ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

Назначение: определение расходов и расходных коэффициентов теплоносителей и хладоагентов, расчет поверхности теплообмена, необходимой для протекания процесса в регламентных условиях.

Исходные данные:

1. Данные материального баланса

2. Сведения о температурном режиме

Для непрерывного процесса – температура на входе и выходе из аппарата.

Для периодического процесса – температурный график процесса (зависимость температуры в аппарате от времени).

3. Химическая схема синтеза с указанием основной и и всех побочных реакций и выходов продуктов во всех реакциях.

4. Сведения о физико-химических превращениях, сопровождающих реакции или протекающих самостоятельно.

5. Тепловые характеристики исходных веществ, реакционных масс или их компонентов, а также теплоносителей и хладоагентов.

Порядок выполнения теплового расчета

Т епловой расчет выполняется в виде теплового баланса:

Для непрерывных процессов расчеты проводятся на часовую производительность в кДж/сек или кКал/час.

Для периодических процессов баланс составляется в кДж или кКал. В основе теплового расчета периодического процесса лежит температурный график. Поверхность теплообмена рассчитывается для стадии с максимальной тепловой нагрузкой.

Рассмотрим составные части теплового баланса.

Q₁ – теплосодержание веществ в аппарате в начале процесса (для периодического процесса); тепло, вносимое с исходными веществами (для непрерывных процессов):

где G_н [кг] или [кг/час] – масса исходных веществ;

с_н [ккал/кгград] – теплоемкость исходных веществ;

t_н [^oC] – температура исходных веществ (в начале периодического процесса).

Величины G_н берутся из данных материального расчета, значение t_н задаются регламентом процесса.

Т еплоемкости твердых и жидких веществ могут быть вычислены по формуле:

где с_n – атомная теплоемкость;

n – число атомов данного элемента в молекуле;

М – молекулярная масса соединения.

Т еплоемкости растворов при отсутствии экспериментальных данных могут быть определены по формуле:

где c_i – удельные теплоемкости компонентов в растворе;

g_i –содержание компонентов в % массовых.

Q₄ – теплосодержание веществ в аппарате в конце процесса (для периодического процесса); тепло, уносимое с продуктами реакции (для непрерывных процессов):

Расчеты проводятся аналогично расчетам Q₁.

Q₃ – тепловой эффект процесса.

где Q_pi – теплота химической реакции;

Q_фхп – теплота физико-химических превращений.

Q₅ – тепло, расходуемое на нагрев аппарата или тепло, относимое от аппарата при охлаждении.

где G_апп – масса аппарата;

с_апп – теплоемкость материала аппарата;

t_к^апп – конечная температура аппарата;

t_н^апп – начальная температура аппарата.

Величина Q₅ рассчитывается только для периодических процессов для стадий нагревания и охлаждения. Для непрерывных процессов Q₅=0.

Q₆ – теплопотери в окружающую среду с поверхностей аппарата, которые не покрываются поверхностью теплопередачи. Эта величина рассчитывается для температур выше 100^оС.

где  – коэффициент теплоотдачи от нагретой поверхности к воздуху;

F – поверхность;

τ – время;

t_апп – температура поверхности аппарата;

t_в – температура окружающей среды .

При очень высоких температурах (t > 200^оС) нагретая поверхность аппарата изолируется. В этом случае рассчитывают толщину слоя изоляции.

Q₂ – тепло, которое необходимо подвести к аппарату или отвести от него для протекания процесса в регламентных условиях.

Тепловой баланс рассчитывается относительно Q₂. Если Q₂ > 0, то необходим подвод тепла; если Q₂ < 0, то необходим отвод тепла.

Для периодических процессов величину Q₂ рассчитывают для всех стадий теплообмена в соответствии с температурным графиком процесса.

Расчет теплоты химической реакции.

Если имеются экспериментальные данные по тепловому эффекту (энтальпии) реакции, то каких-либо дополнительных расчетов не требуется. Если такие данные отсутствуют, то необходимо рассчитать тепловой эффект реакции.

Рассмотрим следующую химическую реакцию:

aA + bB = cC + dD

Если известна удельная теплота данной реакции q_p (теплота образования вещества С), то тепловой эффект процесса определяется по формуле:

где G(C) – масса вещества С [кг];

q_р – теплота образования вещества С [ккал/моль];

M_r(C) – молярная масса вещества С.

