![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Тепловой Расчет. Тепловой баланс установки:
Тепловой баланс установки: Qприх = Qрасх [10] Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8 + Q9 + Q10 + Q11
1. Приход тепла, Qприх 1) Q1 – тепло, поступающее в аппарат вместе с вытяжкой
Q1 = Gвыт·Свыт·tнвыт, где [10] - Свыт – теплоемкость исходной вытяжки, Дж/кг·град
Свыт = С1·х1 + С2·х2+ С3·х3 + С4·х4, где [11] - С1 , С2, С3, С4 – теплоемкости спирта этилового, воды, экстрактивных веществ (в пересчете на дубильные вещества, танин) и антраценпроизводных соответственно, Дж/кг·град; - х1, х2, х3, х4 – массовые доли компонентов в исходной вытяжке. С1 = 2, 6 кДж/кг·град [10] С2 = 4, 19 кДж/кг·град [10] С4 = 1, 72 кДж/кг·град [10] Для расчета теплоемкости танина воспользуемся формулой расчета теплоемкости химического соединения: М·С = n1·C1 + n2·C2 + …, где [10] - М – молекулярная масса соединения кг/кмоль; - С – теплоемкость соединения, кДж/кг·град; - С1, С2 – теплоемкости атомов, входящих в соединение, кДж/кг·град; - n1, n2 – количество атомов данного элемента, входящих в соединение. Танин имеет следующую формулу: С14Н10О9 Молекулярная масса М = 322 кг/кмоль Теплоемкости атомов для соединения, находящегося в жидком состоянии, имеют следующие значения: С(С) = 11, 7 кДж/кг·град С(Н) = 18, 0 кДж/кг·град С(О) = 25, 1 кДж/кг·град Теплоемкость танина составит: С3 = (11, 7·14 + 18, 0·10 + 25, 1·9)/322 С3 = 1, 17 кДж/кг·град Массовые доли компонентов в вытяжке: х1= 60, 41 % х2 = 36, 85 % х3 = 2, 1 % х4 = 0, 64 % Т.о. теплоемкость вытяжки составит: Свыт = 0, 6041·2, 6 + 0, 3685·4, 19 + 0, 0064·1, 72 + 0, 021·1, 17 = 3, 15 кДж/кг·град
Q1 = 6551, 02·3, 15·103·50 Q1 = 103, 18·107 Дж
2) Q2 – тепло, вносимое неизолированной частью аппарата, Дж Q2 = Gапп·Сстали·tнапп, где - Сстали – теплоемкость стали, равная 0, 5 кДж/кг·град; [11] - tнапп – начальная температура аппарата, принимаемая равной температуре окружающей среды 20оС
Q2 = 5500·0, 5·103·20 = 5, 5·107 Дж
3) Q3 – тепло, вносимое изолированной частью аппарата Q3 = Gизол·Сизол·tнизол, где - Сизол – теплоемкость изолирующего материала, кДж/кг·град; - Gизол – масса изолирующего материала, кг; - tнизол – начальная температура изолирующего материала, принимается равной температуре окружающей среды, 20оС Масса изоляционного материала: Gизол = Fизол· δ изол· ρ изол Площадь изоляции определяется по следующей формуле: Fизол = п·D·Н + 0, 785 D2, где - D и Н – габариты аппарата, м. Fизол = 3, 14·0, 6·9, 43 + 0, 785·0, 36 Fизол = 18, 05 м2 Толщина тепловой изоляции δ изол определяется из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду: α в·(tст.2 – tв) = (λ изол/δ изол) (tст.1 – tст.2), где [10] - α в = 9, 3 + 0, 058 tст.2 – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м2 К - tст.2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), принимается равной 40 оС; - tст.1 – температура изоляции со стороны аппарата, принимается равной температуре греющего пара, tст.2 = tгр.п = 99, 1 оС; - λ изол = 0, 098 Вт/м·К [14] – коэффициент теплопроводности изоляционного материала α в = 9, 3 + 0, 058·40 = 11, 6 Вт/м2 К В качестве изолирующего материала используется совелит (85% магнезии и 15% асбеста). ρ изол = 450 кг/м3 Сизол = 0, 905 кДж/кг·град [14] δ изол = 0, 098·(99, 1 – 40)/(11, 6·(40 – 20)) δ изол = 0, 031 м
Gизол = 18, 05·450·0, 031 = 251, 8 кг
Q3 = 251, 8·0, 905·103·20 = 0, 46·107 Дж
4) Q4 – тепло, поступающее с греющим паром Q4 = D·i”·x, где [11] - D – расход греющего пара, кг; - i” – удельная энтальпия пара при давлении 0, 1 МПа, 2677 кДж/кг [11] - х – степень сухости пара, принимается равной 95%.
