книги из ГПНТБ / Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие

Г л а в а V

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ V.l. Энергетический баланс реактора

Практически все основные химико-технологические про­ цессы сопровождаются поглощением или выделением тепло­ ты, изменением температуры или концентрации веществ и совершением работы над содержимым реактора или против внешних сил. Подведенную извне энергию (чаще всего в виде теплоты) обозначаем Е~, отведенную из системы энергию — Е+, работу, совершенную над системой, — А~, а работу системы — А-*. Кроме указанных величин, состояние реак­ ционной системы характеризуют величиной U~ — внутрен­ ней энергией входных потоков реактора и величиной U+ — внутренней энергией выходных потоков реактора. Согласно первому началу термодинамики, или закону сохранения и превращения энергии, в -применении к открытым системам справедливо соотношение

энергия обладает свойствами потенциала, т. е. ее изменение Д[У = '£/+ — U ~ , именуемое для краткости энергией процес­ са, определяется физико-химическими характеристиками сис­ темы в начале и в конце процесса, или состоянием выходных и входных потоков реактора, и не зависит от пути процесса или от числа и природы промежуточных стадий процесса в реакторе. Из свойств внутренней энергии как потенциала следует аддитивность внутренней энергии в сложных процес­ сах, проявляющаяся в том, что если процесс можно расчле­

i=l

•60

Экспериментально может быть измерена лишь энергия процесса, но не может быть измерена накопленная внутрен­ няя энергия вещества. Поскольку в физико-химических эк­ спериментах или в химико-технологических процессах не про­

Обычно это реальное равновесное фазовое состояние веще­ ства, которое оно имеет при стандартном давлении и темпе­ ратуре, будучи химически чистым. Если же рассматривается

либо равновесную смесь форм при стандартных давлении и температуре. Для многих веществ можег быть указано не­

которых отсчитываются термодинамические функции, отве­

энергия) задана при температуре Г относительно базисных температур Го, Т\ и Т\. В дальнейшем перечисленные функ­

61

Как видим, мольную внутреннюю энергию любого веще­ ства можно рассматривать как сумму двух слагаемых —

ных условиях. Обозначая соответствующую энергию реакции

является работа против сил внешнего давления, энергетику

62

А Н° (Г) — энтальпия нагревания моля /-го вещества от температуры Т\ до Т, мольное изобарное теплосодержание /'-го вещества при температуре Т с базисом Т{; nm — число грамм-атомов т - го элемента, требуемых для получения моля /-го вещества; Н°т —• стандартная энтальпия т - го элемента, входящего в формулу /-го вещества; ^Щ,- ~ стандартная энтальпия /-го вещества, энтальпия реакции синтеза /-го ве­ щества из элементов при стандартных условиях. Величину АЯ^. нередко обозначают А ^

Принимая во внимание, что наиболее распространенным видом подводимой или отводимой энергии при осуществлении химико-технологических процессов является теплота, получа­ ем вместо (V.6) развернутое уравнение теплового баланса реактора, работающего в изобарных условиях:

ная энтальпия t-й реакции (при общем числе реакций R); п~ и nf — число молей /-го вещества в начале и конце

процесса (на входе и выходе реактора); Іт и If — моль­ ные теплосодержания /-го вещества с базисом Ти заданные

63

для условий начала и конца процесса (на входе и выходе реактора).

Слагаемые уравнения (V. 12) называют статьями теплово­ го баланса.

Если вещества реагируют в растворенном состоянии, то должна учитываться энтальпия растворения каждого веще­ ства (с учетом знака), что находит отражение в величине теплосодержания /,-, являющейся в общем случае не только функцией температуры, но также функцией давления и со­ става растворов.

Переходим к более подробному рассмотрению методов расчета статей теплового баланса реактора.

§ У.2. Теплопередача в химических реакторах

Потоки теплоты Q~ или Q+ в (V. 12) обусловлены теп­ лообменом реактора с окружающей средой и обеспечиваются с помощью теплопередачи от внешней среды к реактору или, наоборот, за счет теплопередачи от реактора к внешней среде. В первом случае осуществляется подогрев содержимого реак­ тора (теплоподвод), а во втором— охлаждение (теплоотвод).

