4.1 Теплові розрахунки хіміко-технологічних процесів. Складання теплових балансів

Основою енергетичного балансу є закон збереження енергії.

Для енергетичного балансу необхідно враховувати поглинання або виділення тепла, зміну температури або концентрації речовин, підведену з зовні і відведену із системи енергію, роботу, здійснену над системою, роботу системи.

Крім вказаних величин, стан реакційної системи характеризується внутрішньою енергією речовинних вхідних потоків в систему і вихідних.

Одним із основних видів енергетичного балансу являється тепловий баланс, який складається на основі матеріального балансу. Теплові баланси також, як і матеріальні, мають статті надходження і витрат:

(4.1)

В статтях надходження враховують фізичну теплоту речовин, що надходять в апарат (тепловміст вихідних матеріалів) – Q₁; теплоту екзотермічних реакцій – Q₂; теплоту, що підводиться з зовні – Q₃. в статтях витрат враховують: фізичну теплоту продуктів, що виходять з апарату – Q₄; теплоту ендотермічних реакцій – Q₅; втрати тепла в навколишнє середовище – Q₆; теплоту фазових переходів – Q₇ (в залежності від фізичної сутності процесу Q₇ може входити як в статті витрат, так і надходження); невраховані втрати - Q_n.

Визначення кожної із цих статей і являється головною задачею при складанні теплових балансів:

(4.2)

де - маса вихідних речовин або продуктів реакції (величини, що

визначаються із матеріального балансу);

- середня теплоємність при заданій температурі (таблична величина);

- температура, К;

- визначається за законом Гесса;

- визначається як втрати тепловмісту теплоносієм:

для гріючої води - (4.3)

для пари - (4.4)

де - теплота конденсації, або розраховується за формулою теплопередачі

через гріючу стінку

, (4.5)

де - коефіцієнт теплопередачі;

- поверхня теплопередачі;

- різниця температур гріючої і нагріваючої речовини;

- тривалість перебування реакційної суміші в зоні теплообміну;

- також, як і , розраховується за формулами теплопередачі через

стінку;

- визначається як втрата тепловмісту компонентами системи при

фазових перетвореннях (випаровування, конденсації, розчинення і т.д.)

(4.6)

де - теплота фазового переходу;

- часто визначають як різницю

(4.7)

Тепловий баланс складається так, як і матеріальний, на одиницю цільового продукту, одиницю вихідної сировини або на задану продуктивність. Результати зводяться в таблиці, аналогічні таблицям матеріального балансу.

Необхідно зазначити, що енергетичний баланс не дозволяє виявити елемент системи, що знижує степінь її енергетичної досконалості, не дає змоги провести якісну оцінку цих елементів, так як всі види енергії розглядаються без врахування різниці їх якості, тобто практичної придатності. Оцінка якості різних видів енергії і встановлення джерел небажаних втрат досягається проведенням ексергетичного аналізу з термодинамічних позицій.