Výpočet

Výpočet množstva vzduchu na výrobu 1l 50% destilátu.

Medený chladič Cu 10mm dĺžky 10m prijíma paru /50% voda 50% etanol/ teploty 90oC. Paru skondenzuje a ochladí na teplotu 40oC. Chladíme vzduchom a teplota vzduchu sa zvýši o 10oC. Koľko chladiaceho vzduchu potrebujeme na každý kilogram pary?
 

Riešenie:

Celkové teplo, ktoré má chladiaci vzduch odobrať chladiču je Q. Toto teplo rozdelíme na Q1 kondenzačné a Q2 na ochladenie kondenzátu. Kondenzát je zmesou vody a etanolu v pomere 1:1. Použijeme vzťah (Q = m . l).

Q1 = Qa + Qb = ma . la + mb . lb = 0,5 [kg] . 2,256.106 [J/kg] + 0,5[kg] . 0,8.106 [J/kg] = 1,128.106 + 0,4.106 [J] = 1,528 .106 [J]

Q1 = 1528 [kJ]

Hmota: ma=mb=0,5[kg]
Merné skupenské teplo varu: voda la=2,256.106 [J/kg], etanol lb=0,8.106 [J/kg]
Ďalším ochladzovaním odoberieme skondenzovanej zmesy teploty t1 = 90oC teplo Q2 , pričom sa kondenzačná zmes ochladí na teplotu t2 = 40oC. Toto teplo vypočítame:
Q2 = Qa+ Qb = ma . ca . (t1 - t2) + mb . cb . (t1 - t2) = 0,5 [kg] . 4180 [J/kg.K] . 50 [oC]  +  0,5 [kg] . 2470 [J/kg.K] . 50 [oC] = 104500 + 61750 = 166250 [J]
Q2 = 166 [kJ]
Merná tepelná kapacita: voda ca = 4180 [J/kg.K], etanol cb = 2470 [J/kg.K], vyduch cv=1010 [J/kg.K]
Rovnica pre celkové uvoľnené teplo je:
Q = Q1 + Q2
Teplom Q sa zohrial okolitý vzduch z teploty t3 = 10oC na teplotu t4 = 40oC. Hmotnosť vyduchu, ktorú chceme vypočítať je m, teda:
Q = m . cv . (t4 - t3)        
Dosadíme vypočítané teplo Q1 a Q2 :

m . cv . (t4 - t3) =  Q1 + Q2 

m = Q1 + Q2  /  cv . (t4 - t3) = 1528000 [J] + 166250 [J]  /  1010 [J/kg.K] . (40 [oC] - 10 [oC]) = 1694250 / 30300 = 56 [kg]

m = 56 [kg]

Merná kapacita vzduchu cv=1010 [J/kg.K], dosadené teploty vzduchu t3=10 [oC], t4=40 [oC].
Prevedieme hmotnosť vzduchu na objem pri teplote 20oC:

V = 56 . 1,125 = 62 [m3]

Na skondenzovanie a ochladenie každého kilogramu parnej zmesy treba 62 metrov kubických vzduchu s hmotnosťou 56 kilogramov. 
 
Záver:
Veľkosť tepla spotrebovaného na kondenzáciu 1l 50% alkoholu je 9 krát väčšie než teplo potrebné na ochladenie kondenzátu o 50oC.
Pri destilácii vzduchom treba rátať so zvýšením teploty v tepelne izolovanej miestnosti s objemom 62m3 o 10oC. 
V praxi však značnú časť tepla odoberú steny, zariadenie miestnosti a vetranie miestnosti. Pri destilácii s prevádzkou dvoch aparátov pracujúcich súčasne vo vetranej /mierne pootvorené okno/ miestnosti s objemom 20 m3 teplota nestúpla viac než o cca 4 - 5 oC. 
 
Poznámka:
Pomer medzi teplom na kondenzáciu a teplom na ochladenie rovnakého množstva aj zloženia destilátu pri výpočte celkových tepelných pomerov destilácie vyšiel 2,6. 
 
Výpočet veľkosti chladiacej ploc hy kondenzátora
Úlohou vzdušného chladiča je skondenzovať a ochladiť 1,2 [kg] pary /zmes etanolu a vody v pomere 1:1/ z teploty 90oC na 30oC. Vypočítané teplo na kondenzáciu pary je 528 [kJ] a ochladenie kondenzátu 200 [kJ]. Chladič je realizovaný medenou trubkou vonkajšieho priemeru 10 mm, dĺžky 10 m. Má tvar zvislej špirály s priemerom 200 mm a výškou 500 mm. Výkon chladiča by mal stačiť na rýchlosť destilácie min. 30 cm/s. 
 
Vzduchom chladený parciálny chladič s jemne nastaviteľným refluxným pomerom 0 až 8. Výkon chladiča nech je dimenzovaný tak, aby ochladil pri okolitej teplote 20oC destilát na teplotu 30oC sálaním /bez použitia ventilátora/ pri polovičnom výkone špirály a rýchlosti pary v deflegmátore min. 10 cm/s. 

Maximálna odporúčaná rýchlosť destilácie 0,5 ml/s pri plnom výkone špirály je podmienená dodržaním teploty a vlhkosti vzduchu (max. 20oC / min. 60 %) a použitím ventilátora s min. výkonom Q=0,05m3/s, Pc=33Pa, q=1,2kg/m3, otáčky=2600 1/min, príkon 21W (MEZAXIAL 3140).

Q
[kJ]		 = Q1
ohrev		 + Q2
para		 + Q3
kondenz.		 + Q4
ochlad.		 + Q5
Straty
Qa+Qb = Qa+Qb+Qc+Qd + Qa+Qb + Qc+Qd + Qa+Qb + -
4320 = 1545 + 1834 + 528 + 200 + -213
4320 = 4107 + -213
1200W = 429W + 509W + 147W + 55W + -60W
1200W = 1140 + -60W