Проектирование установки для концентрирования водного раствора ацилазы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

Введение

1. Обзор литературных источников

2.Технологический расчет основного аппарата

2.1 Выбор мембраны

2.2 Приближенный расчет рабочей поверхности мембран

2.3 Выбор аппарата

2.4 Расчет наблюдаемой селективности мембран

2.5 Уточненный расчет поверхности мембран

2.6 Расчет гидравлического сопротивления

3. Механический расчет

3.1 Расчет толщины обечайки

3.2 Расчет фланцевых соединений

3.3 Расчет опор аппарата

4. Расчет теплоизоляции

5. Расчет вспомогательного оборудования

5.1 Технологический расчет вспомогательного аппарата

6. Техника безопасности и охрана труда

Список литературы

Задание

Спроектировать установку для концентрирования Lн водного раствора ацилазы от концентрации Хн до Хк. Концентрация ацилазы в фильтрате не должна превышать 0,003%. Тип аппарата - с плоскопараллельной укладкой мембран, мембрана - ацетатцеллюлозная, перепад рабочего давления через мембрану Д Р МПа, рабочая температура - t° C.

В качестве вспомогательного аппарата рассчитать кожухотрубчатый теплообменник.

Исходные данные занесены в таблицу 1.

Таблица 1

Lн	Хн	Хк.	Д Р	t°
кг/с	% масс	% масс	МПа	°С
0,22	0,017	0,17	0,22	25

Введение

Ультрафильтрация - это процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1-1,0 мПа.

При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта: низкомолекулярный (фильтрат) и высокомолекулярный. Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через дренажную систему, а высокомолекулярный продукт концентрируется. Ультрафильтрация позволяет выделять молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других пищевых растворов, получать дополнительный резерв производства продуктов питания.

Применение мембранных процессов в пищевой технологии позволяет значительно снизить энергоемкость процессов обезвоживания фруктовых и овощных соков, сиропов, экстракторов по сравнению с процессами выпаривания или вымораживания, улучшать качество и повысить выход получаемых продуктов.

Ультрафильтрацию применяют при разделении систем, в которых молекулярная масса растворенных в растворителе компонентов значительно превышает молекулярную массу растворителя. Движущая сила ультрафильтрации - разность рабочего и атмосферного давлений. Ультрафильтрация протекает под действием перепада давлений до мембраны и после нее. мембрана гидравлический теплоизоляция технологический

В зависимости от назначения процесса ультрафильтрации применяют мембраны, которые пропускают растворитель и преимущественно низкомолекулярные соединения, растворитель и определенные фракции высокомолекулярных соединений и только растворитель.

Разделение методами обратного осмоса и ультрафильтрации принципиально отличается от обычного фильтрования. Образуется два раствора: концентрированный и разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке. В процессе ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, так как при этом снижается селективность (разделяющая способность) и проницаемость (удельная производительность), мембраны, сокращается срок её службы.

1. Обзор литературных источников

Аппараты для ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяются, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что требует специальных уплотнений у трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-прес» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон.

Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет собирать аппараты с различной площадью поверхности разделения.

Аппарат типа «фильтр-пресс», по конструкции напоминающий фильтр для обычного фильтрования, является наиболее простым мембранным аппаратом, (рис. 1).



Рис.1

Фильтруемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы и концентрируется. Концентрат и фильтрат непрерывно удаляются из аппарата.

Аппараты подобного типа применяются в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки.

Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0-- 6,8 м /ч, по концентрату -- 0,16--0,3 м3/ч.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами собирается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 2).

Цилиндрический фильтрующий элемент (рис.3) представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы.

Цилиндрические фильтрующие элементы изготавливаются трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны



Рис.2

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса, имеет следующие преимущества: малую материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции.

Недостатками этой конструкции являются низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (рис.3, б) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки и не позволяют осуществлять механическую очистку фильтрующих элементов.

Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (рис.3, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно большими гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.

Рис.3

Ультрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяются для осветления фруктовых соков. От сока отделяются все вещества, вызывающие помутнение сока, как, например, протеин, крахмал, пектин дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и другие вещества. В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняются в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300-- 800 м2/м3) рулонных фильтрующих элементов (рис.4,а).

Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор.



Рис.4

Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении, а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.

Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Увеличение площади мембран может достигаться за счет увеличения длины и ширины навиваемого пакета. Однако ширина пакета лимитируется размерами мембран и дренажного слоя. Максимальная ширина пакета достигает 900 мм. Длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не превышает 2 м.

