Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний Технічний Університет

Харківський Політехнічний Інститут

Кафедра технології жирів

Пояснювальна записка дипломного проекту бакалавра

Харків 2004

1. Початкові дані для розрахунків

Показники	Склад %
Жир	99
В тому числі: Триглицериди(Жн0) Жирні кислоти, % від маси (ваги) триглицеридів (Жк0) Вільні жирні кислоти (Кн.)	96 95,57 3
Волога, леткі домішки і розчинене повітря (d)	0,5
Мінеральні солі (с)	0,5
Число омилення жиру (О)	190
Кислотне число (КЧ)	8
Ефірне число(Е)	182

Переробка тваринного жиру 55т на добу.

1.1 Розрахунок матеріального балансу

Матеріальний баланс безперервного безреактивного розщеплення жирів розраховано для переробки технічного саломасу G=1000 кг.

Розщеплення жиру умовно ведемо в три етапи. Розрахункова глибина розщеплення :на першому етапі Р1=80 %;на другому Р2=92%,на третьому Р3=97%. Кількість конденсату, що вводиться на третьому етапі розщеплення жиру, дорівнює Ва=680 кг/т завантаженого жиру. З цієї кількості, кількість свіжого конденсату, що вводиться дорівнює Ва1=500 кг, залишок, що утворюється внаслідок конденсації пари при підігріві конденсату до температури реакції, дорівнює Вк=180 кг. Вихід розщепленого жиру та гліцеролю визначають, користуючись методами розрахунків наведених вище. При глибині розщеплення Р3=97% в реакцію вступила така кількість триглицеридів, згідно з рівнянням:

Жн3=G·(Р3-Кн)/Жк0, (3.1)

де G - кількість жиру, що взято для розщеплення, кг; Р3- глибина розщеплення на третьому етапі, %; Кн- вміст вільних жирних кислот у початковому жирі, %; Жк0- жирні кислоти, % від маси (ваги) тригліцеридів.

Жн3=1000·(97-3/95,57)=983,6 кг

Перехідний коефіцієнт від розщепленого жиру до вихідного, розраховуємо згідно з рівнянням:

Кр3=(Р3-Кн/Жк0)+(Кн+100-Р3/100) (3.2)

Кр3=(97-3/95,57)+(3+100-97/100)=1,0436

Вихід розщепленого жиру з 1т використаного чистого жиру згідно з рівнянням:

Gк3=G/Кр3 (3.3)

Gк3=1000/1,0436

В тому числі: 1) жирні кислоти

Жк3=G·Р3/Кр3·100 (3.4)

Жк3=1000·97/1,0436·100=929,5 кг

2) триглицериди

Ж”=G(100-Р3)/Кр3·100 (3.5)

Ж”=1000(100-97)/1,0436·100=28,7 кг

Кислотність суміші розраховуємо згідно з формулою:

Р3=Жк3·100/Gк3 (3.6)

Р3=929,5·100/958,2=97%,

що відповідає завданню. За виключенням вологи, летких домішок та мінеральних солей (d+c=1%), а також втрат у виробництві д=4 кг і внесення поправки (П=0,4) до маси розщепленого жиру, враховуючи моно - та дигліцериди, розраховуємо вихід розщепленого жиру згідно з формулою:

Gр=Gk3·Ж/100-д+П (3.7)

Gр=(958,2·99/100)-4+0,4=945 кг

При омиленні триглицеридів, які залишились в розщепленому жирі, за рахунок відщеплення глицеролю додаткові втрати розраховуємо за формулою:

д1=Жґн3·(100-Жк0)/100 (3.7)

д1=28,7·(100-95,57)/100=1,3 кг

Кінцевий вихід жирних кислот дорівнює

Gм=Gр-(д1+П) (3.8)

Gм = 945,0-(1,3+0,4)=943,3 кг

Ефірне число розщепленого жиру на виході з батареї автоклавів розраховуємо згідно з рівнянням:

Ер3=О·(100-Р3)/Кр3·100 (3.9)

Ер3=190·(100-97)/1,0436·100=5,46 кг

Вихід глицеролю при n3=0,99

Гл3=G·(Е-Ер3)·ц·n3/100 (3.10)

Гл3=1000·0,99·0,0547·(182-5,46/100)=95,60 кг

Жир, який надходить на розщеплення, містить 1% нежирових речовин.

