2.6.4. Тепловой расчет

Значения теплоемкости сырья и продуктов определяем по справочнику [8, с.357]

с _ЭХГ =1,426 кДж/кг*К при Т= 20°С+273= 293 К

с _ПФ =2,382 кДж/кг*К при Т= 20°С+273= 293 К

с _Н2SO4 =3,078 кДж/кг*К при Т= 20°С+273= 293 К

с _{формаль} =2,467 кДж/кг*К при Т= 20°С+273= 293 К

Расход сырья:

ЭХГ = 0,17485 кг/с

ПФ = 0,05918 кг/с

H₂SO₄ = 0,03497 кг/с

Расход продуктов:

Формаль = 0,2152 кг/с

Кислотный слой = 0,03012 кг/с

Отгон = 0,01076 кг/с

Закон сохранения энергии для теплового баланса можно представить в виде [6, с.62]:

Q_С + Q_Т + Q_М = Q_П + Q_Н+ ∆Q_ТП

где Q_С – физическая теплота потоков сырья, кДж;

Q_Т – тепло, вводимое в процессе потоками теплоносителя, кДж;

Q_М – тепло, выделяющееся при перемешивании мешалкой, кДж; Q_М= 0

Q_П – физическая теплота продуктовых потоков, кДж;

Q_Н – теплота, затраченная на нагрев реактора, кДж;

∆Q_ТП – потери в окружающую среду, кДж.

1. Физическую теплоту потоков сырья рассчитываем по формуле (2.14.), [6, с.62]:

Q_С = G*с*t, (2.14.)

где G –масса вещества, кг;

с –теплоемкость, кДж/кг* К;

t – температура вещества, К.

Q_СЭХГ = 19041,13*1,426*40= 1086106 кДж

Q_СПФ = 3548,03*2,382*40= 338056,3 кДж

Q_{С Н2SO4} = 1540,56*3,078*40= 189673 кДж

Q_С = 1086106+338056,3+189673 = 2277693 кДж

2. Физическую теплоту продуктовых потоков рассчитываем по формуле (2.14.), [6, с.62]:

Q_{Пформаля} = 172644,1*2,467*40= 17036519 кДж

Q_{П к.с.} = 3851,4*9,353*40= 1440886 кДж

Q_{Потгона} = 2534,22*3,893*40= 394628 кДж

Q_П = 17036519+1440886+394628 = 18872033 кДж

3. Для периодических реакторов, теплоту затраченную на нагрев реактора рассчитываем по формуле (2.15.), [6, с.62]:

Q_Н = G_А*с*(t_к-t_н), (2.15.)

где G_А – масса аппарата, кг;

с – теплоемкость конструкционного материала, кДж/кг* К;

Для стали 08 ТУ 14-1-3172-81 с= 0,503 кДж/кг*К

t_к, t_н – конечная и начальная температуры аппарата, К.

Отсюда

Q_Н = 12500 кг* 0,503 кДж/кг* К* (473-293) = 1131750 кДж

4. Потери тепла в окружающую среду рассчитываем по формуле (2.16.):

∆Q_ТП =Q_С * 0,01 (2.16.)

∆Q_ТП = 2277693 кДж *0,01 = 22777 кДж

5. Тепло подводимое теплоносителем рассчитываем по формуле (2.17.):

Q_Т = Q_П + Q_Н + ∆Q_ТП - Q_С (2.17.)

Q_Т = 18872033 + 1131750 + 22777 – 2277693 = 17748867 кДж

Тепловой баланс процесса представлен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Тепловой баланс процесса

Приход		Расход
Наименование тепловых потоков	Количество, кДж	Наименование тепловых потоков	Количество, кДж
Тепло подводимое сырьевыми потоками Тепло подводимое теплоносителем	2277693 17748867	Тепло подводимое продуктовыми потоками Тепло на нагрев реактора Потери тепла в окружающую среду	18872033 1131750 22777
Итого:	20026560	Итого:	20026560

Коэффициент теплопередачи рассчитываем по формуле (2.18.), [7,с.312]:

К= _____1__________ , (2.18.)

(1/₁ + ∑σ / + 1/ ₂)

где ₁ - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к разделу стенки,Вт/ (м²К);

₂- коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю, Вт/ (м²К);

σ – толщина стенки (0,025 м);

 – коэффициент теплопроводности материала стенки (5,2 Вт/мград).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю рассчитываем по формуле (2.19.), [15,с. 64]:

₂ = Nu*/D, (2.19.)

где - коэффициент теплопроводности воды (0,675 Вт/мК);

D- диаметр аппарата.

Критерий Нуссельта находим по формуле (2.20.), [15,с. 64]:

Nu = 0,023  Re^0,8 Р_r^0,4 (2.20.)

Отсюда находим ₂:

₂ = 0,023  Re^0,8 Р_r^0,4 */ D

Критерий Рейнольдса, определяем по формуле (2.21.):

Re = d, (2.21.)



где d - диаметр рубашки аппарата (0,3 м);

 - скорость воды в рубашке, (0,5 м/с);

- плотность воды,(1*10³ кг/м³);

 - динамическая вязкость воды, (0,375*10^-3 кгс/м² );

Re = 0,30,51000 = 40000

0,00375

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле (2.22.):

Р_r = 3600с_рg , (2.22.)

 

где d - диаметр лопасти мешалки, м;

 - динамическая вязкость воды, (0,375*10^-3 кгс/м²);

с_р - теплоемкость при постоянном давлении, (4,19*10³ кДж/кгК);

g - ускорение силы тяжести, м/с^2.

Р_r =(3600*4,19*10³ *0,375*10^-3 *10)/0,675=83800

Критерий Нуссельта:

Nu= 0,023  40000^0,8 83800^0,4 = 10296

Коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю:

₂ = 10296*0,675/2,8=2482,07

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к разделу стенки:

₁ = 0,87/ D*( *n*d ² /) ^0,62 (3600*Ср*µ*g/) ^0,33

где  - коэффициент теплопроводности материала (5,2 Вт/мК);

D - диаметр аппарата (2,8м);

 - плотность массы, (1,72 кгс² /м ⁴);

n - число оборотов мешалки (60);

d - диаметр лопасти мешалки, (0,9м);

 - динамическая вязкость, (0,375*10^-3 кгс/м²).

Re= *n*d ² /=1,72*60*0,9²/0,375*10^-3 =22291,2

₁ = 0,87(5,2/2,8)*22291,2 ^0,62 83800 ^0,33 = 33793

∑σ / = 0,025+0,014/5,2 = 0,0075

Коэффициент теплопередачи:

К=1/(1/33793+ 0,0075+ 1/2482,07)=126,1 Вт/(м²К)

Поверхность теплообмена рассчитываем по формуле (2.23.), [7, с.277]:

F = Q / К*∆t_ср*τ, (2.23)

где Q – тепло подводимое теплоносителем;

К - коэффициент теплопередачи;

∆t_ср - температура воды в зависимости от давления;

τ – время.

F=17748867/126,1*142,9*36=27,4 м²

Из этого следует, что данный реактор по тепловому балансу подходит, так как площадь теплообмена реактора составляет 35 м² (27,4 < 35)