ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ И ТАБЛИЦЫ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОСНОВНОГО АППАРАТА – АЦЕТОЛЯТОРА

3.3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ И ТАБЛИЦЫ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОСНОВНОГО АППАРАТА – АЦЕТОЛЯТОРА

Режим ацеталятора:

1.  Охлаждение поливинилового спирта от 60⁰ до 10⁰С – 4 часа:

– охлаждение водой от 60⁰ до 20°С – 3 часа;

– охлаждение рассолом от 20⁰ до 10°С – 1 час.

2.Нагрев смеси от 10⁰ до 55⁰С – 11 часов.

3.Выдержка смеси при 55°С – 1 час.

4. Охлаждение смеси до 25°С – 3 часа.

В качестве хладагентов используют холодную воду и раствор СаСl₂. Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом. Её достоинства: высокая теплоёмкость; большой коэффициент теплопередачи и доступность. Для более быстрого охлаждения применяется раствор СаСl₂ – смесь, которая со льдом дает низкую температуру (– 55⁰С). При пуске холодной воды тепло отводится:

От аппарата, кДж/сут:

Q_апп. = G_апп. • с • (t_н – t_к) = 25930 • 0,5028 • (60 – 20) = 521504,16

где: t_н – начальная температура = 60⁰С;

t_к – конечная температура = 20⁰С;

с – теплоёмкость материала = 0,12 • 4,19 = 0,5028 кДж/кг•К [из регламента КХЗ]

G_апп.– масса аппарата = 25930 кг

От рубашки, кДж/сут:

Q_руб. = G_руб. • с • (t_н – t_к) = 3700 • 0,5028 • (60 – 20) = 74414,40

Q_см. =(G_см. / n)• с_см.• (t_н – t_к)=(184846,21 / 6) • 2,41 • (60 – 20)= 2969862,44 кДж/сут

Определяем тепловую нагрузку, кДж/сут:

Q_нагр. = 521504,16 + 74414,40 + 2969862,44 = 3565781,00

Охлаждение водой ведётся 3 часа, кДж/сут:

Q_нагр. = 3565781,00 / 3 = 1188593,67

Определяем расход охлаждающей воды:

W = Q_нагр. / с_воды • (t_2ср. – t) =1188593,67 / 4,19 • (17,24 – 12) = 53893,30 кг/ч = 54 м³/ч

где: с_воды – теплоёмкость воды = 1 • 4,19 = 4,19 кДж/кг•К [из регламента КХЗ]

Вода на охлаждение поступает с температурой 12⁰С, средняя конечная температура охлаждения воды t₂ = 22⁰С.

t_2ср= t₁ + ∆t_ср • 2,3 lgA

20⁰  60⁰

12⁰22⁰

 8⁰ 38⁰

A = (T₁ – t₂) / (T₂ – t₁)

∆t_ср = T₁ – T₂ / [2,3 lg (T₁ – t₁) / (T₂ – t₁)] • (A – 1) / (2,3 A lgA)

∆t_ср = 60 – 20/ [2,3 lg (60 – 12) / (20 – 12)] • (1,26 – 1) / (2,3 • 1,26 lg1,26) =

= (40 / 1,79) • (0,26 / 0,29) = 19,8⁰C

t_2ср = 12 + 19,8 • 2,3 lg1,26 = 17,24⁰С

При пуске рассола тепло отводится от аппарата, кДж:

Q_апп. = 25930 • 0,5028 • (20 – 10) = 130376,04

Q_руб. = 3700 • 0,5028 • (20 – 10) = 18603,60

Q_см. = 184846,21 • 2,41 • (20 – 10) = 4454793,66

Q_нагр. = 130376,04 + 18603,60 + 4454793,66 = 4603773,30

Рассол на охлаждение поступает с температурой (–14⁰С) и уходит с температурой (–12⁰С).