Вважаючи, що втрати глицероля у виробництві при розщепленні технічних тваринних жирів, включаючи кальцієві солі, складають 10%, розраховуємо вихід гліцеролю з 1т жирів згідно з формулою:

Глт=Гл3·0,99·0,9 (3.11)

Глт=95,6·0,99·0,9=85,18 кг

Вихід глицероля, якщо перерахувати на 1т:

Глн=Гл3·90/Жн.о (3.12)

Глн=95,60·90/96=89,63 кг=8,96 %

Вхід гліцерину сапоніфікату (який містить 86% гліцеролю) до маси завантажених тригли церидів:

Гс=Глн·100/86 (3.13)

Гс=8,96·100/86=10,4%

Кількість гліцеролю пов'язаного у вигляді моно - та діглицеридів знаходять за рівнянням:

Глм=G·ц·(1-n3)·Е-Ер3/100 (3.14)

Глм=1000·0,0547·(1-0,99)·(182-5,46/100)=0,97 кг

Поправка до маси розщепленого жиру, враховуючи вміст в ньому моно - та диглицеридів, складає

П=Глм·(100-W)/100 (3.15)

П=0,97·(100-58,7)/100=0,400 кг

Кількість першої гліцеринової води знаходять за рівнянням:

Вг1=Ва1+Вк+d+C+Гл3-Wр , (3.16)

де d - залишок вологи в жирі після деаерації, дорівнює 0,2%; d=2 кг/т; с - солі, які знаходяться в жирі, вважаючи, що вони переходять в гліцеринову воду; С=0,5% =5 кг/т; Wp - витрата води на утворення гліцероля, кількість якої розраховуємо за формулою:

WР=Гл3·W/100 (3.17)

Wр=95,6·58,7/100=56,12 кг/т

Вг1=500+180+2+5+95,6-56,12=726,48 кг

Концентрація першої гліцеринової води згідно з рівнянням:

y1=Гл3·100/Вг1 (3.18)

дорівнює

y1=95,6·100/726,48=13,16 %

За виключенням 10% гліцеринової води, що розчинена у жирі, кількість її, яка відводиться з першого автоклава батареї, складає:

Вга=Вг1-0.1·Gк3 (3.19)

Вга=726,48-0,1·958,2=630,66 кг/т

1.2 Розрахунок витрати пари

В схемі безперервного без реактивного розщеплення жирів гострий пар при абсолютному тиску 35ат використовується на підігрів конденсату, який подається до третього автоклаву згідно з ходом процесу, а глухий пар - на підігрів жиру перед подачею його до першого автоклаву. Корисна тепловіддача глухого насиченого пару при абсолютному тиску 35ат=3,5МПа, з теплотою паро утворювання r=420ккал/кг=1759,8кДж, зі ступенем сухості x=0,95, при коефіцієнті використання за =0,95 дорівнюватиме

І=rхза (3. )

І=1759,8·0,95·0,95=1583,82 кДж

При підігріві гострим паром конденсату до tк=2300С корисна тепловіддача цього пару складатиме

І0=r·х+і1-і2 (3. )

де і1-тепловміст конденсату при абсолютному тиску 35ат; і1=1045.4кДж; і2-тепловміст конденсату при tк=2300С; і2=990.5кДж

І0=1759,8·0,95+1045,4-990,5=1726,28 кДж/кг

Кількість свіжого конденсату, який надходить до третього автоклаву згідно з завданням, Ва1=500кг/т; його теплоємкість св=1.1 ккал/(кг·град)=4,609 кДж. Витрата гострого пару на підігрів конденсату, який надходить до третього автоклаву:

D1=(Ва1·св·(tk-tн))/І0 (3. )

D1=(500·4,609·(230-95))/1726,28=180 кг/т

На підігрів глухим паром 1030кг жиру (з них 30кг звороту), який надходить до першого автоклаву по ходу процесу розщеплення, від tн=1250С до tк=2300С при теплоємкості жиру в даному температурному інтервалі с=2.72кДж/(кг·град) витрата пари складатиме:

D2=(1030·с·(tk-tн))/І (3. )

D2=(1030·2,72·(230-125))/1583,82=186 кг/т

Втрати тепла автоклавами в навколишнє середовище

Q=f· б·(ta-tв)· Ккн · na,

де f- поверхня одного автоклаву, м2; f=33м2; б-коефіцієнт тепловіддачі в навколишнє середовище; =41.9кДж/(м2· ч· град); tа- температура поверхні ізоляції автоклаву; tа=40-450С; tв- температура навколишнього середовища; tв=200С; Ккн = 1,2 -коефіцієнт, який враховує втрати тепла комунікаціями та насосами; na = 3 - кількість працюючих автоклавів.