Q4 = 2677·103·0, 95·D Q4 = 0, 254·107 Дж
Общий приход тепла составит: Qприх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 Qприх = (103, 18 + 5, 5 + 0, 46 + 0, 254D)·107 Qприх = (109, 14 + 0, 254D)·107
2. Расход тепла, Qрасх 1) Q5 – тепло, необходимое для нагрева стальной части аппарата Q5 = Gапп Сапп tсрапп, где [10] - Сапп – теплоемкость материала аппарата, Сстали = 0, 5 кДж/кг·град - tсрапп – средняя температура стенки аппарата, оС
tсрапп = (tст.1 + tст.2)/2, где [11] - tст.1 и tст.2 – температуры стенки аппарата со стороны греющего пара и упариваемого раствора соответственно, оС Для определения tсрапп воспользуемся расчетом по методу последовательного приближения, для чего примем tст.1 = 93, 8 оС Расчет проводится исходя из того, что при установившемся процессе теплообмена количество тепла от конденсации греющего пара через стенку к кипящей выпариваемой жидкости равны. qконд = qcn = qкип [11]
qконд = α конд (tгр.п. - tст.1) Коэффициент теплоотдачи для конденсации пара принимаем равным α конд = 12000 Вт/м2 град qконд = 12000 (99, 1 – 93, 8) = 63600 Вт/м2 Количество тепла, проходящего через стенку, определяется формулой: qст = (tст.1 - tст.2)/∑ rст, где [11] - ∑ rст – суммарное термическое сопротивление стальной стенки и термических сопротивлений загрязнений на ней, м2 град/Вт ∑ rст = rз1 + (δ ст/λ стали) + rз2 ∑ rст (1/5800) + (0, 005/46, 5) + (1/5000) ∑ rст = 4, 8·10-4 м2 град/Вт tст.2 = tст.1 – q ∑ rст (из формулы (16)) tст.2 = 93, 8 - 63600·4, 8·10-4 tст.2 = 63, 3 оС
Количество тепла, передаваемое от стенки к кипящей жидкости: qкип = α кип (tст.2. – tкип), [10] - α кип – коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости; в РПИ может быть рассчитан по уравнению K.Dieter, полученному эмпирическим путем для РПИ типа «Самбай»
α кип = 110 (n/μ)1/3 λ, где - n – скорость вращения ротора, n = 800 об/мин - μ = 0, 67·10-6 м2/с – коэффициент диффузии водно-спиртовой смеси - λ = 35, 64·10-2 Вт/м К α кип = 110 (800/60·0, 67·10-6)1/335, 64·10-2 α кип = 10623 Вт/м2 град
Коэффициент теплопередачи составит: К = 1/((1/α конд) + (δ ст/λ) + (1/ α кип) [11] К = 1/((1/12000) + (4, 8/10000) + (1/10623) К = 1520, 9 Вт/м2 град
Проверка tст.1: tст.1 = tгр.п – К(tгр.п – tкип)/ α конд tст.1 = 99, 1 – 1520, 9 (99, 1 – 55)/12000 tст.1 = 93, 5 оС Уточнение tст.2 : tст.2 = tкип + К(tгр.п – tкип)/ α кип tст.2 = 55 + 1520, 9 (99, 1 – 55)/10623 tст.2 = 61, 31 оC
Т.о. средняя температура стенки аппарата составит: tсрапп = (93, 5 + 61, 31)/2 = 77, 4 оС
Q5 = 5500·0, 5·103·77, 4 = 21, 3·107 Дж
6) Q6 – тепло на нагрев изоляции Q6 = Gизол Сизол tсризол, - tсризол = 40 оС, - средняя температура изоляционного материала, должна строго соответствовать требованиям СанПиН и не превышать 45 оС
Q6 = 251, 8·0, 905·103·40 = 1·107 Дж
7) Q7 – тепло, затрачиваемое на испарение экстрагента из вытяжки Q7 = Gвыт Свыт (tкип – tнвыт)
Q7 = 6551, 02·3, 15·103(55 – 50) = 10, 32·107 Дж
