Техническая характеристика универсальной установки эко-5

Производительность

по спирту, не менее, л/сут 5…15

по водке, не менее, бут/сут 25…75

по крепленым винам, бут/сут 100

Крепость спирта, % об 96,2

Установленная мощность, не более, кВт 2,2

Расход воды, не более, л/ч 35

Габаритные размеры, мм 3203201800

Масса, кг 30.

Инженерные расчеты

Расчет диаметра перегонной колонны определяется из уравнения расхода паров

V_п = 0,785D²v_п,

где V_п – объем водно-спиртовых паров, поднимающихся в колонне, м³/с; D – внутренний диаметр колонны, м; v_п – скорость движения паров в свободном сечении колонны, м/с.

Отсюда

.

Объем паров V_п (м³), поднимающихся за 1 с в колоннах, определяют по формулам:

в бражной

V’_п = (P’i”)/(iρ_п3600);

в спиртовой колонне

V_п = (С(1 + v)22,4Т)/(273р·3600),

где P – расход греющего пара, кг/ч; i – удельная энтальпия греющего пара, Дж/кг; i – удельная энтальпия водно-спиртовых паров, образовавшихся в колонне, Дж/кг; _п – плотность паров в колонне, кг/м³; С – количество дистиллята, отбираемого за 1 ч, к/моль; v – флегмовое число; 22,4 – объем 1 к/моля газа при 0 С и давлении 100 кПа, м³; Т – абсолютная температура водно-спиртовых паров, К; р – давление водно-спиртовых паров вверху колонны, кПа.

Скорость движения спиртовых паров v_п (м/с), при которой КПД тарелки максимален, может быть найдена для колпачковых тарелок по уравнению Стабникова

v_п = (0,305h)/(60 + 0,05h) = 0,012z,

где h – расстояние между тарелками, мм (в брагоперегонных установках h = 200…340 мм); z – глубина барботажного слоя, т.е. расстояние от уровня жидкости на тарелке до края колпака, мм (для брагоперегонных установок z = 35…40 мм).

Скорость движения паров в свободном сечении колонны колеблется для колпачковых тарелок в пределах 0,3…0,6 м/с, для ситчатых тарелок – 0,24…0,45 м/с.

Высота колонны Н (м) одноколонной брагоперегонной установки

Н = h(n – 1) + h₁(n₁ – 1) + h₂ + h₃ + h₄,

где h – расстояние между тарелками в бражной колонне, м; n – число тарелок в бражной части колонны; h₁ – расстояние между тарелками в спиртовой части, м; n₁ – число тарелок в спиртовой части колонны; h₂ – расстояние от нижней тарелки бражной части до основания колонны, м; h₃ – расстояние между верхней бражной и нижней спиртовой тарелками, м; h₄ – расстояние от верхней тарелки спиртовой части до крышки колонны, м.

Далее рассчитываются размеры деталей тарелок (колонны).

Диаметр колпака d₁ (мм) для тарелок двойного кипячения

d₁ = d₂ – 2(b + c),

где d₂ – диаметр колонны (тарелки), м; b – ширина слоя бражки на тарелке, м (b = 0,15…0,2 м); с – расстояние от борта воротника до стенки колонны, м (с = 0,08…0,1 м).

Периметр барботажа l (м)

l = πd₁+π(d₁ + 2b) = 2π(d₁ + b).

Площадь сечения паровпускных щелей f (м²)

f = V’_п/v₁,

где V’_п – объем водно-спиртовых паров, поднимающихся в колонне за 1 с, м³; v₁ – скорость движения водно-спиртовых паров в паровыпускных щелях, м/с (v₁ = 3,5…5,0 м/с).

Высота паровпускных щелей h₁ (мм)

h₁ = (f/l)1000.

Высота слоя жидкости на тарелке h’_т (мм)

h’_т = h₁+z,

где z – глубина барботажного слоя, мм (z = 35…40 мм).

Высота горловины h₂ (мм)

h₂ = h₁.

Диаметр горловины d₂ (м)

,

где v₂ – скорость водно-спиртовых паров в горловине, м/с (v₂ = 3 м/с).

Расстояние между нижним срезом сливного стакана (трубки) и тарелкой в бражных колоннах h₃ = 30…35 мм.

Диаметр сливного стакана d₃ (м)

,

где V_ж – объем стекающей за 1 с жидкости, м³; v₃ – скорость течения жидкости в основном стакане, м/с (v₃ = 0,1…0,2 м/с).

Диаметр стакана d₃ не может быть меньше 90…100 мм.

Периметр сливного стакана l (м)

l = πd₃.

Высота жидкости ∆h (м) над обрезом сливного стакана

.

Высота сливного стакана h₄ (м) над тарелкой

h₄ = h – ∆h.

Площадь поверхности F (м²) охлаждения дефлегматора

F = Q/(k∆t),

где Q – количество теплоты, передаваемое на дефлегматор за 1 с, Дж; k – коэффициент теплопередачи при конденсации спиртовых паров, Вт/(м²К); ∆t – средняя разность температур между водно-спиртовыми парами и бражкой, С.

