Основы проектирования кхп.

Проект, его структура и разработка.

Задачей курса является изучение основных принципов работы предприятия, методик проектирования типовых групп аппаратов, ознакомление с технической документацией, со способом составления технических схем в рамках требований оптимизаций производства, конъектура рынка и охрана окружающей среды.

В обязанности инженера химико-технолога входят выбор конструкций аппаратов для технологического процесса, расчет основных характеристик аппарата. При этом определяют размеры аппаратов, обеспечивающие заданную мощность, производительность по целевому продукту, что составляет проектную задачу.

Также определяют возможность испытания аппаратов с конкретными характеристиками в технологическом процессе, оценивать эффективность процесса с целью его усовершенствования.

Проектирование-это процесс создания проекта, т.е. совокупность текстовых и графических материалов, которые регламентируют строительство, монтаж оборудования и в итоге пуск предприятия.

Различают:

-новое строительство;

-реконструкция;

-техническое перевооружение действующего предприятия.

Новое строительство- это сооружение нового завода или последующих очередей вновь строящегося предприятия.

К новому строительству относятся: расширение, целью которого является увеличение мощности действующего предприятия с одновременным улучшением техники экономических показателей.

Реконструкция- состоит в полном или частичном переоборудований производств новой техники, технологий, но без строительства новых или расширение действующих цехов основного производства.

Техническое перевооружение- это реконструкция в более узком понятии, т.е. без увеличения площадей и мощности предприятия.

Проектирование и строительство осуществляется по поручению заказчика проектными, субподрядными и строительно-монтажными организациями. Заказчиком является организация имеющая право капиталовложении на земельном участке, который отведен по соответствующим нормативным государственным документам, а также право капиталовложении в реконструкцию и техническое перевооружение предприятия.

В роле генерального проектировщика выступают крупные отраслевые институты (специализированные крупные фирмы), имеющие право вести проектные работы (лицензию). Субподрядные организации специализируются на решении отдельных узких вопросов проектирования, допустим вентиляция, КИП и автоматика, оборудования, гидравлика и водоснабжение.

Строительно-монтажные организации выполняют строительство и монтаж оборудования, могут быть привлечены специальные организации, участвующие в пуске и наладке.

Целью проектирования является создание технологии получения целевого продукта, максимально эффективной по своим технико-экономическим показателям при условии соблюдения требований техники безопасности и экологии.

Порядок выполнения проектов регламентируется нормативными государственными документами, чаще всего «Строительными нормами и правилами» (СНИП).

Этапы научно-исследовательских и проектных работ:

1.выполнени НИР (научно-исследовательских работ);

2.предпроектная разработка;

3.выполнение проекта.

При первом этапе НИИ выполняют комплекс работ со следующими целями:

1)выбрать способ получения продукта;

2)определить последовательность технологических операций;

3)определить оптимальный тип аппаратов и режимы их работы.

Эти организации могут привлекать к выполнению отдельных частей работы лаборатории академических институтов, кафедры ВУЗов, других научных организации.

Результаты работы НИИ являются основной для предпроектных и проектных разработок; отсчёт по НИР и технологические регламенты, составленный НИИ передается генеральному проектировщику, где анализируется на полноту и качество исполнения.

При необходимости регламент возвращается в НИИ на доработку отдельных частей.

Во втором этапе генеральный проектировщик совместно с заказчиком выполняет предпроектную разработку и выдает соответствующую документацию.

На третьем этапе генеральный проектировщик выполняет проектно-сметную документацию, привлекая субподрядные организации.

Проектно-сметная документация попадает в строительно-монтажные организации, которые на её основе выполняют строительство корпусов и монтаж оборудования, и его пуск.

Выполнение НИР – разработка получения целевого продукта, включающая выбор метода, обоснование оптимальных условий процесса получения и их проверку.

