Расчет установки для конденсации и охлаждения паров уксусной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технической политики и образования

ФГБОУ ВПО

Красноярский государственный аграрный университет

Институт пищевых производств.

Кафедра технологии оборудования бродильных и пищевых производств

Курсовой проект

на тему:

Расчет установки для конденсации и охлаждения паров уксусной кислоты

Выполнила: Грехова О.В.

Студентка группы ТЗ-41

Проверила: к.х.н. доцент

Ченцова Л.И.

Красноярск 2012 г.



Реферат

Курсовой проект содержит 22 стр, 1 рисунка, 2 таблицы, 5 источников литературы и 2 листа графической части.

Объектом исследования является горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. В трубном пространстве шестиходового кожухотрубчатого теплообменника охлаждается жидкость от температуры t_н t_к. Расход охлаждаемой жидкости G. Охлаждающая вода нагревается от температуры t_в.н до t_в.к. Диаметр шахматно-расположенных труб 25х2 мм.

Цель работы - рассчитать и подобрать кожухотрубчатый теплообменник для конденсации и охлаждения паров уксусной кислоты 70%

В результате проделанной работы рассчитан и подобран шестиходовой теплообменник.



Содержание

Введение

1. Физико-химические свойства исходного сырья

2. Технологическая схема

3. Технологические расчеты

3.1 Расчет конденсатора

3.2 Расчет теплообменного аппарата

Заключение

Библиографический список



Введение

Конденсатор - устройство, предназначенное для получения нужных величин электрической емкости и способное накапливать (перераспределять) электрические заряды.Электрический конденсатор состоит из двух (иногда более) подвижных или неподвижных проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком. Обкладки должны иметь такую геометрическую форму и быть так расположены друг относительно друга, чтобы созданное ими электрическое поле было сосредоточено в пространстве между ними. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, мало по сравнению с линейными размерами обкладок. Поэтому электрическое поле, возникающее при подключении обкладок к источнику с напряжением , практически полностью сосредоточено между обкладками. При этом частичные собственные емкости электрических обкладок пренебрежимо малы.

Таким образом, конденсатором называют систему, состоящую, как правило, из двух разноименно заряженных проводников, при этом заряд, который надо перенести с одного проводника на другой, чтобы зарядить один из них отрицательно, а другой положительно, называется зарядом конденсатора.

Теплообменник, теплообменный аппарат -- устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители.

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой.

Рекуперативный теплообменник -- теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е. процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

В пищевой промышленности важное значение имеет транспортирование жидких и газообразных продуктов. Движение жидкости по трубопроводам и через аппараты связано с затратами энергии. В некоторых случаях, например при движении в более высокого уровня на более низкий, жидкость перемещается самотеком, т.е. без затрат внешней энергии, вследствие преобразования части собственное жидкости по горизонтальным трубопровода с низшего уровня на высший применяют насосы.



1. Физико-химические свойства уксусной кислоты

Уксусная кислота - CH3COOH, бесцветная горючая жидкость с резким запахом, хорошо растворимая в воде. Имеет характерный кислый вкус, проводит электрический ток.

Уксусная кислота была единственной, которую знали древние греки.

Отсюда и ее название: "оксос" - кислое, кислый вкус. Уксусная кислота - это простейший вид органических кислот, которые являются неотъемлемой частью растительных и животных жиров. В небольших концентрациях она присутствует в продуктах питания и напитках и участвует в метаболических процессах при созревании фруктов. Уксусная кислота часто встречается в растениях, в выделениях животных. Соли и эфиры уксусной кислоты называются ацетатами.

Уксусная кислота - слабая (диссоциирует в водном растворе только частично). Тем не менее, поскольку кислотная среда подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, уксусную кислоту используют при консервировании пищевых продуктов, например, в составе маринадов.

Получают уксусную кислоту окислением ацетальдегида и другими методами, пищевую уксусную кислоту уксуснокислым брожением этанола. Применяют для получения лекарственных и душистых веществ, как растворитель (например, в производстве ацетата целлюлозы), в виде столового уксуса при изготовлении приправ, маринадов, консервов. Уксусная кислота участвует во многих процессах обмена веществ в живых организмах. Это одна из летучих кислот, присутствующая почти во всех продуктах питания, кислая на вкус и главная составляющая уксуса.



