–PAGE_BREAK– Н Н
Н С С О Н
Н Н
Однако распределение электронной плотности в молекуле спиртане такое равномерное, как в углеродах. Связь О-Н полимерная,так как наибольшая электронная плотность её смещена к атомуО2, как кэлементу более электроотрицательному. Атом “Н” оказывается как бы более свободным от электронов, менеесвязанным с молекулой и поэтому может легковытеснятся 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:
С2Н5ОН+3О2-2СО+3Н2О+137Кдж.
Легко воспламеняются синеватым почти не светящимся пламенем, ипосле сгорания их остаётся чёрный налёт.
Взаимодействие этилого спирта с натрием:
2С2Н5ОН+2Na2C2Н5ОNa+H2
Продукт замещения водорода в этаноле называется этилатом натрия, он может быть выделен после реакции в твёрдом виде. Также реагируютсо 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, ихрастворы неизменяют окраску индикаторов. Положение степени диссоциации спиртов по сравнению с водой можнообьяснить влиянием углеводородного радикала: смещение радикаломэлектронной плотности связи C–O в сторону атома кислород ведёт к увиличению на последнемуровне частичного отрицательного заряда вследствие чего он прочнее удерживает атом водорода.Можно повысить степень, если в молекулу ввести заместительпритягивающий к себе электроны химической связи.
У спиртов может вступатьв реакциюне только гидроксильный атом водорода,но и вся гидроксильная группа. Если в колбе с присоеденённым к ней холодильником нагревать этиловый спирт с галогеноводороднойкислотой, например, с бромоводородной (для образования бромоводорода берут смесь бромида калия или бромида натрия ссерной кислотой), то через некоторое время можно заметить, что впробирке под слоем воды собирается тяжёлая жидкость–бромэтан.
С2Н5ОН+НBrС2Н5Br+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 катализатораспирты легко дигидратируются, т.е. отщепляют воду. Из этиловогоспирта при этом образуется этилен:
Н Н
Н –С –С –Н –СН2=СН2+Н2О
Н ОН
[9, с.994-997]
продолжение
–PAGE_BREAK–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:
Хэт = 0,4
Хв = 0,6
Gсм= 9000 кг/ч
t1 = 400C
t2 = 600C
T1 = 960C
Gгр. в= 20000кг/ч
1)Расход этанола равен:
Gэт = Хэт* Gсм/3600, где (3)
[1,c.43]
Хэт – объёмная доля этанола;
Gсм– расход смеси;
3600 – перевод часа в секунды.
Gэт = 0,4*9000/3600 = 1 (кг/с)
2)Расход воды:
Gв= Хв* Gсм/3600, где
Хв – объёмная доля воды.
Gв= 0,6*9000/3600 = 1,5 (кг/с)
3)Расход греющей воды:
Gгр. 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
Gсм = Gэт+ Gв= 1+1,5 = 2,5 (кг/с)
5)Теповая нагрузка теплообменника равна:
Q= Gсм* Ссм * (t2 – t1), где (4)
[5, с.193]
Ссм – удельная теплоёмкость смеси.
Ссм = Сэт* Хэт+ Св* Хв, где (5)
[6, с.808]
Сэт = 0,32 ккал/кг*град =0,32*4190 = 1340,8 Дж/кг*град
Св = 4190 Дж/кг*град
Ссм = 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= Gв* Cв* (T1– T2), где
T1, T2– начальная и конечная температуры воды соответственно.
T2= T1– Q/ Св* Gв
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:
tср.см= 40+60/2 =50 (0С)
9)Средняя температура воды равна:
tср.в = tср.см + = 50+42,8 = 92,8 (0С)
10)Площадь трубного пространства:
Примем массовую долю смеси Wсм= 200 кг/м2*с, тогда площадь равна:
Sтр= Gсм/ Wсм =2,5/200 = 0,0125 (м2) (7)
[5, с.195]
Пусть количество труб n= 37, тогда внутренний диаметр трубки равен:
dвн = (8)
[5, с.196]
dвн = = 0,02 (м)
Пусть толщина стенки трубки bбудет равна 1см =0,001м, следовательно, на-
ружный диаметр равен:
dн= dвн+ 2*b (9)
[5, с.196]
dн= 0,02+2*0,001 = 0,022 (м)
11)Критерий Рейнольдса для трубного пространства:
Reтр= Wсм* dэкв/Мсм, где (10)
[7, с.32]
dэкв– эквивалентный диаметр;
Мсм – вязкость смеси (этанол и вода).
