lektsii_bav_Tovkusм

1 кал = 4,1868 Дж; 1 Дж = 0,238846 кал.

Для непрерывных процессов расчёт ведётся на 1 час работы аппарата, для периодических – на 1 операцию.

где G – исходное количество i-го вещества на начальной стадии,

срi – теплоёмкость i-го вещества, Т – температура.

где G – исходное количество i-го вещества на конечной стадии,

срi – теплоёмкость i-го вещества, Т – температура.

Теплоёмкость берётся из экспериментальных данных, но в ряде случаев она неизвестна, тогда надо как-то её оценить. Необходимо обращать внимание на размерность теплоёмкости: нам нужна удельная теплоемкость в Дж/кг∙град; часто встречается молярная теплоёмкость в Дж/моль∙град, тогда её нужно разделить на молярную массу, чтобы получить удельную теплоёмкость. Также нужно обращать внимание на агрегатное состояние вещества.

Вычисление теплоёмкость по аддитивности (молекулярная теплоёмкость).

где сi – атомная теплоёмкость, ni – число атомов данного вида.

Таблица теплоёмкостей различных атомов.

Пример: глицерин имеет следующую брутто формулу С3Н8О3

Рассчитаем теплоёмкость:

Ср = 3∙11,72 + 8∙17,99 + 3∙25,1 = 254,38 Дж/моль∙град, из справочника ср глицерина = 223,1 Дж/моль∙град.

Для газов ср рассчитывается: ср = а + b∙T + c∙T2 + d∙T3

a, b, c, d – групповые составляющие для каждого вещества.

Q3 = Qp + Qф-х пр.,

где Qp – тепловой эффект реакции;

Qф-х пр. – тепловой эффект физико-химических процессов.

Для расчёта теплового эффекта процесса, нужно знать тепловой эффект реакции. Он определяется по закону Гесса или через энтальпии образования конечных и исходных веществ, или через теплоты сгорания.

;

.

Пример:

С6Н6 + Сl2→ С6Н5Сl + НСl

Нf, кДж/моль

Н=(10,79 + (- 92,31)) – (49,08 + 0) = - 130,55 кДж/моль

Для примерного определения величины теплового эффекта реакции с целью узнать экзотермическая она или эндотермическая, можно воспользоваться значениями энергий связи.

Н=(457 + 242,6)исх – (312 + 431)кон = - 130,55 кДж/моль

Из эксперимента Н для хлорбензола – 130 кДж/моль.

Существует множество других методов определения теплового эффекта реакции, большинство из них сложные и громоздкие. Методы расчёта физико-химических процессов более простые и основаны на использовании эмпирических формул.

Теплота испарения:

Например, для бензола:

Теплота плавления:

Q5 – тепло, расходуемое на охлаждение или нагревание отдельных частей аппарата. Для непрерывных процессов Q5 = 0; для периодических:, где Gапп – масса аппарата, сапп – теплоёмкость аппарата.

Q6 – потери тепла в окружающую среду.

Для периодических процессов:

(Дж)

Для непрерывных:

(Вт)

F – поверхность аппарата, м2,

αв – коэффициент теплоотдачи от нагретой поверхности к окружающей среде, Вт/м2∙град,

Тн – температура наружной стенки, К, Тв – температура наружного воздуха, К, τ – продолжительность процесса, сек.

Расчёт Q6 различается в зависимости от того, где находится аппарат.

1.Если оборудование находится на открытой площадке. α зависит от формы аппарата и от скорости ветра.

Таблица зависимости α от формы аппарата и скорости ветра.

Плоская (D>2м)

2.Для аппаратов в помещении α рассчитывается по эмпирической формуле:

- эта формула справедлива только для аппаратов с температурой стенки меньше 150 градусов Цельсия.