Е сли экспериментальные данные отсутствуют, то расчете теплоты реакции ведут по закону Гесса через теплоты образования соединений:

где

Σq_к – суммарная теплота образования продуктов реакции [ккал/моль];

Σq_н – суммарная теплота образования исходных веществ [ккал/моль].

В данном случае:

q_р = q^o(C) + (d/c)q^o(D) – (a/c)q^o(A) – (b/c)q^o(B)

Теплоты образования многих веществ приведены в справочной литературе. Следует помнить, что теплоты образования и энтальпии образования имею противоположные знаки: q^o(C) = - ΔH(C).

Если экспериментальные данные по теплоте образования отсутствуют, то эти величины рассчитывают с использованием величины теплоты сгорания:

где q^o – теплота образования [ккал/моль];

n_a – число одноименных атомов в молекуле;

q_a – теплота сгорания 1 г-атома элемента [ккал];

q^сг – теплота сгорания соединения [ккал/моль].

Теплоты сгорания элементов приведены в справочной литературе.

Теплоты сгорания органических соединений в жидком состоянии могут быть рассчитаны приблизительно по формуле Карраша:

где n – число электронов, которое перемещается при полном сгорании соединения;

Δζ – тепловая поправка на элемент структуры или заместитель;

26.05 – тепловой эквивалент сгорания 1 г-экв электронов.

Предполагается, что при сгорании 1 атома атома углерода в углеводородах перемещается 4 электрона. В том случае, если атом углерода связан с электроноакцепторным заместителем, происходит перенос 3-х электронов. Примерами таких соединений могут служить фенол, бензолсульфокислота, хлорбензол, нитробензол. При сгорании атома углерода, связанного с аминогруппой, происходит перенос 4-х электронов.

Пример расчета теплоты сгорания фенола:

Число переносимых электронов: n = 45 + 31 + 15 = 28

Поправка на фенольный гидроксил: Δ(ОН) = +3.5

q^сг(С₆Н₅ОН) = 26.0528 + 3.51 = 732.9 ккал/моль.

Величины тепловых поправок приведены в литературе.

Если вещество находится не в жидком, а в другом агрегатном состоянии, то необходимо учитывать удельную теплоту фазового перехода.

Теплота испарения может быть рассчитана по формуле:

где Т_к – температура кипения в ^оК;

М – молекулярная масса.

Теплота плавления может быть рассчитана по формуле:

где К=5-7 для неорганических соединений;

К=2-3 для элементов;

К=13±3 для органических соединений

Т_пл – температура плавления в ^оК;

М – молекулярная масса.

Расчет поверхности теплообмена.

П осле того как определены величины Q₁, Q₃, Q₄, Q₅ и Q₆, рассчитывают величину Q₂, из которой определяют необходимую поверхность теплообмена:

где К – коэффициент теплопередачи [ккал/м²градс];

Δt_ср – средняя разность температур теплоносителя и реакционной массы в аппарате [град];

τ – продолжительность операции [с].

Величину поверхности теплообмена, F, рассчитывают для каждой стадии процесса в соответствии с температурным графиком. Поверхность теплообмена в аппаратах лимитируется ГОСТом или НТД на соответствующие аппараты. Выбирают максимальное расчетное значение поверхности теплообмена. Если расчетное значение меньше или равно заявленной в НТД поверхности теплообмена, то аппарат удовлетворяет условиям теплообмена. Если расчетное значение превышает заявленное в НТД значение, то необходимо рассматривать возможность увеличение поверхности теплообмена. Можно использовать дополнительный змеевик. В этом случае определяют геометрические размеры и число элементов поверхности теплообмена, например, число витков змеевика.

Поверхность витка змеевика определяется по формуле:

где d_витка – диаметр витка змеевика;

d_тр – диаметр трубы змеевика.

Число витков змеевика определяется по формуле:

Е сли поверхность теплообмена увеличить нельзя, то необходимо пересчитывать время теплообмена (продолжительность операции):

После этого проводится новый технологический расчет для данной стадии, а затем тепловой расчет.

Если процесс проводится в открытых аппаратах, и некоторая часть жидких веществ испаряется, то следует учитывать тепло, идущее на испарение:

где G – масса испаряемой жидкости [кг];

r – теплота испарения [ккал/кг].

Исходя из величины Q₂, рассчитывают расход соответствующего теплоносителя.

При подводе тепла с острым паром уравнение теплового баланса имеет вид:

Отсюда определяют расход греющего пара, D.