2. Технологический расчет основного аппарата

2.1 Выбор мембраны

Определим отношение dмол/dпоp для различных ультрафильтрационных мембран:

dмол(ацет) = 7нм

dпоp = 7;15;20;30

Условию dмол/dпоp >0.5 отвечает мембрана УАМ-50 и УАМ - 100.

Из графика зависимости селективности мембран по глобулярным ВМС от соотношений диаметров молекул и пор в мембранах находим ц=0,999. (рис.1.)

Рис.1. Зависимость селективности мембран по глобулярным ВМС от соотношений диаметров молекул и пор в мембранах.

Определим концентрацию растворенного вещества в фильтрате по формуле:

Тогда Х₂=X₁ = 1,7·10^-4·= 4,3·10^-7 кг ацилазы/кг раствора, или 4,3^.10^-5 %.

Полученное значение меньше допустимого (0,003%) поэтому для дальнейших расчетов выбираем мембрану УАМ - 100.

2.2 Приближенный расчет рабочей поверхности мембран

Определим проницаемость по чистой воде, пользуясь приведенными данными о const проницаемости. Для мембраны УАМ-100

А=1,7^.10^-2 кг/(м^2.с^. МПа).

Тогда при рабочем давлении 0,22 МПа проницаемость по чистой воде составит:

Определим расход фильтрата:

Lф=Lн(1-K^-1/ц)=0,22^.(1-10^{-1/ 0,999})=0,198кг/с

Рабочая поверхность мембраны:

F=Lф/G=0,198/3,74^.10^-3=52,9м²

Расход концентрата:

Lk=Lн-Lф=0,22-0,198=0,022кг/с.

2.3 Выбор аппарата

Среди аппаратов с плоскопараллельной укладкой мембран (типа «фильтр-пресс»), которые находя наибольшее применение в установках малой производительности, предпочтение следует отдать «бескорпусным » аппаратам. Такие аппараты не имеют массивного корпуса, рассчитанного на работу при высоких давлениях, благодаря чему снижается металлоемкость и достигается относительно высокая удельная поверхность мембран. Одна из конструкций изображена на рис.2.

Аппарат представляет собой вертикальную колонну, состоящую из ряда секций, стянутых во фланцах 3 с помощь шпилек 1 и гаек 2. Каждая секция представляет собой пакет мембранных элементов 6, чередующихся с уплотнительными прокладками 5. Пакет уложен в цилиндрическую обечайку 4.

Прокладки 5 обеспечивают герметичность секции и при обжатии шпильками вследствие сил трения передают усилие рабочего давления на дренажный материал (именно этот эффект позволяв в данной конструкции обойтись без специального прочного корпуса). Между элементами располагаются сетки-сепараторного типа предотвращающие соприкосновение элементов, улучшающее гидродинамические условия процесса и создающие каналы для протекания разделяемого раствора.

Переточные отверстия всех мембранных элементов секции совпадают, образуя коллекторы для входа раствора в секцию, распределения его между мембранными элементами и выход в следующую секцию. Число мембранных элементов в каждой последующей секции по ходу раствора в аппарате уменьшается, что обеспечивает необходимую скорость раствору в любом межмембранном канале.

Мембранный элемент состоит из двух мембран 7, уложенных на подложки из мелкопористого материала 8, между которыми размещается дренажный материал 10. Для предотвращения вдавливания мембран и подложек в дренажный материал в зоне обжатия между подложками и дренажом располагаются кольца 9 из тонкого жесткого материала. В области переточных отверстий мембраны, расположенные по обе стороны дренажного слоя, приклеиваются одна к другой.

Исходный раствор поступает в аппарат через штуцер нижнего фланца и последовательно проходит все секции. Сконцентрированный раствор уходит через штуцер верхнего фланца. В каждой секции раствор движется параллельными потоками по всем межмембранным каналам.

Пройдя вдоль мембран, раствор собирается в выходном коллекторе секции и поступает во входной коллектор следующей секции. Фильтрат уходит через дренажные сетки и сливается через отводные патрубки.

Диаметр аппарата определяется шириной выпускаемого мембранного полотна (0,45 м). Переменными величинами могут быть толщина сетки-сепаратора и дренажного слоя (составленного из собственно дренажного материала и двух подложек), а также число секций.