Q=33·41/9·(45-20)·1/2·3=124443кДж/ ч = Дж/с

Втрата глухого пару на компенсацію теплових втрат автоклавів

D3=Q/І (3. )

D3 = 124443/1583,82=79кг/ ч=31 кг/т

Втрата пари на деаерацію згідно зі зведеним нижче розрахунком D4=5кг/т. Загальна втрата пара на розщеплення жирів

D=D1+D2+D3+D4 (3. )

D=180+186+31+5=402кг/т

1.3 Розрахунок обладнання

Розрахунок обладнання зведено для цеху розщеплення потужністю 55т жирів на добу, або 2,29 т на годину.

Автоклави (поз. )

Конструкція автоклавів, призначених для розщеплення жиру в безперервному потоці, не дуже відрізняється від автоклавів, які працюють періодично. Для здійснення безперервного процесу розщеплення з протитоком жиру та гліцеринової води автоклави обладнують циркуляційними трубами та патрубками.

Безперервне безреактивне розщеплення жирів в потоці здійснюється без барботування гострого пару, при встановленому режимі безперервного розщеплення барботери для гострого пару не потрібні. Однак на початку процесу, а також перед тим, як повністю вивільнити автоклави, наприклад, при переході на переробку жиру іншого виду, потрібно використовувати барботування жиру гострим паром. Головним завданням розрахунку автоклавів для безперервного безреактивного розщеплення жирів є визначення їх продуктивності, виходячи з часу перебування реагуючих мас в зоні реакції та визначення зон контактування та відстоювання жиру та гліцеринової води. Згідно з умовами впродовж 1 години в автоклави-реактори надходить з урахуванням 3% повернення жиру в кількості

G=2290·1.03=2358,7 кг,

V1=2358,7/772=3,06 м3/ч,

гліцеринова вода

V2=631·2,29/827=1,75 м3/ч,

де 772 - густина жиру при температурі 2300С, кг/м3; 827-те ж саме, води;

631=Вга1-кількість гліцеринової води, яка відводиться з першого автоклаву.

Підсумковий об'єм залежності між об'ємами реакторів та кількістю проникаючих крізь них компонентів впродовж 1 години визначають повний об'єм автоклавів

Vn=V·ф/ц

де ф - час, необхідний для завершення усіх етапів процесу (час перебування реагуючих компонентів в автоклавах). Згідно з літературними даними, для безперервного процесу розщеплення жирів цей час складає 3-5 год. Для найбільш тяжких умов праці ф=5 год.; ступень заповнення автоклавів, ц=0.92

Vn=4,81·5/0,92=26,1м3

До установки приймають три послідовно підключених автоклава, кожний має повну ємність 9.2м3. Розміри автоклаву: внутрішній діаметр 1.54м, висота циліндричної части 4.15м, повна висота 5.0м, висота циліндра до переливного патрубка 3.9м. Розрахункова виробність на 1м3 повної ємності автоклава

g=55/3·9,2=1,99 т/добу

Згідно з літературними даними, при безперервному процесі без реактивного розщеплення жирів в автоклавах продуктивністю автоклава від 2,2 до 2,8 т/добу. В кожному з трьох автоклавів, які з'єднані в батарею, має бути активна зона та зона розділення реагуючих компонентів; це необхідно для проти поточного руху жиру та гліцеринової води. З практичних міркувань, для найбільш повного відділення першої гліцеринової води в нижній частині автоклаву і розщеплених жирів в верхній частині третього автоклаву тривалість відстоювання суміші розщепленого жиру і гліцеринової води приймають 40хв.; фг1 =0,7год. в решті випадків, коли не потрібно буде повного розділення продуктів реакції, час для відстоювання суміші розщепленого жиру та гліцеринової води приймають фг2.3= =0.4год. Таким чином, об'єм, який займає перша гліцеринова вода в нижній частині першого автоклаву, складатиме:

Vв1=V2· фг1 (3. )

Vв1=1,75·0,7=1,23м3

При внутрішньому діаметрі автоклава Dвн=1,54 м, площа внутрішнього розрізу дорівнюватиме f=1.86м2. Об'єм рідини, який поміщається в дні, яке має шмаровидлу форму при висоті його 0,425м, дорівнює Vґ=0,5м3. Висота циліндричної частини автоклава, зайнята гліцериновою водою, складатиме

hв1=Vв1-Vґ/f (3. )

hв1=(1,23-0,5)/1,86=0,39 м

Для відстоювання розщепленого жиру в верхній частині автоклава потрібний об'єм

VO3=V1·ґфж3 (3. )

