МУ_ЛПЗ_ПиА. Методические указания по выполнению лабораторных работСоставитель А. В. Гербсоммер Омск бпоу 0 0 опэк 2018. с. 85
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
п/и л Т2 Т7 Тб Мг Мх Qr к :с °с кг с кг с Вт Вт Вт/(м;*К) Противоток 1 Прямоток 1 Таблица 5.3 - Значения измеренных и вычисляемых параметров пластинчатого теплообменника Значения измеренных и вычисляемых параметров п/п Т2 ТЗ Т4 Т5 Мг Мх Qr К кг/с кг/с Вт Вт Зт/(м;*К) Противоток 1 Прямоток 1 После получения результатов испытания вернуть выключатель тумблера в исходное положении и дождаться когда установится стационарный режим, после чего повторить испытание при другом режиме. На основании полученных результатов (изменение температур) рассчитать коэффициент теплопередачи для теплообменников в режимах прямо- и противотока. Результаты вычислений занести в таблицы 5.2 и Обработка результатов эксперимента Постоянные исходные данные dn = o,oi - наружный диаметр внутренней трубы теплообменникам- длина внутренней трубы, м- 0,019 л/с (прямоток, 0,021 л/с (противоток г - расход горячей воды указанна лицевой панели компьютерной системы измерения при расчётах перевести л/мин в л/с) Находим площадь поверхности теплообменника типа труба в трубе, м2 где dn - наружный диаметр внутренней трубы теплообменникам- длина внутренней трубы, м. Массовый расход горячей и холодной воды определяется последующему соотношению, кг/с где G* Ох - расходы горячей и холодной воды (расход горячего теплоносителя определяется по расходомеру, холодного указано выше в части 1, рх - плотности горячей и холодной воды, вычисляются как функции средних температурных среди выбираются по приложению В, t = н+ к Таблица 5.4 - Зависимость теплоемкости воды от температуры Т, С 10 20 40 60 80 100 с, Дж/(кг-К) 4218 4192 4182 4178 4184 4196 4216 65 Количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем и полученное холодным, Вт = Mr - cr(tlH - t lK) (5.5) QX = MX - cx (t 2k - t 2 H) (5 где сх, сг - удельные теплоемкости горячей и холодной воды, (Дж/кг-К) определяются по таблице 5.4, tin, t 1 k - начальная и конечная температура горячей воды,°С t2H t2k - начальная и конечная температура холодной воды, °С Определяем среднюю разность температур At для противотока в теплообменнике типа труба в трубе, СТ Т2 Т6 Т AtM A u + A t At* A t = — 6-------M, если — - < 2 ср 2 At,. A t б — At,. A te 2,3 - lg - A t ср = -----------, если (5.7) ср A t6 At м' У где At6 - большая разность температур на концах теплообменника, С - меньшая разность температур на концах теплообменника, Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К К = (5.8) F-AtCp V Расчет пластинчатого теплообменника выполняется аналогично, площадь поверхности теплообмена равна 0,12м2. Критерии оценки Оценка отлично выставляется, если лабораторная работа выполнена с соблюдением правил техники безопасности отчет оформлен вовремя занятия и содержит подробное описание всех этапов лабораторной работы выполнено испытание пластинчатого теплообменника и типа труба в трубе при прямоточном и противоточном движении теплоносителя при заданной температуре в соответствии с методическими указаниями на основании результатов измерений рассчитаны коэффициенты теплопередачи, построены схемы прямотока и противотока пластинчатого теплообменника и труба в трубе - подробно составлен вывод- ответы на контрольные вопросы демонстрируют понимание сущности вопроса, знание представленной темы и умение аргументировано отвечать. Оценка хорошо если- лабораторная работа выполнена с соблюдением правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия и содержит подробное описание всех этапов лабораторной работы- выполнено испытание пластинчатого теплообменника и типа труба в трубе при прямоточном и противоточном движении теплоносителя при заданной температуре в соответствии с методическими указаниями- на основании результатов измерений с небольшой погрешностью рассчитаны коэффициенты теплопередачи, неточно построены схемы прямотока и противотока пластинчатого теплообменника и труба в трубе- по итогам проделанной работы составлен вывод- ответы на контрольные вопросы демонстрируют понимание сущности вопроса, знание представленной темы и умение отвечать. При неправильном ответе студент сам исправляет свои ошибки. Оценка удовлетворительно выставляется, если- лабораторная работа выполнена с небольшими нарушениями правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия, нов