Определяем расход рассола,

W = Q_нагр. / с_воды • (t_к. – t_н.) =4603773,30 / 2,73 • (14 – 12) = 843181,92 кДж/ч

Нагрев смеси от 10 до 55⁰С:

Q_нагр. = Q_апп. + Q_см. + Q_пот.

Q_апп. = 25930 • 0,5028 • 45 = 596692,18 кДж

Q_пот. = Q_{пот. изв.} + Q_{пот. неизв.}

Q_пот. = α_общ. • τ • (t_ст. – t_возд.)

α_общ. = 8,4 + 0,06 • (t_ст. – t_возд.)

где: t_возд. = 20⁰С

Температура нагруженной неизолированной стенки (–38). Температура нагруженной изолированной стенки (– 26⁰С).

α₁ = 8,4 + 0,06 • (38 – 20) = 9,48 • 4,19 = 39,72 кДж/м²•ч•гр.

α₂ = 8,4 + 0,06 • (26 – 20) = 8,76 • 4,19 = 36,70 кДж/м²•ч•гр.

Определяем потери тепла, кДж:

Q_{пот. неиз.} = 39,72 • 8,8 • (38 – 20) = 6305

Q_{пот. изв.} = 36,70 • 25,2 • (26 – 20) = 5549

Q_пот. = 6305 + 5549 = 11854

Q_см. = (184846,21 / 6) • 2,41 • 45 = 3341095,25

Потери тепла в окружающую среду компенсируется поступающим теплом для выдержки смеси в течение часа при t = 55⁰С, кДж:

Q_нагр. =596692,18 + 3341095,25 + 11854 = 3949641,43

Нагрев ведётся горячей водой в течение 11 часов, кДж:

3949641,43 / 11 = 359058,31

Расход горячей воды

W = Q_нагр. / с_воды • (Т₁ – t_2ср.) =359058,31 / 4,19 • (80 – 62,7) = 4953,42 кг/ч = 5 м³/ч

где: с_воды – теплоёмкость воды = 1 • 4,19 = 4,19 кДж/кг•К [из регламента КХЗ]

t_2ср. – средняя конечная температура сходящей воды;

Т₁ = 80⁰С

t_2ср = Т₁ + ∆t_ср • 2,3 lgA

A = (T₁ – t₂) / (T₂ – t₁) = (80 – 55) / (70 – 55) = 1,66

∆t_ср = t₂ – t₁ / [2,3 lg (T₁ – t₁) / (T₁ – t₂)] • (A – 1) / (2,3 A lgA)

∆t_ср = 55 – 10/ [2,3 lg (80 – 10) / (80 – 55)] • (1,66 – 1) / (2,3 • 1,66 lg1,66) = 34⁰C

T_2ср = 80 – 34 • 2,3 lg1,66 = 62,7⁰С

Определяем необходимую площадь теплообмена аппарата, для этого необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи:

Определяем теплоту реакции по энтальпии сгорания:

По уравнению Коновалова, кДж/моль:

g_m = 204,2n + 44,4m + ∑X = H_сгор. = 204,2 • 29 + 44,4 • 9 + 464,5 = 6785,9 [14, с. 26]

где: n – число атомов кислорода, необходимое для полного сгорания вещества;

m – число молей, образующейся воды;

Х – поправка (термическая характеристика) постоянная в пределах гомологического ряда.

Поправка: С–С = 6 • 0 = 0 [14, с. 269]

R–O–Rٰٰ = 3 • 87,9 = 263,7

R–CO–Rٰ = 4 • 50,2 = 200,8

6785,9 / 193 = 35,2 кДж/кг

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СНО + 5,5О₂4СО₂ + 4Н₂О

По уравнению Коновалова, кДж/моль:

g_m = 204,2n + 44,4m + ∑X = H_сгор. = 204,2 • 12 + 44,4 • 4 + 75,3 = 2703,3

Поправка: С–С = 3 • 0 = 0

R–СН=О = 75,3 [14, с. 269]