8) Q8 – тепло, затрачиваемое на испарение экстрагента из вытяжки Q8 = W r, где - W- количество выпариваемого экстрагента, кг; - r – теплота испарения экстрагента при температуре кипения вытяжки, кДж/кг W = 410, 72·2·7 = 5750, 08 кг/сутки Теплота фазового перехода для смесей рассчитываются по правилу аддитивности: rсм = ∑ хi·ri, где - хi – массовые доли компонентов в смеси; - ri – теплоты парообразования компонентов при температуре кипения смеси, Дж/кг хcп.эт = 59% хводы = 41% rсп.эт. = 884, 1 кДж/кг rводы = 2368 кДж/кг rcм = 0, 59·884, 1 + 0, 41·2368 = 1492, 5 кДж/кг
Q8 = 5750, 08·1492, 5·103 = 858, 2·107 Дж
5) Q9 – количество тепла, уносимое с сухим экстрактом Q9 = Gсух.выт Ссух.выт. tксух.выт, где - Gсух.выт – масса сухого экстракта, кг; - Ссух.выт – теплоемкость сухого экстракта, Дж/кг град; - tксух.выт – температура сухого экстракта, равная 55оС. Gсух.выт = 11, 82·2·7 = 165, 48 кг/сутки Теплоемкость сухого экстракта рассчитывается по формулам (4) и (5). Теплоемкости атомов для соединения, находящегося в твердом состоянии, имеют следующие значения: С(С) = 7, 5 кДж/кг·град С(Н) = 9, 6 кДж/кг·град С(О) = 16, 8 кДж/кг·град Теплоемкость танина составит: С3 = (7, 5·14 + 9, 6·10 + 16, 8·9)/322 С3 = 1, 09 кДж/кг·град Массовые доли анрахинонов, экстрактивных веществ и влаги в экстракте: х1 = 23 % х2 = 74 % х3 = 3 % Т.о. теплоемкость вытяжки составит: Свыт = 0, 23·1, 27 + 0, 74·1, 09 + 0, 03·4, 19 = 1, 22 кДж/кг·град
Q9 = 165, 48·1, 22·103·55 = 1, 1·107 Дж
6) Q10 – количество тепла, уносимое с конденсатом греющего пара Q10 = D i’ х, где - i’ – удельная энтальпия воды при Р = 0, 1 МПа, равная 415, 2 кДж/кг [11]
Q10 = D 415, 2 ·103·0, 95 = 0, 039 ·D·107 Дж
7) Q11 – потери тепла в окружающую среду Q11 = Fизол α 1 (tизол – tо.с.) τ + Fнеизол α 2 (tст1 – tо.с.), где - τ – время упаривания вытяжки, с; Продолжительность упаривания вытяжки: τ = 5750, 08/(140·6, 3) = 6, 52 часа = 23470 с. - Fнеизол – площадь неизолированной части аппарата, принимается равной 20% от Fизол Fнеизол = 0, 2·18, 05 = 3, 61 м2 - α 1 = 9, 74 + (40 – 20) = 11, 14 Вт/м2 град - α 2 = 9, 74 + (93, 5 – 20) = 14, 89 Вт/м2 град Q11 = 18, 05·11, 14·(40 – 20) 23470 + 3, 61·14, 89·(93, 5 – 20) 23470 Q11 = 18, 71·107 Дж Расход тепла составит: Qрасх = (21, 3 + 1 + 10, 32 + 858, 2 + 1, 1 + 0, 039D + 18, 71)·107 Qрасх = (909, 63 + 0, 039D)·107 Дж
Qприх = Qрасх (109, 14 + 0, 254D)·107 = (909, 63 + 0, 039D)·107 D = 3724 кг пара/на две смены Выбор аппарата по пощади теплообмена: F = D r/(К Δ t τ) [10] - Δ t – средняя разность температур между теплоносителями Δ tб = tгр.п. – tнвыт = 99, 1 – 50 = 49, 1 К Δ tм = tгр.п. – tкип = 99, 1 – 55 = 44, 1 К Так как, (Δ tб/ Δ tм) < 2, то для расчета средней разности температур теплоносителей можно воспользоваться формулой: Δ t = (Δ tб + Δ tм)/2 Δ t = (49, 1 + 44, 1)/2 = 46, 6 К
F = 3724·(2677 – 415, 2)·103/(1520, 9·46, 6·23470) F = 5, 06 м2
Выбираем три РПИ с ближайшей большей поверхностью теплообмена. РПИ предприятия ДзержинскХимМаш тип 600–6, 3К–00, выполненный из нержавеющей стали и имеющий следующие параметры: поверхность теплообмена S = 6, 3 м2 - масса аппарата Gапп = 5500 кг - высота аппарата Н = 9430 мм - диаметр аппарата D = 600 мм - толщина стенки аппарата δ ст = 0, 005 м - производительность РПИ: 140 кг испаренной влаги с 1 м2
|