Чем выше температура аппарата, тем больше тепловые потери. Для того чтобы этого избежать используют теплоизоляцию. Её назначение – уменьшение потерь тепла (энергии) и создание комфортных условий труда. Теплоизоляционные материалы должны быть гигроскопичны, химически инертны, устойчивы к рабочей температуре, должны иметь малую плотность,

низкую теплопроводность. Теплоизоляционные материалы бывают неорганические и органические. К неорганическим относятся: минеральная и стеклянная вата, ячеистый бетон, асбестовые изделия, теплоизоляционная керамика. К органическим: древесно-волокнистые, торфяные, пробковые плиты, теплоизоляционные пластмассы. Основные характеристики теплоизоляционных материалов берутся из спраочников.

Расчёт толщины теплоизоляционного материала ведётся с учётом формы стенки аппарата.

Для плоской стенки:

где q – удельный тепловой поток (тепловой поток, отнесённый к единице поверхности), Вт/м2;

Тср – температура среды, К:

Тв – температура воздуха, К;

αс – коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке аппарата, Вт/м2∙град;

αв – коэффициент теплоотдачи от теплоизолированной стенки к воздуху, Вт/м2∙град;

-термических сопротивлений стенки аппарата и теплоизоляции;

,где δиз – толщина изоляции, м, λиз – теплопроводность изоляции, Вт/м∙град.

Пример.

Определить толщину асбестовой изоляции котла с температурой контактных газов 270 °С, температура поверхности изоляции 50 °С, коэффициент теплоотдачи от контактных газов к стенке 20 Вт/м2∙град. Котёл находится в помещении с температурой воздуха 20 °С, теплопроводность асбеста 0,151 Вт/м∙град.

Последовательность расчёта.

1.Коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху рассчитываем по уравнемию:

,

.

2.Определяем удельный тепловой поток q:

,

.

3.Из уравнения

находим δиз.

В случае цилиндрической стенки трубопровода q рассчитывается на 1 метр трубопровода по уравнению:

d1 – диаметр трубопровода;

d2 – диаметр теплоизоляции.

Часто для успешного протекания процесса необходимо подводить тепло. Этот процесс осуществляется с помощью пара, горячей воды, электричества, топочных газов, высокотемпературных органических растворителей (ВОТ).

1. Подвод тепла паром.

Q2 – тепло, отдаваемое теплоносителем или отнимаемое хладоагентом, кВт;

D – количество пара, кг;

Н – энтальпия греющего пара, кДж/кг; t – температура конденсата, К;

-теплоёмкость конденсата, кДж/кг∙град.

2.Подвод тепла электроэнергией:

η– кпд электронагревательного прибора (η=0,75-0,95).

3.Подвод тепла топочными газами:

Qт – теплота сгорания топлива, кДж/моль или кДж/кг;

η– кпд (0,2-0,8).

4.Подвод тепла ВОТ:

W – расход теплоносителя, кг/с;

ср – теплоёмкость ВОТ, кДж/кг∙град; Тн – начальная температура теплоносителя, К;

Тк – конечная температура теплоносителя, К.

В случае охлаждения:

ср – теплоёмкость хладоагента, кДж/кг∙град;

Цель составления теплового баланса – определение количества подводимого и отводимого тепла (энергии), а также оценка поверхности теплообмена.

Оценить поверхность теплообмена можно по формуле:

Тогда требуемая поверхность теплообмена:

К – коэффициент теплопередачи;

F – поверхность теплообмена, м2;

Fт – теоретическая поверхность теплообмена, м2;

Fф – фактическая поверхность теплообмена, м2.

Должно быть:

Fф≥ Fт, но если Fф< Fт, то необходимо принимать меры: или меняем К перемешиванием, или увеличиваем поверхность, например, устанавливаем змеевик.

Определение времени, которое требуется для достижения заданной степени первращения.

Реактора бывают двух видов:

1)непрерывные ( к ним относятся реактора идеального смешения (ИС) и идеального вытеснения (ИВ)):

2)периодические.

Время контакта в реакторе ИВ вычисляется по тем же формулам, что и в периодическом.

Для реактора ИС время контакта вычисляется по формуле:

Для периодического реактора и реактора ИВ:

где с0 – начальная концентрация; ск – конечная концентрация;