2703,3 / 72 = 37,5 кДж/кг

– CH₂ – CH – CH₂ – CH – CH₂ – CH – CH₂ – CH – + 25,5О₂13СО₂ + 12Н₂О

Поправка: С–С = 10 • 0 = 0 [14, с. 269]

R–O–Rٰٰ = 5 • 87,9 = 439,5

По уравнению Коновалова, кДж/моль:

g_m = 204,2n + 44,4m + ∑X = H_сгор. = 204,2 • 51 + 44,4 • 12 + 439,5 = 11386,5

11386,5 / 260 = 43,8 кДж/кг

Определяем энтальпию сгорания, кДж/кг:

1. g_p = ğ₁ – ∆n • R • T = 35,2 – (10 – 9 – 12) • 8,314 • 10^–3 • 298 = 62,5

∆Н₂₉₈ = – 62,5

2. g_p = 37,5 – (4 – 4 – 5,5) • 8,314 • 10^–3 • 298 = 51,1

∆Н₂₉₈ = – 51,1

3. g_p = 43,8 – (13 – 12 – 25,5) • 8,314 • 10^–3 • 298 = 104,5

∆Н₂₉₈ = – 104,5

Определяем изменение энтальпии реакции энтальпии сгорания, кДж/кг:

∆Н₂₉₈ = ∑∆Н_{298 (нач)} – ∑∆Н_{298 (кон)} = (–62,5) + (–51,1) – (–104,5) =9,1 • 10³ / 7010 = 1,3

Определяем тепловую нагрузку, кДж/сут:

∆Q_нагр. = 1,3 • 22485,06 = 29230,60

Определяем тепло выносимое из аппарата с продуктами реакции, кДж/сут:

22485,06 • 2,41 • 55 = 2980394,70

Потери тепла в окружающую среду составляют 5% от вносимого тепла, кДж/сут:

3595011,6 • 0,05 = 179750,58

Определяем необходимую площадь теплообмена аппарата, для этого необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи:

К = 1 / (1 / α₁ + σ / λ + 1 / α₂)

Определяем коэффициент теплоотдачи между теплом и стенкой аппарата:

S = 3,14 / 4 • (3,44² – 3,4²) = 0,21 м²

W = z / (3600 • S • ρ) = 6800 / (3600 • 0,21 • 1000) = 0,09 м/с

Re = w • ℓ• ρ / μ = 3 • 3,9• 1000 / 0,32 • 10^–3 = 36562500 – режим движения устойчивый турбулентный

где: λ = 0,515 • 1,16 Вт/м;

μ = 0,801 • 10^–3 н•сек/м²; [12, с.805]

ρ = 1000 кг/м³;

ℓ – длина рубашки = 3,9 м;

с – теплоёмкость воды = 0,999 • 4,19 кДж/кг•К [12, с.808]

Pr = μ • с / λ = 0,801 • 10^–3 • 0,999 • 4,18 / 0,515 • 1,16 = 0,005

Nu = 0,023 • Re^0,7 • Pr^0,43 = 0,023 • 36562500^0,7 • 0,005^0,43 = 461,8

α₁ = Nu_. • λ / ℓ = 461,8 • 0,515 • 1,16 / 0,04 = 6897 Вт/м²•К

Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к реакционной массе. Масса перемешивается мешалкой:

n – число оборотов мешалки = 180об/мин = 3 об/сек; [из регламента]

d – диаметр ометаемой части мешалки = 1,42 м;

ρ_см = 917,2 кг/м³;

μ = 2,6 • 10^–3 н•сек/м²;

λ = 0,37 • 1,16 Вт/мк;

с = 2,56 кДж/кг•К

Re_меш = n • d²• ρ / μ = 3 • 1,42²• 917,2 / 2,6 • 10^–3 = 2133972 – режим движения устойчивый турбулентный

Pr_меш = μ • с / λ = 2,6 • 10^–3 • 2,56 / 0,37 • 1,16 = 0,02

Nu = 0,36 • Re^0,57 • Pr^0,33 = 0,36 • 2133972^0,57 • 0,02^0,33 = 1753,9

α₂ = Nu_. • λ / ℓ = 1753,9 • 0,37 • 1,16 / 3,35 = 224,7 Вт/м²•К

К = 1 / (1 / 6897+ 0,004 / 40 + 1 / 224,7) = 238 Вт/м²•К

Определяем поверхность теплообмена, м²:

F = ∆Q/ (К • ∆t_ср• n_апп.) = 434866,32 / (238 • 15 • 6) = 20,3

где: n_апп. – количество ацеталяторов = 6 шт.