Q = 0,98vП_спr,

где 0,98 – коэффициент, учитывающий 2 % потерь тепла стенками дефлегматора; v – флегмовое число; П_сп – производительность установки по спирту-сырцу, кг/с; r – удельная скрытая теплота испарения флегмы, Дж/кг.

Теплота Q₁ (Дж), отводимая бражкой за 1 с из дефлегматора, находится по формуле

Q₁ = П_брс_бр(t₄ – t₃),

где П_бр – производительность установки по бражке, кг/с; с_бр – удельная теплоемкость бражки, Дж/(кг·К); t₃ – начальная температура бражки, С; t₄ – конечная температура бражки, С.

Теплота Q₂ (Дж), приходящаяся на водную часть дефлегматора

Q₂ = Q – Q₁.

Площадь поверхности теплообмена дефлегматора определяется отдельно для бражной и водной частей. При этом коэффициент теплопередачи при конденсации водно-спиртовых паров определяют по эмпирической формуле

,

где В – эмпирический коэффициент (для стальных труб В = 709, для медных труб В = 814); v – скорость течения жидкости в трубах, м/с (для бражки v = 0,15…0,25 м/с, для воды v = 0,1 м/с).

Средняя разность температур ∆t определяется как среднелогарифмическая из наибольших и наименьших конечных разностей температур теплообменивающихся сред. Здесь температуру конденсации паров принимают равной 80 С, а температуру бражки, нагретой в дефлегматоре, 70 С.

Расход воды на дефлегматор W (кг/с) определяют по формуле

W = Q₂/(c_в(t₂ – t₁)),

где с_в – удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); t₁, t₂ – соответственно начальная и конечная температура воды, С.

Длина всех труб L (м)

L = F/(πd_н),

где d_н – наружный диаметр труб, м.

Общее число труб n

n = L/l,

где l – длина или высота одной трубы, м.

Число параллельно работающих труб n_п можно найти из уравнения

Ψ_ж = 0,785n_пd²_нv,

где Ψ_ж – секундный объем жидкости, проходящей по трубам, м³.

Число труб n_D, размещающихся на диаметре трубной решетки (на большой диагонали шестиугольника), вычисляется по формуле

,

где t – шаг размещения труб, м; f – площадь поверхности 1 м трубы принятого диаметра, м²; β – отношение длины или высоты труб теплообменника к его диаметру (l:D или H:D). Это отношение принимают: в дефлегматорах l:D = (3,6…4):l; в конденсаторах H:D = (4…5):l; в холодильниках для спирта H:D = (5…6):l. Рассчитанное n_D округляют для ближайшего целого числа.

Общее число труб, которое может быть размещено в пределах правильного шестиугольника, внесенного в круг диаметром D, также вычисляют по формуле

n = 3/4(n_D² – 1) + 1.

Диаметр D и высоту H (в м) теплообменника

D = (n_D — 1)t ± 4d_н;

Н = l + 2δ + 2h,

где  – толщина трубных решеток, м; h – высота или длина распределительной камеры, м.

При расчете холодильника общая тепловая нагрузка Q (Вт) слагается из теплоты конденсации и теплоты охлаждения:

Q = П_спr + П_спc_D(t₄ – t₃),

где П_сп – производительность установки по спирту-сырцу, кг/с; r – удельная теплота конденсации водно-спиртовых паров, Дж/кг; c_D – удельная теплоемкость спирта, Дж/(кгК); t₃ – начальная температура конденсата, равная температуре кипения спирта, С; t₄ – конечная температура спирта, поступающего в фонарь, С.

Расход охлаждающей воды W (м/с) на холодильник

W = Q/(c_в(t₂ – t₁)),

где t₁ и t₂ – соответственно начальная и конечная температура охлаждающей воды, С; с_в – удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК).

Площадь поверхности охлаждения F (м²) определяют раздельно для трубчатой и змеевиковой частей холодильника

F = Q/(k∆t),

Коэффициент теплопередачи находится по формулам:

для трубчатой поверхности

,

где v – скорость движения жидкости, м/с;

для змеевиковой поверхности

,

где v_в и v_сп – скорость движения соответственно воды и спирта, м/с (на основе практических данных принимаются v_в = 0,005 м/с, v_сп = 0,5 м/с).

Температура воды при выходе из холодильника 30…50 С в зависимости от крепости спирта и температуры воды, поступающей в холодильник. Расчет конструктивных размеров холодильника не отличается от расчета дефлегматора.

В комбинированном холодильнике диаметр змеевика D_зм (м) и длину l_зм (м) одного витка змеевика вычисляют по формулам

D_зм = D_x – (0,11…0,15);

,

где D_x – внутренний диаметр холодильника, м; t – шаг между витками, м (принимают t = (2…3)d_н, здесь d_н – наружный диаметр трубы, м).

Число витков z в змеевике

z = L_зм/l_зм.

Высота змеевика Н_зм (м)

Н_зм = (n – 1)t.