Теплообменник 2 (стр. 3 из 4)

Формулу спирта в таком случае можно изобразить так:

Н Н

Н С С О Н

Н Н

Однако распределение электронной плотности в молекуле спирта не такое равномерное, как в углеродах. Связь О-Н полимерная, так как наибольшая электронная плотность её смещена к атому О₂, как к элементу более электроотрицательному. Атом “Н” оказывается как бы более свободным от электронов, менее связанным с молекулой и поэтому может легко вытеснятся натрием. Смещение электронной плотности можно показать в формуле следующим образом:

Н Н

Н-С-С-О Н

Н Н

Химические свойства. Спирты горят при поджигании, выделяет кислоту:

С ₂Н ₅ОН+3О₂-2СО+3Н ₂О+137Кдж.

Легко воспламеняются синеватым почти не светящимся пламенем, и после сгорания их остаётся чёрный налёт.

Взаимодействие этилого спирта с натрием:

2С2Н5ОН+2Na

2C2Н5ОNa+H2

Продукт замещения водорода в этаноле называется этилатом натрия, он может быть выделен после реакции в твёрдом виде. Также реагируют со щелочными металлами другие растворимые спирты образуя соответствующие алкоголиенты .

Однако спирты к классу кислот не относятся, так как степень диссоциации их крайне незначительна, даже меньше чем у воды, их растворы не изменяют окраску индикаторов. Положение степени диссоциации спиртов по сравнению с водой можно обьяснить влиянием углеводородного радикала: смещение радикалом электронной плотности связи C–O в сторону атома кислород ведёт к увиличению на последнем уровне частичного отрицательного заряда вследствие чего он прочнее удерживает атом водорода. Можно повысить степень, если в молекулу ввести заместитель притягивающий к себе электроны химической связи.

У спиртов может вступать в реакцию не только гидроксильный атом водорода, но и вся гидроксильная группа. Если в колбе с присоеденённым к ней холодильником нагревать этиловый спирт с галогеноводородной кислотой, например, с бромоводородной (для образования бромоводорода берут смесь бромида калия или бромида натрия с серной кислотой), то через некоторое время можно заметить, что в пробирке под слоем воды собирается тяжёлая жидкость–бромэтан.

С2Н5ОН+НBr

С2Н5Br+H2O

Эта реакция тоже идёт с ионным расщеплением ковалентной связи С-О. Она напоминает реакцию оснований и этилового спирта, образуется бромистан. При нагревании с концентрированной кислотой в качестве катализатора спирты легко дигидратируются, т.е. отщепляют воду. Из этилового спирта при этом образуется этилен:

Н Н

Н –С –С –Н –СН2=СН2+Н2О

Н ОН

[9, с.994-997]

1.3.Техника безопасности

Этанол – растворитель в лакокрасочной и фармацевтической промышленности, в производстве кинофотоматериалов, товаров радиоэлектроники и бытовой химии, высокомолекулярных веществ. Сырьё в производстве диэтилового эфира, хлороформа, тетраэтилсвинца, ацетальдегида, уксусной кислоты, этилацетата, этиламина, этилакрилатов, этилсиликатов. Этанол из пищевого сырья часто используют для получения чистого этилена. Этиловый спирт – компонент антифриза, топливо для реактивных двигателей. В ряде стран – компонент автомобильного топлива: повышает октановое число, сокращает расход бензина, снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах. Содержание этанола в автомобильном топливе в зависимости от сырьевой базы составляет от 10% в США до полной замены бензина этанолом в Бразилии.

Для технических целей часто используют денатурированный спирт (денатурат) – спирт-сырец, содержащий добавки красителя, окрашивающего этанол в сине-фиолетовый цвет, и специальных веществ, придающих ему неприятный запах и вкус; денатурат ядовит. В медицине этиловый спирт применяется для дезинфекции, как поверхностное сосудорасширяющее средство, коагулянт белка, в том числе при лечении ожогов. Значительная часть этанола идёт на изготовление спиртных напитков.

Этиловый спирт чрезвычайно гигроскопичен, при концентрации выше 70% (по объёму) прижигает кожу и слизистые оболочки; при приёме внутрь угнетает центры торможения мозга, вызывает опьянение, при многократном употреблении – алкоголизм.

Легко воспламеняется, температура самовоспламенения – 404⁰С, пределы взрываемости: температурные 11-41⁰С, концентрационные 3,6-19% (по объёму), ПДК в атмосферном воздухе 5 мг/м³, в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м³, ЛД₅₀ 9г/кг (крысы, перорально).

Наиболее крупные производители этанола (тыс. в год): Бразилия 7500 (1985), США 2700 (1986), Россия 1200 (1989), Великобритания 200 (1986), Япония 179 (1985).

