- •Теоретические основы химической технологии топлива и углеродных материалов Методические указания
- •Содержание
- •Введение
- •1. Практическое решение задач термодинамического анализа процессов химической технологии топлива и углеродных материалов
- •1.1 Применение соотношений термодинамики в расчетах процессов
- •Основы теплового баланса процессов химической технологии топлива и получения углеродных материалов
- •Расчет теплот химических реакций процессов переработки топлива и получения углеродных материалов
- •Расчет теплоты сгорания топлива и его температуры горения
- •Определение благоприятных условий протекания химических реакций процессов переработки топлива и получения углеродных материалов
- •350072, Краснодар, Московская, 2а,
- •350058. Краснодар. Старокубанская 88/4, типография КубГту
Основы теплового баланса процессов химической технологии топлива и получения углеродных материалов
Для расчета затрат энергии на производство составляют энергетический баланс, учитывающий расходы электроэнергии, технологического пара и воды на получение продукта. Энергетический баланс составляют на основе закона сохранения энергии.
Обычно в химико-технологических процессах составляют тепловой баланс. При этом должна быть учтена вся теплота, подводимая в аппарат и выделяющаяся (поглощающаяся) в результате химической реакции или физического превращения; теплота, вносимая каждым компонентом как входящим в процесс или аппарат, так и выходящим из него, а также теплообмен с окружающей средой, в общем случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:
Qвх + Qф´ + Qр ´+ Qнагр. = Qвых + Qф ´´ + Qр ´´+ Qохл (1)
Qвх и Qвых |
- |
соответственно количество теплоты, вносимое в аппарат или выносимое из него жидкими и газообразными веществами;
|
Qф´ и Qф ´´ |
- |
теплота физических процессов, происходящих с выделением (') и поглощением (") теплоты; |
Qр ´ и Qр ´´ |
- |
теплота экзотермических (') и эндотермических (") химических реакций;
|
Qнагр. и Qохл |
- |
соответственно количество теплоты, подводимое в аппарат извне для нагрева реакционной смеси и отводимое через холодильники для поддержания заданного температурного режима.
|
Определение каждой из величин уравнения (1) является одной из главных задач при расчете технологического процесса и проектировании химической аппаратуры.
Величины Qвх и Qвых рассчитывают по уравнениям;
(2)
m,m |
- масса (объем, количество) исходных реагентов и продуктов реакции, прошедших через аппарат в единицу времени кг/с, ( м3/с, кмоль/с);
|
c..c, |
- средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж/(кг . К), кДж/(м3.К), - кДж/кмоль . К) К ; |
tвх, tвых |
- температура входного и выходного потоков; |
рвх,рвых |
- число компонентов, участвующих в процессе.
|
Теплоты фазовых переходов реагентов в ходе процесса Qф´ и Qф ´´, которые в зависимости от знака теплового эффекта фазового перехода учитываются в приходной или расходной частях баланса, рассчитывают по равнению :
(3)
тфi |
- масса (объем, количество) i- реагента, участвующего в фазовом переходе, кг/с (м3/с, кмоль/с);
|
|
- тепловой эффект фазового перехода i- компонента. кДж/кг (кДж/м3, кДж/кмоль). |
где
Теплоту реакции определяют по уравнению ;
(4)
mp |
- масса (объем, количество) i -реагента, вступившего в реакцию или образовавшегося в ходе реакции, кг/с (м3/с, кмоль/с); |
|
qp |
- тепловой эффект реакции, кДж/кг (кДж/м3, кДж/моль). |
Расчет Qнагр. и Qохл ведут по основному уравнению теплопередачи, согласно которому количество переделанной теплоты Q равно :
Q=КТF∆Т, (5)
КТ |
- коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2 . К); |
F |
- площадь поверхности теплообмена, м2; |
∆T |
- разность температур теплоносителя и реакционной зоны (движущая сила процесса теплопередачи). |
Из уравнения теплового баланса можно рассчитать любой из параметров при известных остальных. Технолога чаще всего интересуют tвх, tвых, F.
Решение типовой задачи
Задача. Определить количество тепли Qa , которые несут с собой 200 mj газа (приведенных к нормальным условиям), состоящего из 25 % N2 и 75 % Н2, при 400°С. Если средние объемные теплоемкости Н2 и N2 при этой температуре составляют :
cH2 = 1,301 кДж/м3; cN2 = 1.320 кДж/м3 .
Решение. В 200 м3 содержится
Получим: Q = 400(50-1,320+150- 1,301) = 104400 кДж
или Q =200 .400.(0,25 .1,320 + 0,75 . 1,301) = 104400 кДж.
Задачи для самостоятельного решения Задача 1. Определить количество тепла Q, которое несут с собой 400 м3 газа ( приведенных к нормальным условиям), состоящего из 50 % N2, и 50 % H2, при 400 °С, если средние объемные теплоемкости Н2 и N2 при этой температуре составляют: сн2 1,301 кДж/м3; сN2= 1,320 кДж/м3.
Ответ: 209680 кДж
Задача 2. Определить количество тепла , которое несут с собой 800 м3 газа (приведенных к нормальным условиям), состоящего из 30 % N2, и 70 % H2, при 400 °С, если средние объемные теплоемкости Н2 и N2 при этой температуре составляют:
cH2 = 1,301 кДж/м3; cN2 = 1,320 кДж/м3.
Ответ: 418144 кДж/м3
Литература: [3, с. 42-44].