нем отсутствует описание некоторых этапов лабораторной работы- выполнено испытание пластинчатого теплообменника и типа труба в трубе при прямоточном и противоточном движении теплоносителя при заданной температуре в соответствии с методическими указаниями- на основании результатов измерений с грубыми ошибками рассчитаны коэффициенты теплопередачи и построены схемы прямотока и противотока пластинчатого теплообменника и труба в трубе- составлен вывод с недочетами- ответы на дополнительные вопросы неполные и требуют уточнения. Оценка неудовлетворительно выставляется, если- лабораторная работа выполнена с серьезными нарушениями техники безопасности- отчет не оформлен вовремя занятия или содержит грубые ошибки в оформлении и выводе- выполнено испытание пластинчатого теплообменника и типа труба в трубе при прямоточном и противоточном движении теплоносителя при заданной температуре не в соответствии с методическими указаниями - не рассчитаны коэффициенты теплопередачи, не построены схемы прямотока и противотока пластинчатого теплообменника и труба в трубе- ответы на вопросы неправильные. Контрольные вопросы. Достоинства и недостатки испытанных теплообменных аппаратов. Что называется коэффициентом теплопередачи Каков физический смысл единицы его измерения. Какие факторы влияют на величину коэффициента теплопередачи. В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению с прямоточной. Может ли температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменника. В каких технологических процессах используются теплообменные аппараты Лабораторная работа Тема Изучение процесса ректификации Цель лабораторной работы Освоить метод ректификации на примере получения этилового спирта Оборудование и материалы. Лабораторная установка по изучению процесса ректификации тарельчатая колонна) РУМ-05. 2.Ноутбук с установленным программным обеспечением «Measlab» для работы с лабораторной установкой по изучению процесса ректификации тарельчатая колонна) РУМ-05. 3.Сырье - сырец (смесь этилового спирта и дистиллированной воды с процентным содержанием спирта не менее 40%), не менее 4 л. 4.Колба коническая 100 мл. Колба коническая 500 мл. Набор ареометров. Таблица разведения спирта дистиллированной водой (Приложение А) Инструкция по выполнению лабораторной работы. Ознакомиться с целью работы. Ознакомится с заданием и изучить принцип работы лабораторной установки. Ответить на контрольные вопросы (устно) и получить допуск к работе у преподавателя. Получить этиловый спирт методом ректификации в соответствии с методикой. Приведении процесса ректификации заполнить режимный лист снимать показания каждые 10 минут. Периодически вести аналитический контроль качества получаемого этанола. Составить материальный баланс установки на основании выхода основной продукции, побочной и потерь. Рассчитать КПД колонны. Оформить отчет и составить вывод о проделанной работе. Защитить работу. 1.Теоретическая часть Ректификация — это тепломассообменный процесс, применяемый для разделения жидких гомогенных смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Процесс осуществляется при контакте потоков пара и жидкости, имеющих разные составы и температуры пар содержит больше высококипящих компонентов и имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будут достигнуты условия равновесия Процесс ректификации осуществляется в специальных массообменных аппаратах — ректификационных колоннах. Поток пара создается за счет подвода теплоты в выносной кипятильник или печь ректификационной установки и испарения в нем части нижнего продукта. Поток жидкости флегмы или орошения) организуется за счет конденсации уходящего с верха колонны пара в конденсаторе (рисунок Ректификационная колонна - это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Стекающая вниз жидкая фаза обогащается высококипящим компонентом, а поднимающийся пар - низкокипящим, те из пара в жидкость уходит ВКК, а из жидкости в пар переходит НКК. В результате пар, дойдя до верха, превращается в практически чистый НКК, а жидкость, дойдя до низа, в почти чистый ВКК. Наибольшее распространение в промышленности получили ректификационные колонны, в которых в качестве контактных устройств используются клапанные, колпачковые, ситчатые и провальные тарелки. Развитая поверхность контакта фаз на тарелках образуется пузырьками и струями пара при многократном его прохождении (барботаже) через