Vо3=3,06·0,7=2,14м3

розщеплення жир гліцериновий вода

Висота слою жиру в верхній частині третього автоклаву

hж3=Vo3/f

hж3=2,14/1,86=1,15 м

Зони відстоювання розщепленого жиру та гліцеринової води в решті автоклавів, здобуті за допомогою аналогічних розрахунків зведені в табл. 3.1 Користуючись табл. 3.1, активний об'єм автоклавів складає

?Vа=5,3+5,82+4,9=16,02м3

Час перебування ,жиру який розщеплюється в активній зоні:

фґ=?Va/V

фґ=16,02/4,81=3,3 год.

При нормальному ході процесу цього часу вистачить для закінчення реакції гідролізу жирів.

Таблиця

Показники	Перший автоклав	Другий автоклав	Третій автоклав
Тривалість відстоювання жиру, фж ч.	0,4	0,4	0,7
Об'єм, який займає жир, що відстоюється, Vо,м3	1,22	1,22	2,14
Висота слою жиру, який відстоюється в автоклаві,hж, м	0,66	0,66	1,15
Тривалість відстоювання гліцеринової води, .фг,г	0,7	0,4	0,4
Об'єм, який займає гліцеринова вода, що відстоюється, Vв, м	1,23	0,7	0,7
Висота слою гліцеринової води, яка відстоюється в автоклаві, hв, м	0,39	0,11	0,11
Активна зона роботи автоклаву, H, м	2,85	3,13	2,64
Активний об'єм автоклаву, Vа, м3	5,3	5,82	4,9

Циркуляційні насоси (поз. ).

За допомогою цих насосів забезпечується протиток розщеплених жирів та гліцеринової води. Розрахунок кількості рідини, яка перекачується різними насосами, наведений нижче.

Перший насос (поз. ) з першого автоклаву по трубі забирає суміш жиру та гліцеринової води в кількості V=4,81м3/ч;з другого автоклаву другу гліцеринову воду в кількості V2=1,75м3/ч.Загальна кількість жиру та гліцеринової води, яка перекачується першим насосом, складає

Q1=V + V2=4,81+1,75=6,56м3/ч

Другий насос (поз. ) з першого автоклаву крізь патрубок забирає жир в кількості V1=3,06м3/ч; з другого автоклаву по трубі -суміш жиру та гліцеринової води в кількості V=4,81м3/ч;з третього автоклаву крізь патрубок - третю гліцеринову воду в кількості V2=1,75м3/ч. Загальна кількість жиру та гліцеринової води, що перекачується другим насосом:

Q2=V1+V+V2=3,06+4,81+1,75=9,62 м3/ч

Третій насос (поз. ) з другого автоклаву крізь патрубок забирає жир в кількості V1=3,06м3/ч та з третього автоклаву крізь трубу -суміш жиру та гліцеринової води в кількості V=4,81м3/ч. Загальна кількість жиру та гліцеринової води, яка перекачується третім насосом, складатиме

Q3=V1+V=3,06+4,81=7,87 м3/ч

Приймаючи до установки три однакових насоса спеціальної конструкції виробністю кожний Q=38м3/ч, отримують кратність циркуляції за окремими автоклавами:

в першому а1=Q : Q1=38 : 6,56=5,79;

в другому а2=Q : Q2=38 : 9,62=3,95;

в третьому а3=Q : Q3=38 : 7,87=4,83

Паровий підігрівач (поз. ).

Паровий підігрівач призначено для підігріву жирів, які направляються в автоклави, до температури реакції tк=2300С. Початкова температура жиру поза теплообмінником tн=1250С. Поверхню нагріву підігрівача розраховують таким чином, щоб при вимкнутому теплообміннику виробність лінії розщеплення не знижувалась. Для цього випадку приймають tґн=850С. Підігрівач являє собою конструкцію типу „труба в трубі” з рухом жиру по внутрішній трубі з діаметром dв=30ммта гріючого пару з тиском 35ат в зовнішній трубі-рубашці з внутрішнім діаметром Dв=60мм. Така конструкція дозволяє періодично відчищати труби, по яких проходить жир. Втрата тепла для визначення поверхні нагріву підігрівача визначають за формулою:

Q=G·с·(tк-tґн)·?,

де с-тепловміст жиру. В інтервалі температур 85-2300С середній тепловміст жиру приймають с=2,72кДж/(кг· град);

?-втрата тепла в навколишнє середовище

Q=2358,7·2,72·1,05·(230-85)=978038,18

Поверхня нагріву підігрівача

F=Q/k·Дtср

де k-коефіцієнт теплопередачі від конденсуючегося пару до жиру; k=1676кДж/(м2·ч·град); Дtср- середня різниця температур між паром тиском 35ат (tп=241,40С) та жиром.