При уменьшении толщины сетки-сепаратора и дренажного слоя повышается компактность установки, но растет гидравлическое сопротивление. Для последующих расчетов примем следующие значения: д_с = 0,5 мм, д_п = 1,0 мм (д_с --толщина сепарирующей сетки, д_п -- толщина пакета, составленного из двух мембран и дренажного слоя).

Диаметр рабочей части мембраны равен общему диаметру за вычетом удвоенной ширины прокладочного кольца. Примем ширину кольца равной 0,025 м. Тогда диаметр мембраны

d_м= 0,45 - 2 ^. 0,025 = 0,4 м.

Рабочая поверхность одного элемента, состоящего из двух мембран, равна:

м²

где d_пер= 0,02м -- диаметр переточного отверстия.

Общее число элементов в аппарате:

n=F/F_э= 52,9/0,25 =212.

Проведем секционирование аппарата, исходя из необходимости обеспечить примерно одинаковый расход разделяемого раствора во всех сечениях аппарата.

Расход фильтрата на одном элементе равен:

Примем q = 1,6. Тогда из соотношения найдем:

Из соотношения:

Суммируя число элементов, получим:

Рассчитаем по формуле соотношение расходов:

Примем q=1,4. Тогда:

Примем q=1,2. Тогда



Добавим один недостающий элемент к первой секции, т.е. примем n₁=39. Тогда

Примем q=1.1. Получим:

Таким образом получаем:

q……………………..1.6 1.4 1.21.1

m……………………. 5 7 12 25

…………….. 1.062 1.0961.1611.402

На основе этих данных строим график зависимости отношения и числа секций т от q (рис 3).

Рис.3 Зависимость отношения расходов и числа секций от параметра q

Из рис.3 можно видеть, что с увеличением q отношение расходов и число секций сначала быстро снижаются, а затем в интервале q=1.15-1.20 на кривых наблюдается перегиб, и снижение становится замедленным.

Построив на графике диагональ, можно увидеть, что при q = 1,17 отношение=q , т. е. при этом значении q снижение расхода по длине каждой секции равно снижению среднего расхода от первой до последней секции.

Исходя из примерного равенства расходов в каждом канале каждой секции, это значение можно было бы взять в качестве рабочего. Однако следует учитывать, что по мере концентрирования раствора в нем одновременно увеличивается содержание взвешенных частиц, практически всегда имеющихся в технологических растворах, даже подвергнутых предварительному фильтрованию. Зависимость отношения расходов и числа секций от параметра q

Это может привести к ускоренному загрязнению мембран в последних секциях, сопровождающемуся снижением проницаемости и селективности. Уменьшение расхода от первой к последней секции способствует этому нежелательному процессу. Кроме того, снижение q сопровождается увеличением числа секций, что усложняет конструкцию аппарата. В связи с этим целесообразно выбрать в качестве рабочего значение q, большее, чем 1,17. Примем для дальнейших расчетов q=1,4. Для этого значения было получено следующее распределение элементов по секциям:

№ секции...........................................................1 234567

Число элементов в cекции............................ 6748 34 24 17 12 9

Проверим точность расчетов, определив средние расходы в каналах первой и последней секций по формулам:

Тогда

Найдем отклонение этого значения от полученого в расчетах значение 1,096:

Такую сходимость следует признать удовлетворительной поскольку в расчетах число элементов в секциях округлялось до целых единиц.

2.4 Расчет наблюдаемой селективности мембран

Наблюдаемую селективность рассчитаем по формуле. Расчеты проведем для крайних секций -- первой и седьмой.

При течении раствора между круговыми элементами скорость меняется от максимальной (в областях входа и выхода) до минимальной (в средней части элемента).

Среднюю ширину кругового сечения найдем, разделив площадь элемента на длину пути раствора, которую примем равной диаметру элемента:

Средняя скорость в первой секции равна:

Проверим соблюдение условия:

Следовательно условие соблюдается, и расчеты можно вести по формуле.

Отсюда

Средняя скорость в седьмой секции:

Отсюда

Селективность не отличается, поэтому для последующих расчетов используется среднее арифметическое значение:

Проверка пригодности выбраной мембраны. Определяем концентрацию ацилазы в фильтрате,используя полученное значение наблюдаемой селективности:

Это значение меньше допустимого, поэтому нет необходимости переходить к мембране с большей селективностью.