dэкв.тр= (11)
[5, с.198]
dэкв.тр= = 0,147 (м)
Мсм = 0,000545 (Н*сек/м2)
[6, с.806-807]
Reтр= 200*0,147/0,000545 = 53995
12)Критерий Прандтля для трубного пространства:
Prтр= Mсм*Cсм/ λсм, где (12)
[7, с.189]
λсм– теплопроводность смеси (этанол и вода)
λсм= 0,168 Вт/м*град
[6, с.810-811]
Prтр= 0,000545 *3050,32 / 0,168 = 6,203
13)Критерий Нуссельта для трубного пространства:
Nuтр= 0.023*Re0.8*Pr0.4 (13)
[7, с.192]
Nu= 0.023*539950.8*6.2030.4 = 249.7
14)Коэффициент теплоотдачи смеси равен:
α = Nu* λ/ dэкв (14)
[2, с.70]
α = 249,7* 0,168 / 0,147 = 285,4 (Вт/м2*град)
15)Пусть диаметр кожуха Д = 0,25 м, тогда площадь межтрубного пространства равна:
Sмт= П*Д2 / 4 – 37*П*dн2/ 4 (15)
[6, с.444]
Sмт= 3,14*0,252 / 4 – 37*3,14*0,0222 / 4 = 0,035 (м2)
16)Эквивалентный диаметр межтрубного пространства равен:
dэкв.мт= (16)
[6, с.445]
dэкв.мт= = 0,235 (м)
17)Критерий Рейнольдса для межтрубного пространства:
Reмт= Wв* dэкв.мт/Мв, где
Мв — вязкость воды;
Wв– расход воды.
Мв = 0,000357(Н*сек/м2)
Wв= Gв/ Sмт= 5,556/0,035 = 158,75(кг/м2*с)
Reмт= 158,75* 0,235 / 0,000357 = 104500
18)Критерий Прандтля для межтрубного пространства равен:
Prмт= Mв*Cв/ λв, где
λв = 0,068 Вт/м*град
Cв= 4190 Дж/кг*град
Prмт= 0,000357 *4190 / 0,068 = 22
19)Критерий Нуссельта для межтрубного пространства:
Nuмт= 1,16*( dэкв.мт*Reмт)0.6 * Prмт0,33 (17)
[5, с.158]
Nuмт= 1,16*( 0,235*104500)0.6 * 220,33 = 704,64
20)Коэффициент теплоотдачи воды:
α2 = Nuмт* λв/ dэкв.мт
α2 = 704,64* 0,068 / 0,235 = 203,896
21)Коэффициент теплопередачи:
К = ___________1_____________
1/ α + 1/ α2 + b/λ+ r1* r2 , где (18)
[5, с.192]
r1, r2 – коэффициенты загрязнения воды и смеси соответственно.
r1= 0,0018 м2*град/Вт
r2= 0,0009 м2*град/Вт
К = ___________1______________________________ = 88,8
1/ 285,4+ 1/ 203,896 + 0,001/17 + 0,0018 * 0,0009
22)Площадь теплообменника выводится из формулы:
Q= K*F* (19)
[2, с.64]
F= Q/ K*
F= 152516/88.8*42.8 = 40.13 (м2)
23)Длина трубок равна:
L= F/ n*П*dср (20)
[5, с.192]
dср= (dн + dвн) / 2
dср= (0,022+ 0,02) / 2 = 0,021(м)
L= 40,13/ 37*3,14*0,021 = 16,45(м)
Расчёт теплового баланса
Приход тепла со смесью:
Q1= Gсм* Cсм* t1
Q1= 2.5*3050.32*40 = 305032 (Вт)
Приход тепла с водой:
Q2= Gв*Cв*Т1 = 5,556*4190*96 = 2234845 (Вт)
Расход тепла со смесью:
Q3= Gсм*Ссм*t2= 3050,32*2,5*60 = 457548 (Вт)
Расход тепла с водой:
Q4= Gв*Св*Т2 = 5,556*4190*89,5 = 2083528 (Вт)
Потери в окружающую среду:
Qп= 0,05*Q= 0,05*152516 = 7629 (Вт)
Результаты отражены в таблице теплового баланса:
Приход тепла, Вт
Расход тепла, Вт
Со смесью
305032
Со смесью
457548
С водой
2234845
С водой
2083528
Потери
7629
Всего:
2539877
Всего:
2548705
(2539877+2548705)/2548705=0,04=4%
Расчёт верен.
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
продолжение
–PAGE_BREAK–