F=978038,18/(1676·56)=10,42 м2

При діаметрі гріючої труби dв=30мм, загальна довжина труб теплообмінника

l=F/f

де f поверхня 1м труби з діаметром 30мм; f=0,094м2

l=10,42/0,094=110,86м

Деаератор для жиру (поз. )

Призначений для видалення повітря, розчиненого в жирі, який є одним з основних факторів, які викликають затемнення жирних кислот в процесі обробки їх при високій температурі.

В якості деаератору жиру використовують вертикальний циліндричний сталевий апарат зі сферичною кришкою та днищем; апарат розраховано для роботи під вакуумом. Робота деаератора збудована на принципі: жир, який подається в апарат під надмірним тиском до 3ат, за допомогою 3-х горизонтальних форсунок розбризкується, утворюючи розвинену поверхню, яка утворює сприятливі умови для виділення повітря. Повітря безперервно видаляється з апарату. Нижня частина апарату є збірником деаерованого жиру :крізь патрубок вона з'єднується з насосом для відкачування жиру. Деаератор має штуцери для з'єднання до вакуум лінії, мірним склом та необхідними приладами для корегування та контролю. За параметрами для видалення повітря з жиру є наступними:

об'єм жиру, який підлягає обробці при 00С

Vж=G/с

Vж=2358,7/930=2,54

при 1260С

Vґж=2358,7/840=2,81

початковий склад розчиненого повітря в жирі при 00С, складає 15% об'ємних;

кінцевий склад повітря в деаерованому жирі, віднесене до 00С,-2,5% об'ємних.

В процесі деаерації з жиру видаляється повітря в кількості:

V=2,54·(0,15-0,025)=0,032м3/ч

що до ваги g=0,32·1,29=0,41кг/ч, де 1,29-вага 1м3 повітря при 00С.

Разом з повітрям видаляється у вигляді парів біля 40% вологи, яка міститься в жирі:

gв=2358,7·0,008·0,4=7,55кг/ч.

де 0,008-кількість вологи в жир до деаератору, кг/кг.

Необхідна площина поперечного розрізу деаератору визначається за рівнянням

F=Vґж/а;

Де а-оптимальна густина ворошіння;а = 3,0 - 2,5м3/(м2·ч).При цій площині деаератору приймають його діаметр D=1,2м

F=2,81/2,5=1,12.

Активну частину(верхню) деаератора для розміщення форсунок та розбризкування жиру визначають з співвідношення H:D. Це співвідношення знаходиться в інтервалі 0,75-1,2.Приймаючи H : D=1, знаходять Н=1,2м.

Нижня частина апарату є збірником для деаерированого жиру. Розраховуючи ємність на двадцятихвилинний запас (0,3год), отримують вміст збірника

Vн=Vґж·0,3

Vн=2,81·0,3=0,843м3;

Висота апарату в приймальній частині

h=Vн:F;

де F- площина розрізу апарата при D=1,2м; F=1,131м2

h=0,843/1,131=0,796м.

Повна висота апарату

Hп=H+h

Hп=1,2+0,8=2м.

Виробність тангенціальних форсунок розбрискуючого приладу деаератора визначають за рівнянням

А=85·р0,475·d0,86;

Де 85-стала величина, притаманна для даного виду форсунки;

р-надмірний тиск жиру перед форсункою;р=3ат;

d-діаметр вихідного отвору форсунки;d=9мм;

А=85·30,475·90,86=952л/ч=0,952м3/ч.

Кількість форсунок

n=Vґж/А=2,81/0,952=2,95.

Деаератор для конденсату( поз. Деаератор допомагає видаленню розчинених газів з води. Найзручнішим середовищем для десорбції газів з води є водяний пар.