2.5 Уточненный расчет поверхности мембран

Определим расход фильтрата, используя полученное значение наблюдаемой селективности:

L_ф=0,198(1-10^-1/0,9889)=0,1788 кг/с

=48м²

Это значение не отличается от полученного в первом расчете, поэтому перерасчет не делаем.

2.6 Расчет гидравлического сопротивления

Для определения давления, который должен развивать насос, используем соотношение Др_н=Др+Др_а+Др_д, а гидравлическое сопротивление потока раствора и фильтрата определяем по формулам.

Определение ?_Ра. Общая длина канала, по которому проходит разделяемый раствор, равна произведению диаметра элемента на число секций:

l=0,4^.7=2,8м

Поскольку скорость течения мало меняется от первой секции к последней, используем в расчетах среднеарифметическое значение скорости:

м/с

тогда

Примем о₁=7. Тогда ?р_а=2182^.7=15274Па=1,5274^.10^-2МПа.

Определение ?р_д. Скорость фильтрата в дренажном слое меняется от нуля в центре элемента до максимальной на окружности элемента. Общая длина канала, по которому проходит фильтрат, равна радиусу элемента: l= r_м=d_м/2=0,4/2=0,2м

Перепад давления в произвольном сечении на расстоянии r от центра элемента на участке бесконечно малой длины dr составит:

 (1)

Скорость на расстоянии r от центра элемента связана с величиной r следующим образом:

щ=G*2рr²/(с2рrд_д )=Gr/( сд_д) (2)

Подставим выражение (2) в уравнение (1), учитывая, что

Проинтегрируем левую и правую части:

Получим:

(3)

Проведем расчет по формуле (3), учитывая, что

Примем о₂=150. Тогда ?р_д=13^.150=1950Па=1,95^.10^-3МПа

Тогда найдем:

Др_н=Др+Др_а+Др_д

?р_н=0,22+1,5274^.10^-2+1,95^.10^-3=0,2374МПа

Напор насоса:

3. Механический расчет

3.1 Расчет толщины обечайки

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Толщину тонкостенных обечаек, работающих под внутренним избыточным давлением р (в МПа), следует рассчитывать по формуле:

где D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м; у_д - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м².

По рисунку IV.1 [3] для Х18Н10Т - у_д=145 МН/м².

Коэффициент ц учитывает ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий. При отсутствии неукрепленных отверстий ц=ц_ш ц_ш=0,95 - для стыкового двухстороннего сварного шва.

Прибавка толщины с учетом коррозии С_к определяется по формуле:

где ф_а - амортизационный срок службы аппарата, ф_а=10 лет; П - коррозийная проницаемость, мм/год, П = 0,1 мм/год.

Полученное суммарное значение толщины округляют до ближайшего нормализованного значения добавлением С_окр. Границей применяемости формулы для расчета толщины является условие:

Расчет обечайки аппарата:

Проверка применяемости формулы:

3.2 Расчет фланцевых соединений

Среди разъемных соединений в химическом аппаратостроении наибольшее распространение получили фланцевые соединения. Расчет фланцевого соединения заключается в определении диаметра болтов или шпилек, их количества и размеров элементов фланца.

Основной исходной величиной при расчете болтов является расчетное растягивающее усилие. При рабочих условиях расчетное растягивающее усилие в болтах определяется по формуле:

где D_п - средний диаметр уплотнения (прокладки),м; Р_п - расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности, МН, р - рабочее давление, МПа.

Расчетную силу сжатия прокладки определяется по формуле:



где b - эффективная ширина прокладки, м; к - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки, для плоских прокладок из резины к=1

Диаметр болтовой окружности приближенно можно определить по формуле:

где D_н- внутренний диаметр фланца, обычно равный внутреннему диаметру аппарата, м.

Расчетный диаметр болтов определяется по формуле и затем округляют в меньшую сторону до ближайшего стандартного размера:

где D_г - наружный диаметр сварного шва на фланце, м.

Число болтов находят по формуле:

где F_б - площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м²; у^д- допускаемое напряжение на растяжение в болтах, МН/м².

Наружный диаметр фланца определяют по формуле:

.

Высоту плоского фланца при толщине обечайки д < 0,006м и >300 определяют по формуле:

или

где ; ут- предел текучести материала при рабочей температуре, МН/м², для стали Х18Н10Т у_т = 240 МH/м²; ш - коэффициент

Расчет фланца на диаметре 560 мм

, принимаем болты М10.

