10. Тепловой баланс процесса.

ХТП и ХТС разрабатываются на основе опыта действующих пр-в и научных исследований с исп-ем соотв-щих закономерностей хим-ой технологии. При организации нового пр-ва необходимо произвести среди прочих ряд технологических расчетов, выполняемых инжинерами-технологами. К ним приступают после составления технологической схемы пр-ва и опр-ие осн-ых направлений потоков сырья, полупродуктов и готовой продукции.

В технологическом расчете комплексно решаются вопросы гидродинамики, тепло- и массопередачи и хим-ой кинетики для нахождения наиболее экономически рациональных параметров технологического пр-са (ТП) и аппаратов. Расчеты материальных потоков сочетаются с энергетическими расчетами, т.к. рациональное исп-ие энергии не редко оказ-ся решающим фактором при выборе способа пр-ва соотв-щего продукта.

Тепловой (энергетический) баланс пр-са.

Основой теплового баланса явл-ся закон сохранения энергии, в соотве-ии с к-рым сумма всех видов энергии явл-ся const. В ХТП составляется тепловой баланс, применительно к к-рому закон сохранения энергии формулируется следующим образом: “ПРИХОД теплоты в данной произв-ной операции д.б. равен РАСХОДу ее в той же операции”.

Обычно рассм-ют тепловой баланс элементарного объема или реактора в целом. Для расчета затрат энергии на произв-во ед. продукции м.б. составлен энергетический баланс, учитывающий расходы электроэнергии, технологического пара опред. давления, воды и др.

Тепловой баланс элементарного объема аппарата позволяет проанализировать хар-р изм-ия тем-ры и тем самым учесть ее влияние на скорость пр-са в различных точках реактора.

Тепловой баланс аппарата составляют с целью определения технологич-их параметров и опр-ие условий для обеспечения заданного тем-ного режима.

Цели теплового баланса:

1. Определение пов-ти теплообмена (F).

где Q_т – тепло подводимое или отводимое в случае эндо- или экзотерм-ой р-ции соотв-но. Она нах-ся из теплового баланса;

К – коэф-т теплопередачяи, Вт/(м²*К);

F – пов-ть теплообмена, м²;

- движущая сила пр-са теплопередачи или ср-ий тем-ный напор, °С;

τ – время, с.

,

где α₁ – коэф-т от теплоносителя к стенке;

α₂ – коэф-т от стенки к реакционной массе;

λ – коэф-т теплопр-ти, Вт/(м*К);

- сумма термич-их сопротивлений стенки;

δ – толщина стенки.

,

2. Определение кол-ва хладагента или теплоагента.

,

где m_в – масса греющей воды;

- ср-я теплоемкость воды;

i' – уд-ая энтальпия самого пара, кДж/кг;

i" – уд-ая энтальпия конденсата, кДж/кг;

r – уд-ая теплота испарения.

3. Определение толщины теплоизоляции наружной пов-ти реактора.

где α_возд – от наружной пов-ти изолятора в окр-ую среду, ;

λ_из – коэф-т теплопр-ти изоляции материала 0,05 – 0,2 Вт/(м*К);

t₀ – тем-ра окр-ей среды;

t_ст2 – тем-ра стенки изоляции со стороны реактора, К;

t_ст1 – тем-ра со сторны окр-ей среды, 35-45 °С.

4. Q_пот.

Для большинства ХТП можно выделить следующие 5 основных составляющих теплового баланса:

1) Теплота, приносимая с исх-ми реагентами (Q’) и уносимая с продуктами р-ции (Q”).

где m_i и m_j – массы исх реагентов и продуктов р-ции,

и - ср-ие теплоемкости компонентов.

Для расчета Q’ и Q” м.б. использованы величины энтальпий (теплосодержаний), значения к-рых опр-ся тем-рой и к-рые можно найти в справочной лит-ре (Краткий справочник физ-хим величин).

В этом случае расчет идет по ф-лам:

(3.6)

(3.7)

где I_i и I_j – энтальпия входного и выходного потока.

2) Теплота фазовых переходов в ходе пр-са Q_ф.п.

Она в зав-ти от знака теплового эффекта фазового перехода может учит-ся как в приходном (крист-ция, возгонка, конденсация), так и в расходном (испарение, плавление) частях баланса.

(3.8)

где m_ф.п. – масса реагентов, участвующих в переходе;

q_ф.п. – тепловой эффект.

В случае, когда расчет Q’ и Q” проводят по ф-лам (3.6) и (3.7), то Q_ф.п. исключается из теплового баланса, т.к. величина влагосодержания учитывает фазовые переходы.

3) Теплота р-ции Q_р, к-рая м. иметь как “+” (экзотерм р-ция) и “-” (эндотерм р-ция) величину и учитывается в соотв-щей части теплового баланса. Рассчитывается по ф-ле:

где m_р – кол-во реагента, вступающего в р-ции или образовавшегося в ходе р-ции.

4) Теплота, отводимая или подводимая ч/з стенки аппарата (реактора)

Как правило, Q_т явл-ся искомой величин6ой при расчете теплового баланса и ее положение в ур-ии теплового баланса опр-ся тепловым эффектом пр-са. В пр-се тепло отводится – экзотерм-ая, при эндотерм-ой – подводится.

Расчет Q_т ведут по осн-му ур-ию теплопередачи:

5) Теплота, проникающая ч/з теплоизоляцию аппарата (реактора) Q_пот.

Направление теплового потока опр-ся соотношением тем-ры реактора и тем-ры окр-ей среды.

t_{реактора} > t_{окр. среды} – подавляющее большинство ХТП – тепловой поток направлен из аппарата в окр-ую среду.

t_{реактора} < t_{окр. среды} – холодильные пр-сы – тепловой поток направлен внутрь реактора. Направление теплового потока и опр-ет место Q_пот. В тепловом балансе.

Исходя из физ-ой картины теплового пр-са Q_пот м.б. бы рассчитать по (3.10), однако, трудность для расчета коэф-та теплопередачи Кт для многослойной изоляции не позволяет это сделать корректно. Поэтому оценивают величину Q_пот в долях процента от известных составляющих теплового баланса (Q_{прихода}, Q_р-ции, Q’).

(3.11)

(3.12)

Из ур-ия теплового баланса можно рассчитать любой из параметров пр-са при известных остальных. Технолога чаще всего интересует t_вх, t_кон, F, массы входных и прореагировавших реагентов. Тепловой баланс остается основой для расчета физ-хим констант пр-са (Кт, Q_р, Q_ф.п., теплоемкости). Тепловой баланс представляется в виде таблиц, имеющих приходные и расходные статьи и в виде тепловых диаграмм Санкеа.