Для дегазації конденсату беруть стрійний деаератор атмосферного тиску. Апарат уявляє собою вертикальний сталевий циліндр з конусною кришкою без дна. У середині деаератора розташуються чотири сітчані тарілки з отворами діаметром 4мм. Вода, яка стікає до низу, поступає послідовно на всі чотири тарілки, проходить крізь отвори, розбивається при цьому на велику кількість тонких струнок, що утворює розвинену поверхню дегазації. Сітчані тарілки пригальмовують швидкість проходження води крізь деаератор, здовжує

Час перебування води в деаераторі, передбачує розрив струї на краплини. Цим збільшується інтенсивність десорбції газів.

Кількість конденсату, що надходить Вк=500·2,358=1179кг=1,2т.

Водяний пар в кількості 10кг на 1т конденсату або (1,3т·10) 13кг/ч поступає крізь розподіляючий канал. Підіймаючись до верхівки назустріч воді, яка стікає, при температурі її на вході біля 1000С, пар забирає з собою гази, які виділяються.

У верхній частині деаератору пар, насичений газами, що виділяються з води, крізь штуцер звільнюються в атмосферу.

Деаерована вода з останньої тарілки стикає в горизонтальний приймальник, який одночасно є витраченим збірником.

Поверхня контактування води, яка необхідна для видалення з неї газів, визначають за рівнянням:

F=(Wс/k)·2,3·lg((tп-t1)/(tн-t2),м2

де W-годинна витрата води(для розрахунку приймають полуторний запас);W=2000 кг/ ч;

с-тепловміст води; с=4,19кДж/(кг· град);

t1 та t2- температура води на вході та виході з деаераторі;

tп- температура насиченого пару при робочому тиску в головці деаератору.

При визначенні середньої різниці температур рекомендується приймати tп-t2=0,25-10С в залежності від необхідної глибини деаерації.

Для розрахунку приймають температуру води на вході t1=850С (з врахуванням втрат 150С під час перекачки води), абсолютний тиск пару 1,2ат (tп=1040С);

tп-tа=0,250С. Поверхня контактування складатиме:

F=((2000·1)/12000)·2,3·lg((104-85)/0,25)=0,72м2.

Поверхня кожної струми, яка стікає з отвору сита до низу, визначається за рівнянням:

F=4,2·d·h·[(1+l/h)0,75-1];

де, d-діаметр отвору сит; d=0,004м;

h-рівень води на ситах ; h=0,1м;

l-довжина кожної струмки; l=0,4м;

f=4,2·0,004·0,1·[(1+0,4/0,1)0,75-1]=0,00393м2.

Кількість отворів в кожному ситі

n=W/(7750·d2·vh;

n=2,0/(7750·0,004·v0,1)=51,

7750-коефіцієнт.

Всього повинно бути струмок

Z=F/f,

Z=0,72/0,00393=183.

Кількість сит в деаераторі дорівнює

m=Z/n;

m=183/51=3,6;приймаємо 4.

Діаметр апарата приймаємо 500 мм.

Теплообмінник для першої гліцеринової води та жиру. Для використання фізичного тепла першої гліцеринової води, яка відводиться з першого автоклаву, встановлюють теплообмінник типу „труба в трубі”.

Перша гліцеринова вода, яка проходить по внутрішній трубі теплообмінника, віддає частину тепла жиру, який рухається проти поточним шляхом в кільцевому просторі.

Гліцеринова вода з теплообмінника рухається в понижувач тиску, а жир який нагрівається в деаератор.

З автоклаву в теплообмінник поступає гліцеринова вода з температурою t1=2250С в кількості Вг=631·2,29=1445кг/ч.

В теплообміннику йде нагрів жиру G=2358,7кг/ч від tн=600С до tк=1250С.

Кінцева температура tх першої гліцеринової води на виході з теплообміннику знаходять, дорівнюючи прихід тепла до його витрати

Q=Вг·сг·(t1-tх)=Gс·(tк-tн)=1445·4,48·(225-tх)=2358,7·2,35·(125-60)=360291кДж/ч

Звідки

tх=1445·4,48·225-360291/6473,56=169,340С,

де сг- тепловміст гліцеринової води. При концентрації y=13,7% та температурі 2250С сг=2.35кДж/(кг· град).

Розрахунок поверхні теплообміну. В процесі теплообміну температура гліцеринової води змінюється від t1=2250С до tх=1700С. За цей час жир нагрівається від tн=600С до tк=1250С.

При виборі фізичних параметрів в якості визначних приймають середні температури (в 0С) гліцеринової води Дtґ ср =(225+169,3)/2=197,15;

жиру tЅ ср =(60+125)/2=93.