Принимаем количество болтов Z=4.

, принимаем D_Ф=0,56м.

3.3 Расчет опор аппарата

Выбор типа опоры зависит от ряда условий, места установки аппарат, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. При установке колонных аппаратов на открытой площадке когда отношение высоты опоры к диаметру аппарата H/D>5. Расчет опор колонных аппаратов, устанавливаемых на открытых площадках, проводят исходя из ветровой и сейсмической нагрузок. При расчете лап определяют размеры ребер. Отношение высоты к высоте ребра l/h рекомендуется принимать равным 0,5. Толщину ребра определяют по формуле

G -максимальный вес аппарата 0,1МН

n - число лап, n =3

- допускаемое напряжение на сжатие 100МН/м²

l - вылет опоры, l = 0,18м

к - коэффициент принимаем равным 0,6.

Прочность сварных швов должна отвечать условию.

G/n0,7·L _ш ·h _ш ·

L _ш - общая длина сварных швов

L _ш =3·(h+)=3·(0,18+0,0045)=0,554м

h _ш катет сварных швов, 0,008м

- допускаемое напряжение материала шва на срез, 80мм/м²

0,1/3=0,033<0,7·0,554·0,008·80=0,25Мн

0,033<0,25

Прочность обеспечена

4. Расчет теплоизоляции

Толщина тепловой изоляции д_и находится из равенства удельных тепловых потоков через слои изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду.

- температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении;

- температура изоляции со стороны аппарата: ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимаем равной температуре в теплообменнике; t_в = 20 єC - температура окружающей среды; л_и = 0,09 Вт/(м·к) - коэффициент теплопроводности изоляционного материала. Выбираем в качестве материала для изготовления тепловой изоляции совелит:

Вт/(м²·к)

Рассчитаем толщину тепловой изоляции колонны:

м

5. Расчет вспомогательного оборудования

5.1 Технологический расчет вспомогательного аппарата

Ввиду того что температура в трубах выше 60°С,используем аппарат типа ТН и ТК.

Темперура конденсации водяного пара t_конд=112,7^оС. Температурная схема:

112,7112,7

средняя разность температур:

средняя температура ацилазы:

t₂=t₁-?t_cp=112.7-38,9=74^oC

Расход ацилазы:

G₂=0.22 кг/с

V₂=G₂/с=0.22/975=0,00023 м³/с

где с=975 кг/м³-плотность ацилазы.

Расход теплоты на нагрев ацилазы:

Q=G₂c₂(t_2k-t_2н)=0.22^.4190(100-25)=69135 Вт

где c₂=4190 Дж/(кг К)-средняя удельная теплоемкость ацилазы.

Расход греющего пара с учетом 7% потерь теплоты:

где r= 2354^.10³ Дж/кг-удельная теплота конденсации водяного пара.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена.

К_мин=120 Вт/(м² К)

При этом

Расчет первого варианта (Re>10000)

Составляем схему процесса теплопередачи.

Для обеспечения турбулентного течения ацилазы при Re>10000 скорость в трубах должна быть щ`₂:

где м=0,39^.10^-3 Па^. С - динамический коэффициент вязкости ацилазы при 74^оС.

Число труб на один ход трубного пространства должно быть больше



Условию n<4 и F<14.81 м² удовлетворяют кожухотрубный аппарат с внутренним диаметром 400мм, площадью поверхности теплообмена до 17м² и общим числом труб n = 111,а также этому условию удовлетворяет кожухотрубный аппарат с внутренним диаметром 400мм, площадью поверхности теплообмена до 16м² и общим числом труб n = 100.

Расчет первого теплообменника:

1) Коэффициент теплоотдачи для ацилазы.

Уточняем значение критерия Re₂:

Критерий Прандтля для ацилазы:

Здесь л₂=0.6745 Вт/(м К)- коэффициент теплопроводности ацилазы .

Расчетная формула

Nu₂=0,021Re₂^0,8Pr₂^0,43(Pr₂/Pr_ст.2)^0,25е_l=0,021 ·721 ^0,8 ·2.42^0,43 ·1,05 ·1= 6.23

Отношение (Pr₂/Pr_ст.2)^0,25 принято равным 1,05 (с последующей проверкой).

Таким образом



2) Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара в горизонтальных трубах.

