pn cnd xL2 va deveni mai mic sau egal cu xW.
Tabelul 6.5.6, conine coordonatele numrului minim de talere.
Tabel. 6.5.6. Coordonatele numrului minim de talere
n Figura 6.5.3.au fost reprezentate grafic numrul minim de talere.
Figura 6.5.3. Numrul minim de talere
83
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
30/41
6.5.2.4. Parametrii separrii
a) Determinarea refluxului optim, i a debitului molar de lichid i vapori
zona de coordonare i respectiv zona de stripare.
Cunoscndu-se refluxul minim (Rmin) i numrul minim de talere putem calcula
mai departe refluxul optim (Roptim), se calculeaz cu relaia (5).
min
minmin 192.01(
R
NRRoptim += (5)
n urma calculului matematic am obinut Roptim= 2.27.
n continuare cunoscnd refluxul optim i debitul molar de distilat calculm
debitul de lichid n zona de concentrare, folosind relaia (6).
DRoptimL = (6)
Efectund calculul matematic am obinut un debit de lichid n zona de
concentrare este de
0.42 kmol/s.
Cunoscnd debitul de lichid din zona de concentrare vom calcula debitul de
vapori din zona de concentrare , utiliznd relaia (7).
DRDLV optim )1( +=+= (7)
Obinem un debit de vapori n zona de concentrare, V= 0.61 kmol/s
Mai departe vom calcula debitul de lichid n zona de stripare (L) i debitul de
vapori n zona de stripare (V). Pentru calculul lui L utilizm relaia ( 8), iar pentru
calculul lui V se face utiliznd relaia (9).
qFLL +=' (8)
FqVV )1(' = (9)
unde : q-starea termic a alimentrii (q=1, n urma calculului efectuat mai sus).
Obinem pentru debitul de lichid i respectiv debitul de vapori din zona de
stripare, urmtoarele valori: L=1.26 kmol/s i V=0.61kmol/s.
84
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
31/41
b) Determinarea ecuaiei dreptei de operare pentru fiecare zon n parte
Ecuaia dreptei de operare pentru zona de concentrare este data de relaia (10).
[23]
(10)
Ecuaia dreptei de operare pentru zona de stripare este dat de relaia (11).[23]
(11)
De asemenea n ecuaiile (12) , (13a ) i respectiv (13b) sunt prezentate ecuaiile
dreptei q i respectiv cele dou forme pentru ecuaia curbei de echilibru.
(12)
(13a )
(13b)
c) determinarea coordonatelor talerelor teoretice
Numrul de talere teoretice se determin similar ca n metoda precedent
ncepnd cu primul taler, se aplic pe rnd relaia de echilibru i de operare pentru
calculul concentraiilor de pe taler pn cnd xL2XF, apoi se trece la zona de stripare ise repet procedura.
85
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
32/41
n Tabelul 6.5.7.a sunt prezentate coordonatele talerelor teoretice calculate
pentru zona de concentrare, iar n Tabelul 6.5.7.b sunt reprezentate talerele teoretice
pentru zona de stripare.
Tabel 6.5.7.a. Coordonatele talerelor teoretice n zona de concentrare
86
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
33/41
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
34/41
6.5.2.5. Calculul eficienei separrii
a) calculul coordonatelor curbei de cinetice
Pentru finalizarea proiectrii coloanei de separare trebuie ns determinatenumrul real de talere. Dac pe taler s-ar atinge concentraiile de echilibru atunci el ar
putea fi considerat teoretic. De obicei funcionarea unui taler real este caracterizat de un
coeficient E numit eficiena talerului. Determinarea eficienei se realizeaz prin
consideraii la transferul de mas. n lucrarea data pentru a simplifica calculele, eficiena
s-a considerat egal cu 0,8. Dac se cunoate E se poate trasa curba cinetic, yn
reprezentnd concentraia real pe talerul n a componentului uor volatil n faza de
vapori.n Tabelul 6.5.8 sunt redate coordonatele curbei cinetice.Unde yn este dedus din
relaia (14), yn* se calculeaz utiliznd relaia (13a), iar y n+1 se calculeaz utiliznd
relaia (10) pentru zona de concentrare, respectiv relaia (11) pentru zona de stripare.
1
1
* +
+
=nn
nn
yy
yyE (14)
Tabelul 6.5.8.Coordonatele curbei cinetice
88
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
35/41
b) trasarea curbei cinetice
Cu ajutorul datelor prezentate n tabelul precedent vom trasa curba cinetic ,reprezentnd yn in functie de xn.
Figura 6.5.5 red reprezentarea grafic a curbei cinetice pe diagrama de
echilibru.
Figura 6.5.5. Curba cinetic
c) calculul coordonatelor talerelor reale
Valorile coordonatelor talerelor reale sunt redate n Tabelul 6.5.9.b pentru zona deconcentrare i n Tabelul 6.5.9.a pentru zona de stripare.
Pentru zona de concentrare s-au stabilit valorile xL1, yL1 i yL2 ca fiind simialare cu
cele calculate pentru talerele teoretice (pentru talerul 1). Pentru a calcula valoarea xL2 pentru
fiecare taler se utilizeaz funcia Goal SeekdinExcel. Pentru a putea face acest calcul avem
nevoie de valoarea lui yn care se calculeaz cu relaia (15).
+++
+=+= ++ DnDnnnnn xVD
xV
L
x
x
ExV
D
xV
L
yyEyy )1(1)( 1*
1
(15)
89
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
36/41
Pentru calculul lui yL2 pe cealalt latur a talerului se utilizeaz aceeaiprocedur ca la talerele teoretice (din ecuaia dreptei de operare). Se continu procedurapn cnd xL1~xF.
Pentru zona de stripare, se stabilesc coordonatele pentru xL1, yL1 i xL2 iarpentru yL2 se utilizeaz relatia (16).
++
=+= ++ wnwnnnnn x
V
Wx
V
L
x
xEx
V
Wx
V
LyyEyy
')1(1)(
'
'
''
'
1
*
1
(16)
Pentru calculul lui xL2 pe cealalt latur a talerului se utilizeaz aceeaiprocedur ca i la talerele teoretice ( din ecuaia dreptei de operare). Se continuprocedura pn cnd xL1~xF.
Tabelul 6.5.9.a. Coordonatele talerelor reale n zona de stripare
Tabel 6.5.9.b.Coordonatele talerelor reale n zona de concentrare
90
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
37/41
91
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
38/41
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
39/41
(17)
n cazul calculului
diametrelor coloanei se consider debitul volumetric m3/s de vapori n fiecare zon i
viteza admisibil a vaporilor care se poate determin cu ajutorul relaiei (19):
(19)
Cf fiind
coeficientul empiric, care se determin din diagrama dinfigura 6.4.2.6de mai jos:
Figura 6.5.7. Diagrama pentru calculul calculul coeficientului Cf(metodaFair ,1961)
(18)
Unde :
Lm, Vm debit masic de lichid i vapori [kg/s]
V, L densitatea vaporilor i a lichidului [kg/m3
n cazul calculului diametrelor tuurilor viteza pt lichide wL=1m/s i vapori
wV=10m/s.
n tabelul 6.5.10. sunt prezentate valorile obinute n urma calculului
hidrodinamic.
93
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
40/41
Tabel 6.5.10. Valorile calculului hidrodinamic
n Anexa 4 este redat schia unei coloane de rectificare
94
-
7/31/2019 6.3. Bilantul de Materiale
41/41