Этапы выполнения НИР:

1.выполняется литературный обзор, патентный поиск и предварительные оценочные эксперименты;

2.на полученной базе проводят технико-экономическое сравнение различных способов синтеза целевого продукта и выбирают лучший;

3.проводят комплекс исследований. По изучению стехиометрических, кинетических, термодинамических зависимостей, описывающих процесс;

4.создают математическую модель химического процесса, анализируя которую, выбирают перечень технологических операций и типы оборудования;

5.создают лабораторную модельную установку, с помощью которой изучают структуру потоков в аппаратах, условия тепло- и массообмена;

6.завершает составление математической модели процесса. Выполняя расчёты по математической модели, определяют оптимальные условия процесса;

7.оптимальные условия подвергают опытной проверке, по результатам которой модель корректируют. Затем приступают к промышленным испытаниям.

Такой подход позволяет накапливать информацию для создания надежной схемы производства.

Математическое моделирование позволяет проанализировать различные варианты процесса, разрабатывать систему управления процессов, создать базу для системы автоматизированного проектирования (САПР).

Предпроектная разработка.

Генеральный проектировщик по поручению заказчика разрабатывает технико-экономическое обоснование проекта (ТЭО).

ТЭО включает:

1.обоснование потребностей производства и рынка в данном продукте: обоснование экономической целесообразности производства продукта и мощности производства;

2.определение области применения продукта и номенклатуры продукта;

3.составление характеристики качества продукции с указанием ГОСТов, технических условий и другой нормативной документации;

4.выбор места строительства;

5.выбор источников сырья, материалов, энергии, водоснабжения;

6.составление генерального плана строящегося предприятия и транспортных коммуникаций;

7.изложение основных технологических решений:

а)сравнительная характеристика промышленных методов получения целевого продукта;

б)краткое описание выбранной технологической схемы;

в)обособление типа основных аппаратов;

г)определение числа зданий и их назначения;

д)составление таблиц раскладных коэффициентов на единицу продукции;

е)характеристику сточных вод, газовых выбросов и твердых отходов;

ж)экологические мероприятия и организацию техники безопасности.

После ТЭО генеральный проектировщик по поручению заказчика составляет задание на проетирование.

В задание входят:

*схема развития отрасли;

*документы о месте строительства;

*характеристика качества продукций;

*мощность производства;

*источники сырья, воды и энергии;

*сроки строительства по очередям;

*согласование принятых решений с надзорными организациями типа СЭС, пожаронадзора, экологическими службами.

По окончании предпроетной разработки выдается исходные данные на проектирование, в которые входят:

1.ТЭО

2.задание на проектирование;

3.отсчёт о НИР и технологический регламент;

4.отсчёт об изыскательской работе на площадке строительства;

5.данные о состоянии атмосферы, водоёмов и почв в районе площадки строительства.

Выполнение проекта.

При проектировании технологически сложных объектов используют типовые или повторно применяемые проекты. Такое проектирование, а также проектирование реконструкции, ремонта и технологическое перевооружение осуществляют одну стадию, разрабатывая при этом рабочий проект со свободными сметными расчётами стоимости.

Проектирование сложных объектов осуществляется в 2 стадии:

1.разрабатывается проект со сводным сметным расчётом стоимости;

2.разрабатывается рабочая документация со сметами.

Проект проходит экспертизу и утверждается. Началом проектирования считается дата подписания договора между заказчиком и генеральным проектировщиком. Окончанием считается дата отправки заказчику проекта сметной документации.

Документация считается принятой, если заказчик подписал акт приёмки.

Проект со свободным сметным расчётом стоимости включает следующие разделы:

I. Общая пояснительная записка состоит из общей части, технико-экономической части, генплана строительства и экологической части.

Общая часть разрабатывается главным инженером проекта.

В неё входит:

1)краткое изложение основных решений;

2)исходные данные на проектирование;

3)правила, инструкции и ГОСТы.

Технико-экономическая часть проектируется инженерами-экономистами на основании исходных данных на проектирование, исходных норм и стоимостных показателей. Проводится анализ эффективности капитальных вложений, эксплуатационных затрат, технико-экономических показателей проекта.

Генеральный план строительства и транспортных коммуникации выполняется специалистами в области планирования предприятия и транспорта.

Экологическая часть разрабатывается инженерами-экологами.

II.Решение по технологии производства включает следующие части:

*монтажно-технологическая;

*автоматизации и контроля;

*электроснабжения;

*теплоснабжения;

*связи и сигнализация;

*организация строительства;

*организация труда и управления производства.

Монтажно-технологическая часть разрабатывается инженерами-технологами и механиками. Это основа проекта, на базе которой выполняются все остальные части и разделы.