слои жидкости. Основной задачей ректификационных установок в пищевой промышленности является получение спирта - ректификата с концентрацией спирта не менее 96% при минимальном содержании посторонних примесей из 40%-ного спирта-сырца. Известно, что этиловый спирт хорошо растворяется вводе, образуя бинарную водно-спиртовую смесь с различным содержанием спирта. Температура кипения 100% этилового спирта ( t ^ = С при давлении 760 мм. рт. ст) значительно отличается от свойств дистиллированной воды и это различие используется при разделении компонентов различных спиртосодержащих материалов для получения спирта высокой концентрации. Различают молярную, массовую и объемную концентрации спирта. Традиционно в пищевой и химической промышленности используется понятие объемной концентрации, как отношения объема растворенной жидкости к объему всего раствора. Эта величина выражается в процентах и обозначается как % обили в долях мм, л/л, мл/мл. Из-за различий в плотности спирта (p=0,790 г/мл) и воды (p=1,000 г/мл) и характеристик их температурного расширения объемные и весовые концентрации не всегда корректно переводятся друг в друга. Выделение из водно-спиртовой смеси спирта должно осуществляться при температуре кипения, соответствующей концентрации смеси, и постоянному давлению паров над смесью. При давлении 760 мм. рт. ст. температура кипения различных по концентрации водно-спиртовых смесей практически непрерывно уменьшается от 100 С при концентрации спирта 0% до С при Описание лабораторной установки РУМ-05 70 Установка состоит из испарительного куба 1, вертикально установленной на его крышке ректификационной колонны 2 (рисунок Рисунок 6.1 - Лабораторная установка ректификации - испарительный куб, ректификационная колонна, дефлегматор, 4 охладитель, 5 - игольчатый кран, 6- смотровое окно, 7- измерительная система, 8- регулятор нагрева, счетчик воды, сборник спирта, 1 1- сливной кран, 12 - заливочный кран. Процесс ректификации этилового спирта на учебной установке РУМ-05 производительностью 0.5 л в час, осуществляется следующим образом- вначале кубовая жидкость с помощью электрического нагревателя, работающего в стартовом режиме, доводится до кипения- образующийся в кубе пар поднимается по ректификационной колонне и попадает в конденсатор 3, где конденсируется, образуя дистиллят- часть дистиллята (флегма) возвращается в верхнюю царгу, а оставшаяся часть через охладитель 4 поступает в приемную емкость 10. Соотношение между расходами флегмы и отбираемого дистиллята называется флегмовым числом и управляется вручную регулятором отбора дистиллята 6. При этом по всей высоте колонны происходит непрерывный процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. В результате в верхней части колоны накапливается в виде пара и флегмы самый легкокипящий компонент кубовой жидкости, а следом за ним по высоте колонны выстраивается очередь других веществ с большей температурной кипения - с помощью управляемого вручную регулятора отбора дистиллята организуется медленный и последовательный отбор этих веществ в приемную емкость 10, с последующей их идентификацией по компьютерным записям температуры паров, поступающих в конденсатор и учетом фактического атмосферного давления. Таким образом, используя отдельные приемные емкости, в процессе ректификации раздельно получают все значимые компоненты исходной смеси и проводят их качественный и количественный анализ. После выхода легкокипящих компонентов и при достижении температуры паров С начинается наиболее продолжительный период работы по ректификации самого этилового спирта. При этом схема работы колонны остается неизменной - флегма течет вниз, а пар движется вверх. Для такого встречного движения существует некоторая предельная скорость пара, при которой гравитационные силы, обеспечивающие стекание флегмы вниз, не в состоянии преодолеть противодействующий им динамический напор пара. Тогда флегма сначала замедляет свою скорость течения вниз, затем просто останавливается, повисая в колонне, и начинает накапливаться в ее ректификационной части (происходит захлебывание колонны). Захлебывание является нерасчетным режимом работы ректификационной колонны ив таком состоянии она может находиться не более 30-60 с. За это время флегма заполняет ее внутреннюю полость и дефлегматора затем происходит аварийный выброс флегмы через верхний штуцер дефлегматора. Начало захлебывания можно определить по