Расчеты осуществляются приближенно:

В нашем случае известно G₁=0.031 кг/с и n=111. Поэтому используется зависимость б₁=f(n,L,G) c учетом влияния примеси воздуха (0,5%):

где е-коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_в=11, е=0,65, е_к-коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре, е_к=0,6; В_t=1010.

Надо задаться длиной труб (2,3,4 и 6м). Задаемся L=2м. Если по окончании расчета будет принята другая длина труб, то расчет необходимо скорректировать. Имеем:

б₁=12173 ^. 2^1/3=15337 Вт/ (м² К)

Принимаем тепловую проводимость с загрязнений со стороны греющего пара 1/r_{загр 1} ?5800 Вт/(м² К), со стороны ацилазы 1/r_{загр 1} ?5800 Вт/(м² К).

Коэффициент теплопроводности стали л_ст=46,5 Вт/(м К). Тогда



Коэффициент теплопередачи:

Поверхностная плотность теплового потока:

q=K?t_cp=183·38,9=7119 Вт/м²

Проверяем принятое значение (Pr₂/Pr_ст.2)^0,25. Определяем

?t₂=q/б₂=7119/200?35,6K

t_ст2=t₂+?t₂=74+35,6=109,6=110^oC

Pr_cт2=с_стм_ст2/л_ст2=4609 ·0,284· 10^-3/0,6629=1.97

Здесь с_ст2=4609 Дж/(кг К);

м_ст2=0,284 10^-3Па/с; л_ст2=0,6629 Вт(м К)

Следовательно

(Pr₂/Pr_ст.2)^0,25=(2.42/1.97)^0,25=1.053

Было принято (Pr₂/Pr_ст.2)^0,25=1,05. Разница ~0.29%. Расчет К закончен.

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

F=Q/K?t_cp =69135/183·38.9=9.7 м²

Коэффициент теплоотдачи б₁=12173» б₂=200, поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять d₂=0.021м.

Аппарат с L=2м имеет площадь поверхности теплообмена:

F= р d₂nL=3.14*0.021*111*2=14.64 м²

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади теплообмена достаточен.

Расчет второго теплообменника

Условию n<4 и F<14.81 м² удовлетворяют кожухотрубный аппарат с внутренним диаметром 400мм, площадью поверхности теплообмена до 16м² и общим числом труб n = 100

2) Коэффициент теплоотдачи для ацилазы.

Уточняем значение критерия Re₂:

Критерий Прандтля для ацилазы:

Здесь л₂=0.6745 Вт/(м К)- коэффициент теплопроводности ацилазы .

Расчетная формула:

Nu₂=0,021Re₂^0,8Pr₂^0,43(Pr₂/Pr_ст.2)^0,25е_l=0,021 ·800 ^0,8 ·2.42^0,43 ·1,05 ·1= 6.78

Отношение (Pr₂/Pr_ст.2)^0,25 принято равным 1,05 (с последующей проверкой).

Таким образом

2) Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара в горизонтальных трубах.

Расчеты осуществляются приближенно:

В нашем случае известно G₁=0.031 кг/с и n=111. Поєтому используется зависимость б₁=f(n,L,G) c учетом влияния примеси воздуха (0,5%):

где е-коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_в=10, е=0,66 е_к-коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре, е_к=0,6;

В_t=1010.

Надо задаться длиной труб (2,3,4 и 6м). Задаемся L=2м. Если по окончании расчета будет принята другая длина труб, то расчет необходимо скорректировать. Имеем:

б₁=11936 ^. 2^1/3=15038 Вт/ (м² К)

Принимаем тепловую проводимость с загрязнений со стороны греющего пара 1/r_{загр 1} ?5800 Вт/(м² К), со стороны ацилазы 1/r_{загр 1} ?5800 Вт/(м² К).

Коэффициент теплопроводности стали л_ст=46,5 Вт/(м К). Тогда

Коэффициент теплопередачи:

Поверхностная плотность теплового потока:

q=K?t_cp=198·38,9=7702 Вт/м²

Проверяем принятое значение (Pr₂/Pr_ст.2)^0,25. Определяем

?t₂=q/б₂=7119/218?35,3K

t_ст2=t₂+?t₂=74+35,3=109,3=110^oC

Pr_cт2=с_стм_ст2/л_ст2=4609 ·0,284· 10^-3/0,6629=1.97

Здесь с_ст2=4609 Дж/(кг К);

м_ст2=0,284 10^-3Па/с; л_ст2=0,6629 Вт(м К)

Следовательно:

(Pr₂/Pr_ст.2)^0,25=(2.42/1.97)^0,25=1.053

Было принято (Pr₂/Pr_ст.2)^0,25=1,05. Разница ~0.29%. Расчет К закончен.