10⁰  30⁰

30⁰40⁰

 20⁰ 10⁰

∆t_ср = (20 + 10) / 2 = 15⁰С

Определяем поверхность теплообмена подобранного аппарата, м²:

F_апп. = π • d • ℓ = 3,14 • 3,35 • 2,25 = 23,7

Поверхность подобранного аппарата обеспечит подвод и отвод тепла реакции.

3.4ВЫБОР И РАСЧЁТ ОСТАЛЬНОГО ОСНОВНОГО И
ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ КАЖДОГО ВИДА ОБОРУДОВАНИЯ, КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И РАСЧЁТ КОЛИЧЕСТВА К УСТАНОВКЕ

Основным аппаратом является ацеталятор. Он представляет собой ёмкость объёмом 40 м³, рабочее давление в аппарате 3 атм., температура среды 55⁰С. Средой является масляный альдегид, поливиниловый спирт, соляная кислота. Аппарат снабжён рубашкой для обогрева и имеет эмалевое покрытие. Эмалированное покрытие отличается высокой коррозионной стойкостью и обеспечивает максимальную чистоту перерабатываемых продуктов. Эмалированная поверхность устойчива к воздействию щелочных растворов, а также большинства неорганических и органических кислот любых концентраций и их солей. Аппарат имеет пропеллерную мешалку с числом оборотов 120 об./мин. В днище аппарата предусмотрен вентиль для периодического выпуска продукта.

Механический расчёт мешалки:

Определяем критерий Рейнольдса:

Re = ρ • n • d² / μ = 963 • 3 • 1,5² / 3,2 • 10^–3 = 2031328 – режим турбулентный

ρ– плотность реакционной смеси = 963 кг/м³;

d – диаметр мешалки = 1,5 м;

n — частота вращения мешалки = 3 об/сек

Определяем мощность, потребляемую на перемешивание среды, Вт:

N_max = K_n • ρ • d⁵ • n³ = 0,17 • 963 • 1,5⁵ • 3³ = 23772,7

где: К_n= 0,17 — критерий мощности

Рассчитаем мощность на валу мешалки, Вт:

N_B = K₁ • K₂ • (∑K + 1) • N_max= 0,75 • 1,4 • (2,4 + 1) • 23772,7 = 84868,54

где: К₁ = 0,75 – коэффициент заполнения;

К₂ = 1,4 – коэффициент увеличения мощности при пуске или в результате повышенной вязкости среды;

∑K = 2,4 – сумма коэффициента увеличения мощности, вызываемая наличием в аппарате вспомогательных устройств

N = K_n • ρ • d⁵ • n³ = 0,37• 963 • 1,5⁵ • 3³ = 73054,68

где: К_n = 0,37 — критерий мощности

N₂ = K₁ • K₂ • (∑K + 1) • N= 0,75 • 1,4 • (2,4 + 1) • 73054,68 = 260805,2

N₂ + N_B = 260805,2 + 84868,54 = 345673,7

Крутящий момент на валу мешалки:

m_k = 0,163 + N₂ +N_B/ n = 0,163 + 345673,7 / 2 = 172836,93

Расчёт диаметра вала мешалки, мм:

[σ]_к = 1,76 • 10⁸ мм²

d = 1,71 • ∑m_k / [σ]_k • К + С = 1,71 • 172836,93 / 1,76 • 10⁸ • 9 + 5 = 187