2. Технологическая схема

Рис. 1. Технологическая схема:

E2 - емкости;

К - конденсатор;

Х - холодильник;

Н - насос;

Д - диафрагма;



3. Технологические расчеты

Таблица 1

Основные характеристики теплообменников ТН и ТК и холодильников ХН и ХК с трубами 25х2 мм (ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, 15122-79)

Диаметр кожуха (внутренний) D, мм	Число труб, n	Длина труб 1, м
		1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	6,0	9,0
		Поверхность теплообмена F, м2
Шестиходовые
600	196	-	-	31	46	61	91	-
800	384	-	-	60	90	121	181	271
1000	642	-	-	-	151	202	302	454
1200	958	-	-	-	-	301	451	677

Таблица 2

Поверхность теплообмена (по dнар) испарителей ИН и ИК и конденсаторов КН и КК с требами 25х2 мм по ГОСТ 15119-79

Диаметр кожуха (внутренний) D, мм	Число труб, n	Длина труб 1, м
	общее	На один ход	2	3	4	6
			Площадь поверхности теплообмена, м2 (по d нар)
Шестиходовые
1	2	3	4	5	6	7
600	244	122	-	57	76	114
800	450	225	-	106	142	212
1000	754	377	-	175	234	353
1200	1090	545	-	-	318	509
1400	1508	754	-	-	-	706

3.1 Расчет конденсатора

Рассчитать и подобрать конденсатор для конденсации паров уксусной кислоты количества пара, поступающего на конденсацию 2,6кг /с. Температура конденсации уксусной кислоты tэ = 103⁰С. В качестве охлаждающего агента используют воду. Начальная и конечная температуры воды н =18⁰С ,к =38⁰С.

Температурная схема процесса

103-103;

38-18;

?t_б=85; ?t_м=65.

Так как соотношение ?t_б /?t_м =65/85 = 1.3 меньше 2,среднюю разность температур теплоносителей рассчитываем по формуле

?t_ср = = 75⁰С

Средняя температура воды равна

= 103- 75 = 28 ⁰С

Количества тепла, отнимаемое водой в конденсаторе, рассчитываем по уравнению

= G_{1 *} э

Где э -удельная теплота конденсации уксусной кислоты ( табл. 1)

2.6 * 1277.0 =3320.2 Вт * 10 і

Расход воды определяется по формуле

Где - удельная теплоемкость воды при температуре

Ориентировочно определяем мах величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органической жидкости к воде К_мин=300 Вт/м І * К. При этом

Для обеспечения турбулентного течения воды при Rе > 10000 скорость в трубах должна быть больше

где = 0,8*10^-3 Па*с - динамический коэффициент вязкости воды при 78⁰С;

= 995 кг/ смі - плотность воды при 75 ⁰С;

- внутренний диаметр труб, м.

Число труб диаметром 25х2мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re10000

Где - объемный расход воды, = / = 15.8 / 995 = 0.015мі /с.

Условию n > 50 и F< 311. 2 мІ удовлетворяет двухходовой теплообменник, с общим число труб 754, на 1 ход 377/2=188.5

Расчет коэффициента теплоотдачи для воды.

Уточняем значение критерии Re₂



Re₂=10000

Критерий Прандтля для воды при = 28⁰С.

P? = c? */ = 4190 * 0.8 * / 0.65= 5

Где =0,65 Вт/ м * К - коэффициент теплопроводности при = 28⁰С

Критерий Нуссельта для турбулентного режима рассчитывается по формуле

^0,25

Отношение ^0,25 для нагревающейся жидкости принимаем = 1

Таким образом,

Nu₂=0.021*2652.5^0,8*5^0,43*1=21.8

Коэффициент теплоотдачи равен

Вт/м²*К

=21.8*0.65/0.021=674.7 Вт/м²*К

Коэффициент теплоотдачи ? при конденсации паров уксусной кислоты на пучке горизонтальных труб рассчитывается по формуле

Где теплопроводность уксусной кислоты 70%; при = 103⁰С;

p? - плотность уксусной кислоты;э- удельная теплота конденсации паров уксусной кислоты (табл. 2)

- динамический коэффициент вязкости уксусной кислоты при = 103⁰С;

= - t , принимаем равной 2⁰С;

d - наружный диаметр трубы;

- коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и числа рядов по вертикали, = 1.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны воды 1/r_загр.1?2900 Bт/м²*К, со стороны паров уксусной кислоты 70% 1/ r_загр.2?5800 Bт/м²*К (таблица Б15). Коэффициент теплопроводности стали л_ст=25.1 Bт/м²*К. Тогда

шестиходовый теплообменник уксусный конденсация

= 2127.6 Bт/м²*К

Коэффициент теплопередачи равен

Bт/м²*К

К= =666.6 Bт/м²*К

Расчетная площадь поверхности теплообмена

м²

= 60 м²

К установке принимаем двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью 76 м² , диаметром кожуха мм, число труб на один ход 122, общее число труб 244,длина труб 4 м. (таблицаБ13)

3.2 Расчет теплообменного аппарата

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения уксусной кислоты 70%. Охлаждающий агент-вода.