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

F=Q/K?t_cp =69135/198·38.9=9 м²

Коэффициент теплоотдачи б₁=11936» б₂=218, поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять d₂=0.021м.

Аппарат с L=2м имеет площадь поверхности теплообмена:

F= р d₂nL=3.14*0.021*100*2=13,19 м²

Запас площади поверхности теплообмена:

Принимаем один одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с внутренним диаметром кожуха 400мм, число труб 55,5/111 и длиной труб L=2м, так как у него достаточен запас площади поверхности теплообмена.

Принимаем аппарат типа ТН.

Определяем:

?t₂=q/б2=7119/200=35,6°С

t _ст2 =74+35,6=103,6°С

6. Техника безопасности и охрана труда

При эксплуатации теплообменных аппаратов следует руководствоваться «Правилами устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержденными Госгортехнадзором. Установки, работающие под избыточным давлением свыше 70 кПа, должны быть зарегистрированы в местной инспекции Госгортехнадзора. На каждый аппарат заводятся специальные книги для регистрации результатов испытаний и освидетельствований.

Руководство предприятия обязано провести необходимые организационно-технические мероприятия по созданию безопасных условий труда, а также утвердить инструкции по технике безопасности для каждого рабочего места. Инструктаж обслуживающего персонала проводится не реже 1 раза в 3 месяца с регистрацией в специальном журнале. Необходимо проводить анализ причин возникновения несчастных случаев и разрабатывать дополнительные мероприятия, которые могут предотвратить их повторение.

Обслуживающий персонал должен хорошо изучить устройство аппарата, технологический режим, назначение и расположение трубопроводов, арматуры и контрольно-измерительных приборов, инструкцию по технике безопасности и сдать техминимум по обслуживанию установки.

Категорически запрещается повышать давление и температуру в аппаратах и трубопроводах сверх допустимых пределов. Необходимо следить за плотностью фланцевых соединений и исправностью ограждений у движущихся деталей. Смазка движущихся деталей и набивка сальников на ходу не разрешаются. Осмотр и ремонт внутренних частей аппарата допускаются только после его остывания до 30 °С. При этом работу должны вести два человека: один - внутри аппарата, другой - снаружи. Освещение внутри аппарата, так же как и электроинструменты, разрешается применять напряжением до 12 В. Во время работ внутри агрегатов все трубопроводы для подачи в них пара, продукта, воды и т. д. должны быть отключены, а на запорной арматуре должны быть вывешены таблички «Не включать - работают люди!» или другие надписи аналогичного содержания. Для затяжки болтов не разрешается применять гаечные ключи, у которых зев больше размера головки болта или гайки.

Для предупреждения взрывов установок, приборов, сосудов, находящихся под давлением на них устанавливаются предохранительные устройства и контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать режим работы.

К таким приборам относятся: манометры, указывающие давление пара; предохранительные клапана, препятствующие подъёму давления выше допустимого путем автоматического открывания и выпуска излишнего пара; водомерные стекла, контролирующие уровень воды; а также питательная, запорная, продувная арматура в виде клапанов, вентилей и задвижек; автоматические сигнализаторы уровня.

В целях безопасности трубопроводы, несущие газы, рекомендуется устанавливать не под полом, а на кронштейнах над полом; это обеспечивает удобство наблюдения за их исправностью и герметичностью, уменьшает опасность взрывов и отравлений, вызванных утечкой газов в помещении, окраску, устраивать кожухи на местах, подверженных механическим воздействиям.

Все горячие поверхности и части теплового оборудования, горячие трубопроводы и т.п. должны быть теплоизолированы и иметь температуру наружных поверхностей не выше 40-50°С.

Для предупреждения разрушения изоляции необходимо применять обмотки.

Список литературы

1. Дытнерский И.Ю. «Основные процессы и аппараты химической технологии» , 1983г.

2. Павлов К. Ф., Романков П.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л. Химия, 1981г. - 560с.

3. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. «Процессы и аппараты пищевой технологии». - М; Колос, 1999г. -551с.

4. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии». - М.; Машиностроение, 1975г. -454с.

5. http://www.akvazis.ru/mod/page/id/ylt

Размещено на Allbest.ru