Фізичні параметри гліцеринової води та жиру при вказаних температурах, з літературних даних, зведені в табл.. .Діаметр труб теплообмінника зведено в табл. Для прийнятого теплообмінника необхідно в першу чергу знайти коефіцієнт теплопередачі k, який входить до основного рівняння теплообміну:

Q = k·F ·Дt ср.

Таблиця

Труба теплообмінника	Діаметр, мм
	внутрішній	зовнішній
Внутрішня для гліцеринової води Зовнішня для жиру	dв=30 Dв=60	dн=38 Dн=70

Коефіцієнт k є кількісною розрахунковою величиною, яка характеризує важкий теплообмін в цілому, та може бути використано, як функцію коефіцієнтів тепловіддачі Ь1 та Ь2на участках з однієї та другої сторони, стіни що передає. Числове значення k визначається в залежності від форми стінки, яка розділяє теплоносії. Для плоскої, а також для циліндричної стінки, якщо dн/dв>0,5 коефіцієнт теплопередачі визначають за рівнянням

k=1/((1/Ь1)+(д/л)+(1/Ь2) кДж/(м2·ч·град),

де д-товщина стінки труби, м;

л-коефіцієнт теплопровідності металевої труби, кДж/(м· ч· град).

Процес тепловіддачі визначають для різних випадків відповідним критеріям. Загальне крітеріальне рівняння теплообміну наступне

Nu =f (Re , Gr, Pr ),

Де Re,Gr,Pr-відповідно критерії Рейнольдса, Грасгофа, Прандтля.

Критерій Нуссельта (Nu), є функцією гідродинамічній та тепловій подобі, характеризує ефективність теплообмінного апарату в цілому.

Взаємозв'язок між інтенсивністю тепловіддачі та температурним полем в прикордонному слої потоку характеризується критерієм Нуссельта

Nu=Ь·d/л.

Звідки

Ь=Nu·л/d,

де d-діаметр (або еквівалентний діаметр)трубки. Визначення коефіцієнту тепловіддачі Ь1 від першої гліцеринової води до стінки труби

Швидкість руху першої гліцеринової води по внутрішній трубі визначають за витратою та розрізом труби

W=Вг/(3600·с·f),

Де f-розріз труби; при dв=30мм f=0,0007065м2.

Гідродинамічний режим примусового руху гліцеринової води з урахуванням зведеної в табл. Величини кінематичної в'язкості характеризуються безрозмірною величиною-критерієм Рейнольда

Re=w·dв/н=0,586·0,03/(0,16·10-6)=109875

Враховуючи значення Re>10000,рух рідини в трубі турбулентний.

При турбулентному русі в прямих трубах критерій Нуссельта знаходять за наступним рівнянням

Nu=0.021·еі·Re0,8f·Pr0,43f(Prf/Prст.);

Де еі-поправочний коефіцієнт, який враховує збільшення тепловіддачі в залежності від критерію Рейнольдса та відношення довжини труби до Ії внутрішнього діаметру. Цей коефіцієнт знаходять по таблицям з

f-це значення величини, яке відповідає середній по розрізу температурі теплоносія;

Pr-безрозмірний критерій Прандтля, який характеризує фізичні властивості теплоносіїв. Його визначають за формулою

Pr=3600·c·з·g/л,

Де g-прискорення сили тяжіння; g=9,81м/сек3.

Nu=0,021·1·1098750,8·1,060,43(1,06/0,25)0,25=333,17.

Критерій Прандтля при даній середній температурі гліцеринової води зведен в табл.. Pr=1,06.

Критерій Прандтля Prст. Залежить від температури поверхні стінки зі сторони гліцеринової води. Цю температуру знаходять методом підбора. Приймаємо tст=1930С (з наступною перевіркою), знаходять критерій Прандтля для цих умов

Prст=(3600·1,04·0,55·10-6·9,81)/2,22=0,25

Де 15·10-6-абсолютна в'язкість гліцеринової води при середній температурі 1930С прийнята по воді;

0,53-теплопроволність гліцеринової води. По табл.. для даної гліцеринової води л=2,22кДж/(м·ч·град).

Ь1=333,17·2,22/0,03=22654,6кДж/(м2·ч·град).

Визначення коефіцієнта тепловіддачі Ь2 від стінки труби до жиру.

Швидкість руху жиру в кільцевому каналі

щ1=G/(3600·с1·f1);

де f1-площина розрізу кільцевого каналу;

f1=0,785·(D2в-d2н)=0,785·(0,062-0,0382)=0,001693м2;

щ1=2358,7/(3600·866·0,001693)=0,45.

