лекции / все лекции по охт
.pdfВ этих уравнениях и входные
q |
|
k |
k, вх |
|
|
и выходные потоки
q |
|
l |
l, вых |
|
|
• (внешние потоки);
q j,ист j
энергетические потоки (источники),
обусловленные протеканием в системе процессов с тепловыми эффектами, главным образом, это химические превращения. Теплота, выделившаяся или поглощенная в реакции, зависит от ее теплового эффекта Qp и глубины протекания реакции - степени превращения x исходного компонента. В уравнении (1) стехиометрический коэффициент перед А равен A и
• qp = Qp NA0 xA/ A (кДж). Для сложной реакции: |
||
• |
Qpj NA0 xAj |
|
q p |
||
|
||
j |
||
|
Aj |
|
• (индекс j относится к j-му стехиометрическому уравнению).
Изменение Т слабо отражается на величине Hp (и Qp соответственно). Это обусловлено параллельным изменением энтальпии как исходных веществ, так и продуктов реакции. Допущение Hp const означает также малое влияние температуры на разность теплоемкостей входного и выходного потоков. Можно принять средние значения Hp (Qp) и cр
(удельной теплоемкости) в рабочем температурном интервале и использовать уравнения для расчета входных и выходных тепловых потоков :
q |
G |
с T |
; |
||
вх |
|
вх |
р вх |
|
|
q |
|
G |
|
c T . |
|
вых |
вых |
p |
вых |
||
Пример расчета выходной температуры с использованием теплового баланса
•Дано: реакторный узел окисления диоксида серы. Реакционная смесь с начальной
концентрацией SO2 С0 и объемным расходом V проходит последовательно ряд теплообменников и слои катализатора,
Известны температура и степени превращения в каждом слое. Найти Т вых.
Поместим реакторный узел в «оболочку» и будем считать его "расчётным элементом
ХТС", не вникая в параметры состояния потоков, которые циркулируют внутри него. Реакция протекает с малым изменением объема реакционной смеси (несколько процентов). Составим уравнение теплового баланса для этого расчётного элемента:
VcpTвх + QрVC0хк = VcрTвых.
После очевидного преобразования получим:
Твых = Твх + (QрC0/cр)хк или Твых = Твх + Тад хк
ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ БАЛАНСОВ
Существует несколько способов представления материального баланса ХТС:
•На технологическую схему ХТС можно нанести показатели потоков с указанием расхода, температуры, концентрации;
•Табличная форма - наиболее информативное представление состояния ХТС. В сводной таблице отражены и просуммированы все статьи или показатели входных и
выходных потоков. Подобные таблицы приводят для отдельных элементов, подсистемы и ХТС в целом. Таблица основная форма представления результатов балансовых расчётов, входящая обязательно в техническую документацию производства.
Таблица теплового баланса узла окисления аммиака
Приход |
|
Расход |
|
|
|
|
|
|
|
статья |
количест |
статья |
количест- |
|
во |
во |
|||
|
|
|||
|
теплоты, |
|
теплоты, |
|
|
кДж |
|
кДж |
|
|
|
|
|
|
С аммиачно воздушной |
|
Нитрозные газы (на |
|
|
смесью авс |
|
|
||
|
выходе из котла |
|
||
Теплота реакции |
|
|
||
окисления аммиака |
|
утилизатора) |
|
|
Теплота окисления NO |
|
На производство пара |
|
|
в NO2 |
|
|
||
(в котле утилизаторе) |
|
Потери в окружающую |
|
|
|
|
|
||
|
|
среду |
|
|
|
|
|
|
В с е г о |
В с е г о |
Графическое оформление результатов балансов
ввиде диаграмм
•Преимущества: наглядное представление. Ширина потоков между элементами примерно пропорциональна величине демонстрируемого показателя. Такие диаграммы используются чаще для презентаций, чем для количественного анализа процесса.
Тепловая диаграмма узла окисления аммиака: 1- реактор окисления, 2- котел-утилизатор.
ТЕПЛОВОЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
•Состав энергетических потоков в ХТС показан на рисунке.
Тепловой (энергетический) КПД это отношение полезно затраченной теплоты к суммарному его количеству, введенному в ХТС:
тепл |
|
Qп |
Qвэр |
|
|
Qт Qэкз Qэл/э Qсыр+мат
α-доля ВЭР, образующихся в элементах ХТС (котлы-утилизаторы) и расходуемых внутри или вне системы
Лекция 10
СВОЙСТВА ХТС
Кроме технологического анализа работы ХТС как совокупности взаимодействующих между собой элементов и связей, необходимо исследовать свойства ХТС. Результатом этого взаимодействия может быть появление новых свойств, которые отсутствовали до этапа синтеза ХТС.
Очевидные свойства ХТС:
1)Единая цель функционирования. Все элементы ХТС работают в режимах, обеспечивающих в целом получения продукта с максимальной эффективностью, т.е. как одна команда.
2)Зависимость режима одного аппарата (элемента) от режима других. Характерный пример: система с фракционным рециклом. Работа узла разделения продукционной смеси зависит от эффективности реактора. Чем лучше он работает (больше выход целевого продукта) тем меньше нагрузка на разделение. И наоборот, чем лучше разделение, тем более выгодные условия для работы реактора.
•3) Усовершенствование одного узла (элемента) улучшает эффективность ХТС в целом за счет выигрыша в другом узле системы. Это свойство вытекает из предыдущего и обусловлено взаимозависимостью режимов ХТС.
•4) Оптимальный режим одиночного элемента и работающего в системе могут различаться.
•Пример. Одиночный реактор ИС-Н.
Пусть в реакторе протекает реакция 1-го порядка, А = R. Заданы производительность ПR и состав сырья – содержание основного компонента А С0. Определим - при какой степени превращения х затраты З (руб/с) на процесс будут минимальны. Они
складываются из капитальных затрат на реактор – Зр (руб/с) и расходов на сырье ЗС, руб/с):
• З = Зр + ЗС = ЦрVр + ЦАV0 С0