возникновению характерных пульсаций на записи перепада давления в колонне и появлению звуков булькающего шума при работе установки. Предельная скорость пара зависит от конструкции контактных элементов, загромождения ими внутреннего сечения колонны. Обычно она находится в пределах 0,5 до 1,2 мс. При этом максимальная эффективность разделения смеси реализуется как раз при работе колонны вблизи состояния захлебывания. Однако колонну с любыми контактными элементами можно нагружать и меньшими потоками пара, уменьшая мощность, выделяемую нагревателем. На установке для этого реализуются два режима работы нагревателя стартовый - для доведения кубовой смеси до кипения (1.0 кВт) и технологический (0,5 кВт) для ректификации. Стоит обратить внимание, что захлебывание колонны может наступить и при правильно подведенной к нагревателю технологической мощности. Существует несколько причин такого явления засорение нижней части колонны пеной за счет использования некачественного спиртосодержащего сырья, переполнения испарительной емкости перерабатываемой жидкостью, попытки использования колонны в высокогорной области. Необходимо также контролировать наличие повышенного напряжения в сети, приводящего к заметному увеличению мощности, выделяемой нагревателем. Для получения высококачественного спирта-ректификата флегмовое число должно быть не менее 3. Это означает, что из 4 частей дистиллята в спиртоприёмник отбирается одна часть, а три остальные части должны быть отправлены обратно в ректификационную колонну для орошения ее контактных элементов. Отбор дистиллята установлен правильно, если через 5-15 мин после прекращения отбора температура паров в верхней части колонны не уменьшилась. При полностью открытом отборе дистиллята флегмовое число становится равным нулю. При этом контактные элементы ректификационной колонны полностью «иссушаются» и ректификационная установка превращается в примитивный самогонный аппарат с низкой очисткой и недостаточно высокой концентрацией получаемого этилового спирта. В примесях, содержащихся в бражке, обнаруживается около 70 разнообразных компонентов. Это кислоты, ацетоны, эфиры, альдегиды, легкие и тяжелые спирты, сивушные масла и т.д. Они образуются в период приготовления сусла, накапливаются при брожении, а при перегонке полностью переходят в спирт-сырец. Количество примесей в обезвоженном дистилляте обычно не превышает 6%. С практически точки зрения их можно условно разделить на две группы по температуре их кипения в сравнении со спиртом - ректификатом головные, легкокипящие 2,5% и низкокипящие, хвостовые Отбор пищевого спирта завершается при достижении температуры его паров на 0.1 выше С. Условно считается, что количество низкокипящих примесей, находящихся в этот момент в получаемом спирте, соответствует допустимым нормам. Выключение установки производится после отбора фракций примесей. Отбор хвостовых фракций завершается при достижении температуры пара в конденсаторе порядка СВ ходе лабораторного эксперимента концентрацию получаемого спирта определяют по текущим значениям его плотности (статическому давлению тарированного столба жидкости, отводимой в спиртоприёмник с учетом ее температуры. Измерение перепадов давления пара на ректификационной колонне и гидростатическом ареометре, температур пара и жидкости по длине колонны и отводимого конденсата производится с помощью датчиков давления МХ 5010 и термопар, электрические выходы которых заведены на многоканальный измеритель МВА 8. Измерения основных параметров, характеризующих процесс, регистрируются компьютерной системой измерения ив режиме реального времени отображаются на экране, как и результаты машинной обработки полученных данных. Характеристика этанола Спирт этиловый по степени воздействия на организм человека в соответствии с ГОСТ 12.1.007 относится к 4-му классу опасности (веществам малоопасным). Предельно допустимая концентрация паров этилового спирта в воздухе рабочей зоны - 1000 мг/м3. Этанол (этиловый спирт) - одноатомный спирт с формулой C2H5OH (CH3-CH2-OH). При стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом Относится к сильнодействующим наркотикам, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы. Этиловый спирт прижигает кожу и слизистые оболочки при приёме внутрь угнетает центры торможения мозга. При многократном употреблении вызывает алкоголизм. Также вредно воздействует на зародыш ребенка. Практическая часть |