Режим руху жиру визначають за формулою

Re=щ1·dэ/н=0,447·0,022/(8,4·10-6)=1178,6,

Де d э - еквівалентний діаметр кільцевого між трубного каналу; dэ=Dв-dн=0,06-0,038=0,022м;

н-кінематична в'язкість жиру. В даному температурному інтервалі (по табл.. ) н=8,4·10-6.

Тепловіддача іде при ламінарному режимі (Re?2200).

Найкращим для цього випадку тепловіддачі є рівняння

Nu=0,15·ЭЯ·Re0,33f·Pr0,43f·Gr0,1f·(Prf /Рrст.)0,25.

Це рівняння можна використати для будь-якої рідини при відношенні довжини труби до діаметру l/d>50.

Як і в попередньому випадку, для критерію Prст. Температуру стінки знаходять методом підбору. В розрахунку приймають Дt?ср=173град (з наступною перевіркою).

Критерій Прандтля (Pr), віднесений до середньої температури рідини, визначають за рівнянням

Pr=3600·c·g·з/л,

Pr=3600·2,22·7,4·10-4·9,81/0,57=101,10.

Значення критерію Грсгофа (Gr) знаходять за рівнянням

Gr=g·d3э·Дt·в/н2,

Де в-середній коефіцієнт об'ємного розширення жиру в=0,0007;

Дt- часткова різниця температур між стінкою та жиром

Дt=ДtЅст-ДtЅср=173-93=80град.

Gr=9,81·0,0223·0,0007·80/(8,4·10-6)2=82900.

Критерій Прандтля при температурі стінки ДtЅст=1730С визначають за рівнянням

Pr=3600·c·g·з/л?

Де с- тепловміст жиру, при 1730С приймають с=2,6кДж /(кг·град),

з-абсолютна в'язкість жиру ; при 1730С з=3,7·10-4кг·сек./м2;

л- коефіцієнт теплопровідності жиру, при темпе6ратурі 1730С , л=0,55кДж/(м·ч·град);

Prст.=3600·2,6·3,7·10-4·9,81/0,55=61,17.

Після підстановки в рівняння знайдених значень

Nu=0,15·1·1178,60,33·1010,43·829000,1·(101/61,77)0,25=39,5.

Враховуючи, що l/d>50, поправочний коефіцієнт Эі=1.

Коефіцієнт тепловіддачі від жиру визначають з рівняння

Ь2=Nu·л/dэ=39,5·0,57/0,022=1023кДж/кг.

Числове значення коефіцієнта теплопередачі для чистої поверхні дорівнює

k0=1/((1/Ь1)+(д/л)+(1/Ь2));

де д-товщина стінки труби; д=0,004 м;

л-коефіцієнт теплопровідності кислотостійкої сталі; л=92,18кДж/(м·ч·град);

k0=1/((1/22654,6)+(0,004/92,18)+(1/261))=938,92кДж/(м·ч·град).

Поверхня теплообміну звичайно покривається нагаром та іншим брудом, який утворює додаткові термічні опори. В зв'язку з цим в розрахунковій практиці вплив бруду враховують за допомогою коефіцієнта використання поверхні теплообміну ц.

Розрахункове значення коефіцієнта теплопередачі при ц=0,85 буде

k=k0·ц=0,85·938,92=798,08кДж/(м2·ч·град).

В теплообміннику температура обох теплоносіїв безперерв7но змінюється. При цьому різниця температур на вході та виході з апарату відповідає.

Враховуючи, (110/100)<2, середню різницю температур можна визначити, як середнє арифметичне з температурних різниць на вході та виході теплоносіїв:

Дtср=(100+110)/2=105град.

Поверхня теплообміну апарату знаходять за формулою

F=Q/(k·Дtср);

F=360291/(838·105)=4,09м2.

Прийняті вище розрахункові температури стінок перевіряють за допомогою наступних рівнянь:

1)зі сторони першої гліцеринової води

Дt`ст.=Дt`ср-(k·Дtср/Ь1)=197-((838·105)/22654,6)=193град.

2)зі сторони жиру

ДtЅср=ДtЅср+((k·ДtЅср)/Ь20=93+((838·105)/938,92)=173град.

Тобто, прийняті раніше температури стінок (193 та 1730С) співпадають з кінцевими результатами розрахунків.

Размещено на Allbest.ru