Впервые этанол выделен из продуктов брожения в Италии в 11-12 вв.

Абсолютированный этанол получил перегонкой водного раствора над пота-

шом Ловиц Т.Е. (1796). В 1855г. Бертло М. синтезировал этиловый спирт че-

рез этилсерную кислоту. Производство синтетического этанола началось с

1930г. в США.

[9, с.997]

2.Расчёт теплообменника

Дано:

Х_эт = 0,4

Х_в = 0,6

G_см= 9000 кг/ч

t₁ = 40⁰C

t₂ = 60⁰C

T₁ = 96⁰C

G_{гр. в}= 20000кг/ч

1)Расход этанола равен:

G_эт = Х_эт* G_см/3600, где (3)

[1,c.43]

Х_эт – объёмная доля этанола;

G_см – расход смеси;

3600 – перевод часа в секунды.

G_эт = 0,4*9000/3600 = 1 (кг/с)

2)Расход воды:

G_в = Х_в* G_см/3600, где

Х_в – объёмная доля воды.

G_в = 0,6*9000/3600 = 1,5 (кг/с)

3)Расход греющей воды:

G_{гр. в} = 20000/3600 = 5,556 (кг/с)

4)Таблица материального баланса:

Приход (кг/с)		Расход (кг/с)
Смесь	2,5	Этанол	1
Греющая вода	5,556	Вода	1,5
Греющая вода	5,556
Всего:	8,056	Всего:	8,056

G_см = G_эт + G_в = 1+1,5 = 2,5 (кг/с)

5)Теповая нагрузка теплообменника равна:

Q = G_см* С_см * (t₂ – t₁), где (4)

[5, с.193]

С_см – удельная теплоёмкость смеси.

С_см = С_эт* Х_эт+ С_в* Х_в, где (5)

[6, с.808]

С_эт = 0,32 ккал/кг*град =0,32*4190 = 1340,8 Дж/кг*град

С_в = 4190 Дж/кг*град

С_см = 1340,8 * 0,4 + 4190 * 0,6 = 3050,32 (Дж/кг*град)

Q = 2.5*3050,32*(60-40) = 152516 (Дж/с) или (Вт)

6)Конечная температура воды рассчитывается по формуле:

Q = G_в * C_в * (T₁ – T₂), где

T₁, T₂ – начальная и конечная температуры воды соответственно.

T₂ = T₁ – Q/ С_в* G_в

T₂ = 96-152516/4190*5,556 = 89,5 (⁰С)

7)Средняя разность температур равна:

40

60

89,5

96

89,5-40 = 49,5 96-60 = 36

(⁰С) (6)

[5, с.194]

8)Средняя температура смеси:

t _ср.см = 40+60/2 =50 (⁰С)

9)Средняя температура воды равна:

t _ср.в = t _{ср.см +}

= 50+42,8 = 92,8 (⁰С)

10)Площадь трубного пространства:

Примем массовую долю смеси W_см = 200 кг/м²*с, тогда площадь равна:

S_тр = G_см/ W_см =2,5/200 = 0,0125 (м²) (7)

[5, с.195]

Пусть количество труб n = 37, тогда внутренний диаметр трубки равен:

d_вн =

(8)

[5, с.196]

d_вн =

= 0,02 (м)

Пусть толщина стенки трубки b будет равна 1см =0,001м, следовательно, на-

ружный диаметр равен:

d_н = d_вн + 2*b (9)

[5, с.196]

d_н = 0,02+2*0,001 = 0,022 (м)

11)Критерий Рейнольдса для трубного пространства:

Re_тр = W_см * d_экв/М_см, где (10)

[7, с.32]

d_экв – эквивалентный диаметр;

М_см – вязкость смеси (этанол и вода).

d_экв.тр =

(11)

[5, с.198]

d_экв.тр =

= 0,147 (м)

М_см = 0,000545 (Н*сек/м²)

[6, с.806-807]

Re_тр = 200*0,147/0,000545 = 53995

12)Критерий Прандтля для трубного пространства:

Pr_тр = M_см *C_см / λ_см, где (12)

[7, с.189]

λ_см – теплопроводность смеси (этанол и вода)

λ_см = 0,168 Вт/м*град

[6, с.810-811]

Pr_тр = 0,000545 *3050,32 / 0,168 = 6,203

13)Критерий Нуссельта для трубного пространства:

Nu_тр = 0.023*Re^0.8*Pr^0.4 (13)

[7, с.192]

Nu = 0.023*53995^0.8*6.203^0.4 = 249.7

14)Коэффициент теплоотдачи смеси равен:

α = Nu* λ / d_экв (14)

[2, с.70]

α = 249,7* 0,168 / 0,147 = 285,4 (Вт/м²*град)