4. Тепловой баланс установки для нанесения плёночного покрытия

Нанесение плёночного покрытия осуществляется с помощью высокотехнологичной установки ACS-120 фирмы «QUARCO PHARM & MEDICAL EQUPMENT», Швейцария, (поз. 46).

Исходные данные:

В соответствии с часовыми материальными потоками в резервуар загружено таблеток-ядер бисопролола (G_т) = 55,24 кг;

Масса сухого материала покрытия (G_п) = 1,565 кг;

Количество влаги, испаренной за операцию нанесения пленочного покрытия (W) = 6,7 кг;

Температура входящего воздуха t₁ = 65 ºС;

Температура воздуха на выходе из аппарата t₂ = 35 ºС;

Температура слоя (₂) = 45 ºС;

Температура исходного материала (₁) = 20 ºС;

Теплоемкость таблеток-ядер C_т = 2271,3 Дж/(кг×град)

Длительность процесса (τ) = 180 мин.

Определение прихода и расхода теплоты в процессе нанесения покрытия

Параметры исходного воздуха (до калорифера):

t₀ = 20 ºС; ₀ = 69 %

По диаграмме Рамзина влагосодержание для этих условий х₀ = 0,009 кг вл./кг с.в.

I₀ = (С_в + С_п × х₀) × t₀ + r₀ × х₀, (63)

где С_в – средняя удельная теплоемкость сухого воздуха (при постоянном

давлении)

С_в = 1,01 кДж/(кг×К);

С_п– средняя удельная теплоемкость водяного пара;

С_п = 1,97 кДж/(кг×К);

х₀ – влагосодержание воздуха, кг вл./кг с.в.;

t₀ – температура воздуха до калорифера, ºС;

r₀ – теплота парообразования воды при 0 ºС,

r₀ =2493 кДж/кг

х₀ = х₁ = 0,009 кг вл./кг с.в.

I₀ = (1,01 + 1,97 × 0,009) × 20 + 2493 × 0,009 = 42,99 кДж/кг с.в.

Параметры воздуха на входе в установку (из калорифера):

t₁ = 65 ºС;

х₁ = х₀ = 0,009 кг вл./кг с.в.

I₁ = (1,01 + 1,97 × 0,009) × 65 + 2493 × 0,009 = 89,24 кДж/кг с.в.

Параметры воздуха на выходе из установки:

t₂ = 35 ºС;

х₂ = 0,019 кг вл./кг с.в. (по диаграмме Рамзина);

I₂ = I₁ = 89,24 кДж/кг с.в.

Учитывая, что водный раствор для покрытия таблеток в процессе нанесения покрытия испаряется, а его растворенные вещества кристаллизуются на поверхности таблеток и количество растворенной твердой фазы не меняется в процессе, то частное уравнение теплового баланса может быть записано как:

G_p × C_p × θ_p = G_п × C_п × θ_нп + W × C_в × θ_нп, (64)

где G_p – масса введенного раствора, кг;

G_п – масса сухого материала покрытия, кг;

θ_p – температура раствора, ºС;

C_p – удельная теплоемкость раствора, Дж/кг×К;

C_п – удельная теплоемкость сухого материала покрытия, Дж/кг×К;

θ_нп – начальная температура материала покрытия, К;

W – масса удаляемой влаги, кг;

C_в – удельная теплоемкость воды, Дж/кг×К.

Так как раствор, подаваемый в аппарат, не подогревается и имеет комнатную температуру, так же как и исходные таблетки, то можно считать, что температура раствора (θ_p) и материала покрытия (θ_нп), а так же таблеток (θ_т) равны: θ_p = θ_нп = θ_т.

Примем, что температура таблеток (θ_кт) и температура материала покрытия (θ_кп) равны в конце процесса, т. е. θ_кт = θ_кп, а так же равны удельные теплоемкость таблеток (С_т) и удельная теплоемкость материала покрытия (С_п), т. е. С_т = С_п.

С учетом этого составим таблицу прихода и расхода теплоты в процессе нанесения покрытия.