Монтажно-технологическая часть включает следующую информацию:

1)сведения о потребности в сырье, реагентах, топливе, энергоресурсов;

2)характеристику товарной продукции;

3)обоснования решения по технологии производства;

4)материальные и топливно-энергетические балансы;

5)обоснование выбора оборудования;

6)разработка вопросов ТБ и экологии;

7)организацию ремонтных работ;

8)обоснование численности рабочего персонала;

9)приложения, в которых производятся заказные спецификации на оборудования, длительного цикла изготовления, ведомостей на остальное серийно изготовляемое оборудование, расходные требование на разработку нестандартного оборудования, согласованные с разработчиком оборудования.

Также к монтажно-технологическая часть относятся чертежи:

*принципиально химико-технологическая схема;

*схема компоновки зданий, сооружения и оборудования;

*план-схема межцеховых технологических коммуникаций;

*схема механизации ремонтных работ.

Некоторые части этого раздела разрабатывают соответствующие специалисты на основании заданий, выданных инженером-экологом.

III. Основные строительные решения состоят из архитектурно-строительного раздела, водоснабжения и канализация, гражданская оборона, выделение объектов перспективной застройки и санитарных зон.

IV. Жилищно-гражданское строительство.

V. Сметная документация.

VI. Паспорт проекта.

Рабочая документация со сметами состоит из рабочих чертежей, ведомостей объемов строительных работ, ведомостей объемов монтажных работ и смет.

Проектировщик несёт ответственность за все ошибки, обнаруженные в проекте. Возникшие замечания рассматриваются генеральным проектировщиком, и после согласования с заказчиком в проект вносят изменения.

Вся деятельность представителей генерального проектировщика на стоящемся объекте отражается в журнале авторского надзора. Авторский надзор имеет распорядительное право до подписания актов приёмки объекта.

Химико-технологическая схема. Деятельность монтажно-технологического отдела.

Разработка рациональной технологической схемы производства с подбором соответствующих аппаратов, выбором оптимальным режимом функционирования является задачей монтажно-технологического отдела.

Химико-технологическую схему (ХТС) получения некоторой товарной продукции разрабатывается по 4-ём основным направлениям:

1.подготовка сырья;

2.химическая переработка сырья в целевой продукт;

3.очистка целевого продукта до требуемых показателей;

4.утилизация сточных вод, газовых выбросов и твёрдых отходов.

Проектирование ХТС осуществляется на базе технологического регламента, который содержит:

1)литературные данные о всех промышленным способам получения целевого продукта, используемых аппаратах, полученных результатах в соответствии с патентной чистотой разрабатываемого проекта;

2)характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и всех продуктов;

3)физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных веществ;

4) физико-химические основы процесса, т.е. термодинамические, стехиометрические, кинетические, тепло – и массообменные параметры;

5)принципиальная ХТС процесса в графическом виде с подробным описанием;

6)рабочие параметры процесса, включая давление, температуру, степень превращения основного реагента, селективность процесса;

7)массовый баланс по стадиям, представляемый в виде таблиц;

8)тепловой баланс по стадиям;

9)методика расчёта основных аппаратов;

10)выбор гостированных и рекомендации по конструированию нестандартной аппаратуры;

11)аналитический контроль производства;

12)характеристика побочных продуктов, отходов, способы их утилизации;

13)схемы КИП и автоматики;

14)очистка сточных вод, газовых выбросов. Утилизация твёрдых отходов;

15)мероприятия по Технике безопасности, противопожарной профилактике и санитарии;

16)патентный формуляр;

17)прогноз потребности в продукции и обеспеченность сырьём на перспективу.

На основании перечня технологических операций составляется ХТС, ко­торая должна гарантировать бесперебойность, безопасность и надёжность в эксплуатации.

Каждый аппарат ХТС должен иметь свой номер или индекс. Разрешается использовать обозначения:

Р - реактор;

П - печь;

Н - насос

Предпочтительной является сквозная нумерация слева направо. Все ли­нии, по которым подводится вода, пар, воздух, азот и т. д. указываются вверху ХТС. Внизу указывается оборотная вода, сточные воды, сливы, конденсат.

