- •Введение
- •Задание на проектирование
- •1 Материальный баланс процесса получения инвертного сиропа
- •1.1 Приготовление инвертного сиропа
- •1.2 Приготовление сахарного раствора
- •1.3 Определение объёма 10 % – ной соляной кислоты для проведения гидролиза
- •1.4 Определение количества 10 %-го раствора бикарбоната натрия для нейтрализации соляной кислоты
- •2 Тепловой баланс процесса получения инвертного сиропа
- •2.1 Тепловой баланс при нагревании сахарного раствора. Определение тепловой нагрузки и массового расхода теплоносителя
- •2.2 Тепловой баланс при охлаждении инвертного сиропа водой. Определение тепловой нагрузки, количества хладоагента и его массового расхода
- •3 Тепловые расчёты
- •3.1 Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при обогреве реактора насыщенным водяным паром
- •3.1.1 Теплоотдача при механическом перемешивании
- •3.1.2 Теплоотдача при пленочной конденсации насыщенного пара
- •3.2 Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при охлаждении реактора водой
- •3.2.1 Теплоотдача при механическом перемешивании
- •3.2.2 Теплоотдача при охлаждении реактора водой, проходящей через гладкую цилиндрическую рубашку корпуса к стенкам корпуса
- •4 Определение поверхности теплообмена и размеров рубашки, змеевика или трубчатки
- •4.1 Расчёт необходимой площади поверхности теплообмена при нагревании сахарного сиропа в емкостном реакторе
- •4.2 Расчёт необходимой площади поверхности теплообмена при охлаждении инвертного сиропа в емкостном реакторе
- •5 Технологический расчёт мешалки
- •6 Расчёт и выбор рамного фильтр-пресса
- •7 Расчёт пластинчатого насоса
- •8 Расчёт объёма и размеров ёмкостей
- •9 Автоматизированное управление процессом получения инвертного сиропа
- •Список литературы
- •МетодиЧні вказівки до виконання куросвого проекту «Розрахунок та автоматизація місткисного реактора з механічним перемішуючим пристроєм для виготовлення інвертного сиропа»
2.2 Тепловой баланс при охлаждении инвертного сиропа водой. Определение тепловой нагрузки, количества хладоагента и его массового расхода
Для расчёта хладоагента составим тепловой баланс процесса охлаждения:
, (2.10)
где – масса инвертного раствора, кг;– тепловая нагрузка, Дж;‑ потери тепла в окружающую среду, принимаем= 0;– масса охлаждающей воды, кг; ‑ удельная теплоёмкость воды при средней температуре, Дж/(кгК);, – соответственно конечная и начальная температуры охлаждающей воды, С; – соответственно конечная и начальная температуры инвертного раствора, С.
Массу инвертного раствора определим из материального баланса, (табл. 1.1).
.
Таким образом, рассчитаем количество тепла, отданного хладоагенту, кДж:
Q = 668.27*1934.6(40-20) = 25848683(Дж) = 25848.7(кДж).
Зная время охлаждения инвертного сиропа (заданная величина), с, определим тепловую нагрузку Q , Вт,
.
Определим количество охлаждающей воды из теплового баланса, кг:
, (2.11)
.
Зная время охлаждения инвертного сиропа, определим массовый расход хладоагента , кг/с:
.
3 Тепловые расчёты
3.1 Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при обогреве реактора насыщенным водяным паром
3.1.1 Теплоотдача при механическом перемешивании
Величины коэффициентов теплоотдачи в теплообменных аппаратах с механическими мешалками зависят от типа теплообменного устройства (рубашки, змеевики и др.), конструкции аппарата (с внутренними отражательными перегородками и без них), конструкции мешалки и физических свойств перемешиваемой среды [3, 5].
Если в реакторе происходит процесс нагрева реакционной массы, без кипения, с перемешиванием механической мешалкой, то коэффициент теплоотдачи к реакционной массе определяется из критерия Нуссельта по уравнению (3.1):
, (3.1)
где Nu – критерий Нуссельта; – коэффициент теплоотдачи к реакционной массе, Вт/(м2·К); – коэффициент теплопроводности сахарного раствора, Вт/(м·К); l – характерный (определяющий) геометрический размер, м.
Для аппаратов с мешалками, создающими преимущественно радиальные поток жидкости (лопастные и листовые мешалки, открытые турбинные мешалки с вертикальными лопатками), критерий Нуссельта рассчитывают по формуле:
, (3.2)
где – критерий Рейнольдса, модифицированный для мешалок;С – коэффициент, для аппаратов с рубашками С = 0,36; m и n – показатели степени m = 0,67 n = 0,33; – критерий Прандля; µж – вязкость перемешиваемой среды при средней температуре между температурами среды и стенки аппарата со стороны перемешиваемой жидкости, Пас; µст – вязкость среды при температуре стенки; принимаем =1.
Таким образом, формулу (3.2) можно записать в таком виде:
. (3.3)
Модифицированный критерий Рейнольдса определяют по уравнению:
, (3.4)
где µ – вязкость реакционной среды при средней температуре, Па∙с (прил. А); – плотность среды при средней температуре, кг/м3; n – число оборотов мешалки, с-1; dм – диаметр мешалки, м.
Плотность сахарного раствора, кг/м3, определяют по формуле:
, (3.5)
где a – массовая доля твердой фазы (сахара) в растворе; и– плотность сахара кристаллического и воды при средней температуре, кг/м3 (табл.1.1).
,
кг/м3.
Правильность расчета проверяется по прил. А (табл. А.2).
Для расчета коэффициента теплоотдачи, зная объем реакционной смеси, ориентировочно по табл. Б.1 (прил. Б) [4] выбираем аппарат для проведения гидролиза сахарного раствора. Основные технические данные аппарата:
V = 1 м3; D = 1200 мм; D1 = 1300 мм; M = 1270 кг; 1 = 8 мм; = 10 мм;
H = 1013 мм; H1 = 942 мм; h = 110 мм.
Рассчитаем высоту цилиндрической части аппарата, заключенной в рубашку, Hруб, м:
Hруб = Н – h, (3.6)
Hруб = 1013 – 110 = 903 мм = 0,903 м.
По табл. В.1. [4] прил. В по условиям работы нашей реакционной смеси ориентировочно выбираем тип мешалки и её основные параметры.
При растворении кристаллических веществ, когда вязкость системы Пас , применяют лопастную мешалку [5].
Диаметр мешалки dм предварительно определяют по соотношению D/dм , который для лопастной мешалки равенD/dм = 1,4 ÷ 1,7 , а скорость вращения w = 1,5 ÷ 5 м/с. Задаемся w = 2 м/с, тогда:
м.
Оптимальное число оборотов мешалки c-1, определяют из соотношения:
, (3.7)
где w – окружная скорость вращения мешалки, м/с.
с–1,
=5067.
Критерий Прандтля, характеризующий подобие физических свойств теплоносителя в процессе конвективного теплообмена при средней температуре, определяем по уравнению:
, (3.8)
где – критерий Прандтля;, , – вязкость, Па∙с, коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) (прил. А) и удельная теплоемкость реакционной среды (сахарного раствора) при средней температуре, Дж/(кг·К).
,
.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи к реакционной массе определяем по уравнению (3.1), считая характерный (определяющий) геометрический размер равный диаметру выбранного аппарата.
Вт/(м2К).