Таблица 2. Приход и расход теплоты

Приход теплоты	Расход теплоты
С исходными таблетками Gт× Ст× θнт	С покрытыми таблетками (Gт+Gп) × Ст×θкт
С раствором Gп× Ст× θнп+W× Св× θнп	-
С аппаратом Gа× Са× Тн	С аппаратом Gа× Са× Тк
С атмосферным воздухом L×I0	Cотработанным воздухом L×I2
Подведенная в калорифере Qк	С потерями в окружающую среду Qпот

С учетом этого тепловой баланс примет вид:

G_т × С_т × θ_нт + G_п × С_т × θ_нп + W × С_в × θ_нп + G_а × С_а × Т_н + L × I₀ + Q_к = (G_т + G_п) × С_т × θ_кт + G_а × С_а × Т_к + L × I₂ + Q_пот, (65)

Решим это уравнение относительно количества теплоты, подведенной в калорифере:

Q_к = (G_т + G_п) × С_т × (θ_кт – θ_нт) + G_а × С_а × (Т_н – Т_к) + L × (I₂ – I₀) + Q_пот – W × С_в × θ_нт, (66)

где L – масса подаваемого воздуха, кг;

L = l × W, (67)

где l – удельный расход воздуха, кг вл./кг с.в.;

l = 1 / (х₂ – х₁), (68)

l = 1 / (0,019 – 0,009) = 100 кг вл./кг с.в.

L = 100 × 6,7 = 670 кг

Массовый расход воздуха L`` = 670 / (180 × 60) = 0,062 кг/с (69)

Потери в окружающую среду принимаются в размере 10 % от полезно расходуемой теплоты:

Q_пот = 0,1 × ((G_т + G_п) × С_т × (θ_кт – θ_нт) + G_а × С_а × (Т_н – Т_к) + L × (I₂ – I₀) – W × С_в × θ_нт), (70)

Q_пот = 0,1 × ((55,24 + 1,565) × 2271,3 × (65 – 20) + 850 × 500 × (35 – 20) + 670 × (89,24 – 42,99) × 10³ – 6,7 × 4190 × 20) = 42,6×10⁶ Дж

Мощность калорифера составит:

Q_к = ((G_т + G_п) × С_т × (θ_кт – θ_нт) + G_а × С_а × (Т_н – Т_к) + Q_пот – W × С_в × θ_нт) / τ + L`` × (I₂ – I₀), (71)

Q_к = ((55,24 + 1,565) × 2271,3 × (65 – 20) + 850 × 500 × (35 – 20) + 42,6×10⁶ – 6,7 × 4190 × 20) / (180 × 60) + 0,062 × (89,24 – 42,99) × 10³ = 7,89 кВт

Расчёт поверхности теплопередачи калорифера

G_гр.п. = Q_к / (r_гр.п. × х), (72)

где G_гр.п. – расход греющего пара, кг/с;

Q_к – мощность калорифера, Вт;

r_гр.п. – удельная теплота парообразования, кДж/кг;

х – степень сухости греющего пара

х = 0,95

Нагрев воздуха в калорифере осуществляется греющим паром со следующими характеристиками:

Температура, ⁰С 119,6

Давление (абсолютное), МПа 0,20

Удельная теплота парообразования (r_гр.п.), кДж/кг 2208

G_гр.п. = 7887 / (2208 × 10³ × 0,95) = 0,0038 кг/с = 13,7 кг/час

F = Q_к / (K × ∆t_ср), (73)

где F – поверхность теплопередачи калорифера, м²;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К);

К = 20 Вт/(м²×К)

∆t_ср – средняя разность температур между теплоносителем и воздухом, К.

Расчет средней разности температур:

греющий пар 119,6 ⁰С 119,6 ⁰С

воздух 65 ⁰С 20 ⁰С

∆t_м = 54,6 ⁰С ∆t_б = 99,6 ⁰С

Так как отношение ∆t_б / ∆t_м < 2, то средняя разность температур рассчитывается по формуле:

∆t_ср = (∆t_б + ∆t_м) / 2, (74)

∆t_ср = (54,6 + 99,6) / 2 = 77,1 К

F = 7887 / (20 × 77,1) = 5,1 м²

Следовательно, необходимо установить калорифер с поверхностью теплопередачи не менее 5,1 м², чтобы обеспечить нагрев воздуха до температуры 65 ⁰С греющим паром с заданными характеристиками.

Список литературы

1. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. / А. Г. Касаткин. – М.: 1971.

2. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / К. Ф Павлов, П. Г. Романков, А.А. Носков. Изд. 11, стереотипное – М.: 2004.

3. Флисюк. Е. В. Расчеты оборудования в курсовом и дипломном проектировании: Методические указания / Е. В.Флисюк, Л. М. Маркова – СПб.: 2006.