Начальная и конечная t уксусной кислоты 70%

н =103⁰С; к =30⁰С

Начальная и конечная t воды.

н =18⁰С; к=38⁰С

Индекс (1) для горячего теплоносителя (уксусной кислоты ) индекс (2) для холодного теплоносителя (вода). Определяем расход теплоты и расход холодной воды.

Температурная схема

103-30;

38-18;

?t_б=65; ?t_м=12

Средняя разность температур рассчитывается по уравнению

?t_ср = = 21.4

Средняя температура уксусной кислоты

Средняя температура воды

= - ?t_ср = 66.5 - 21.4 =45.1⁰С

Количество теплоты, отнимаемой от уксусной килоты с учетом потерь тепла в размере 5% равно

Q=1,05*G1*c1*(t1н-t1к) =1.05 *2.6* 2840 * (103 - 30) = 565983.6 Вт.

Где С₁= 2840 Дж/кг К - средняя удельная теплоемкость уксусной кислоты (таблица А8)

где с₂-4190 Дж/кг К удельная теплоемкость уксусной кислоты

Определение объемных расходов воды и уксусной кислоты

где =1026 кг/м³- плотность пива жигулевского при 66.5⁰С

Объемный расход воды равен

где = 992 кг/м³ - плотность воды при t = 45.1⁰C

Подбор теплообменных аппаратов. Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплоотдачи для случая теплообмена от жидкости к воде К_мин = 500 Вт/м³*К. При этом:

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re₂10000, скорость в трубах должна быть больше

где = 0,549*10^-3 Па*с - динамический коэффициент вязкости воды при t 45.1⁰С

Число труб диаметром 25х2мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re10000

Условно n < 74.4 и F < 102 м² удовлетворяет шести ходовой теплообменник, диаметром корпуса 800 мм с числом труб на 1 ход трубного пространства n=384/6=64

Уточняем значение критерии Re₂

Re₂=10000

Для переходного режима вид критериального уравнения определяется по:

^0,25

0.021 * 1584.8*1.6*1 = 53.2

Отношение ^0,25 принимаем =1

Критерий Pr₂



=

где =0.63 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности воды

Коэффициент теплоотдачи

Расчет коэффициента теплоотдачи?

Уксусная кислота 70% перемещается в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника с сегментными поперечными перегородками. Для данного случая теплообмена при Re₂1000 для шахматных пучков критерий Нуссельта рассчитывается по формуле

^0,25

Определяющая температура - средняя температура жидкости, определяющий размер - наружный диаметр трубы.

Расчетная скорость потока.

где - площадь проходного сечения межтрубного пространства между перегородками, м²

Критерий Рейнольдса равен



Критерий Pr₁

где = 0.1624 Вт/м*К-коэффициент теплопроводности уксусной кислоты 70% при 66.5⁰С

= 0.14* 1.16 = 0.1624

Критерий Нуссельта рассчитывается по формуле

^0,25

Nu₁=0,4*0,6*554.3^0,6*507.1^0,36*0,93=92.7

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи

где - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке,

Термическая проводимость стенки равна

где - термическое сопротивление стенки и загрязнений .

Коэффициент теплопередачи равен



Расчетная площадь поверхности теплопередачи

К установке принимаем D=800мм; число труб 384; длина труб=2м.



Заключение

В ходе проектировки установки для конденсации и охлаждения паров уксусной кислоты 70% были подобраны следующие оборудования:

Конденсатор: к установке принимаем двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью 76 м², диаметр кожуха мм, общее число труб 244, числом труб на один ход 122, длина труб 4 м.

Холодильник: к установке принимаем холодильник шестиходовой F = 60; D = 800мм; число труб 386; длина труб = 2 м



Библиографический список

1. Процессы и аппараты пищевых производств, методические указания. Красноярск 2009 г.

2. Ченцова Л.И, Шайхутдинова М.Н. Процессы и аппараты химической технологии. Красноярск 2006 г.

3. Ченцова Л.И, Шайхутдинова М.Н. Процессы и аппараты пищевых производств, учебное пособие. Красноярск 2006 г.

4. К.Ф. Павлов; П.Г. Романков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 1987 г.

Размещено на Allbest.ru