Теплоподвод и теплоотвод в реакторах подразделяют по их инженерному оформлению на организованный, или конт­ ролируемый, и неорганизованный, или неконтролируемый. Неконтролируемый теплоотвод называют теплопотерями, а неконтролируемый теплоподвод — потерями холода. Для уменьшения величины неконтролируемого потока теплоты че­ рез стенку аппарата необходимо применить эффективную теплоизоляцию.

Потери тепла (или холода) могут происходить и за счет негерметичности аппаратов, когда нагретые (охлажденные) газы имеют возможность просачиваться в окружающую ат­ мосферу. В некоторых случаях значительные потери тепла обусловлены испарением воды из нагретых водных раство­ ров. Указанные теплопотери устраняют путем герметизации аппаратуры.

Контролируемую теплопередачу в химической промыш­ ленности осуществляют чаще всего с помощью теплообмен­ ников. Различают теплообменники внутреннего и внешнего теплообмена.

Теплообменники внутреннего теплообмена устраивают в виде змеевиков, трубчатых теплообменников, горелок по­

64

VA,а и ѴЛ,б, с той лишь разницей, что внутри трубчатки движутся реактанты и греющий агент (обычно газ) омывает ее снаружи. При этом нередко в пространстве, занятом грею­ щим газом, устанавливают горелки и устраивают топку. Та-

Газ

\

Воздух МѴіГ~~ Жидкости

\

Рис. V . l . Конструкции теплообменников внутреннего теплообмена:

а— змеевиковый; б — трубчатый; s — горелка погружного горения

кую теплопередачу применяют, например, при осуществлении процессов конверсии метана, крекинга нефтепродуктов и дру­ гих эндотермических процессов.

Нередки случаи, когда осуществляется экзотермическая реакция, но для ее начала требуется подогрев реактантов. Тогда в качестве греющего агента используют разогретые продукты реакции, а подогреваемым агентом являются исход­ ные вещества. Обычно теплопередачу в этом случае осуще­

пературы реактантов по мере прохождения их через трубку Фильда.

Надо отметить, что реакционное пространство трубки Фильда (заштрихованная часть) относительно невелико, по­ этому нередко подогрев реактантов осуществляют через стен­ ку не внутренней, а внешней трубки, помещая снаружи труб­ ки Фильда катализатор. Использование тепла реакций для подогрева холодных реактантов называют рекуперацией тепла.

Рис. V.2. Схема а — двойной теплообменной трубки-г б — распределение температуры по длине трубки

Основным способом теплопередачи в химических реакто­ рах является конвективная теплопередача, сочетаемая с кондуктивной теплопередачей через стенку. Общее уравнение конвективно-кондуктивного теплообмена

эффективная разность температур теплопередачи; т — время. Из (V. 13) следует, что тепловая производительность теп­ лообменника возрастает при увеличении поверхности тепло­ передачи F. Обычно это достигается либо применением тру­ бок малого диаметра, либо оребрением теплопередающих поверхностей. При этом действует правило, что теплопередающие ребра следует направлять в сторону среды с мень­

шим коэффициентом конвективной теплопередачи. Коэффициент теплопередачи К рассчитывают по формуле

*

(V.14)

66

вдоль любого из путей / окажется переменной величиной, и тогда At в (V.13) должна рассматриваться как средняя ве­ личина:

В зависимости от относительного направления векторов сопряженных потоков, измеряемого углом ф между указан­ ными векторами, различают прямоток (<р = 0), противоток (ф=180°) и перекрестный ток (ф = 90°).

68

На рис. Ѵ.З показаны прямоток и противоток. Очевидно,

при прямотоке началу траектории I отвечает разность темпе­ ратур М^:

относительного направления движения конвективных сред.

При анализе (V.21) Б. H . Девятовым было показано, что средняя эффективная разность температур Д^ при прочих

69