Под отводящими магистралями показываются линии КИП и автоматики.

В приложении к ХТС приводятся перечни (экспликации) аппаратов, оборудования, трубопроводов. В экспликациях содержатся данные об основ­ных технических характеристиках аппаратов, номера ГОСТов и ТУ для стан­дартного оборудования; для нестандартного - основные размеры и номера чертежей, по которым оно должно быть изготовлено.

Аппараты под давлением или работающие сильнодействующими ядами должны проектироваться с учётом специальных правил эксплуатации.

При проектировании инженер-технолог выполняет расчёт МБ по стадиям, затем энергетические расчёты. Для облегчения работы используют диаграмму материальных потоков. На диаграмме все аппараты изображают в виде прямоугольников, сохраняя при этом нумерацию и обозначение ХТС. Потоки изображают в виде прямых или изогнутых линий, обозначая их римскими цифрами. Затем аппарат с входящими и выходящими потоками обводят штриховой линией, т. е. контрольным контуром. Этот контур выделяет объект, для которого составляется сначала материальный, а затем энергети­ческий и эксергический баланс.

Номера аппаратов и номера потоков на технологической схеме должны совпадать.

Для входящих потоков исполняют индекс «О». После МБ и ЭБ выпол­няют расчёт аппаратов, т. е. определяют тип, конструкцию и основные раз­меры аппаратов. Затем по каталогам и нормалям выбирают стандартное обо­рудование, для изготовления нестандартного оборудования совместно с ин­женерами-механиками разрабатывают задание на проектирование.

После получения задания к проектировщикам подключаются инженеры смешанных специальностей. Задание на монтаж выдаётся инженерам-механикам специалистам по монтажному проектированию. Задание для них выдаётся в виде специально выделенных технологических схем, на которых указано повысотное размещение оборудования или рекомендуемые отметки для размещения отдельных аппаратов.

На схеме указываются характеристики трубопроводов, других транс­портных средств, все запорные устройства, первичные контрольно-измерительные приборы, т. е. клапаны, диафрагмы, счётчики. Технолог определяет категорию производства по пожаро - и взрывоопасности

В соответствии со СНИП монтажные проектировщики разрабатывают компоновку оборудования и монтажные чертежи.

Компоновка - размещение оборудования на территории цеха.

Задачей монтажников является выбор и поиск наиболее экономичных решений обвязки оборудования и определения размеров площадки для его размещения.

Для определения такого варианта компоновки рекомендуется использо­вать макетный способ, т. е. на специальных монтажных столах размещают макет проектирования и систему обвязки.

На 1-вом этапе компоновки инженеры-механики по монтажному проекту выделяют то оборудование, которое размещается в отапливаемых зданиях.

На 2-ом этапе

На 3-ем этапе на открытых площадках, постаментах и этажерках обору­дование разделяют на блоки, которые группируют по функциональному на­значению, по высотному, габаритному или другим признакам.

Монтажное проектирование ведётся параллельно со строительным про­ектированием при взаимном согласовании.

Строительные задания проектируются инженерами-строителями. По за­данию технологов и монтажников происходит согласование со специалистами других подразделений: (водоснабжение и канализация, отопление и других).

Система автоматизированного проектирования - организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации и проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектирующих органов или коллективом специалистов.

САПР включают:

1)математическое обеспечение, т. е. совокупность математических методов, моделей и алгоритмов проектирования.

Математическая модель технического объекта – это совокупность математических объектов, т.е. чисел, переменных, матриц, и отношение между ними, которые адекватно отображают свойства технического объекта.

В зависимости от сложности объекта для описания используют различные уровни абстракции на микроуровне описывают физическое состояние и процессы, т.е. включенные в уравнения, описывающие стехеометрические, термодинамические и кинетические соотношения, добавляют уравнение тепло- и массовой передачи, перенос импульса, кроме этого модель включает граничные и начальные условия.

2)техническое обеспечение- совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, таких как ЭВМ, локальные и глобальные сети, графопостроители.

3)программное обеспечение – совокупность расчетных программ, необходимых для какой-то проектной процедуры.

4) информационные обеспечение – совокупность сведений, необходимых для проектирования; система документов ЕСКД, нормативно-справочные документы, каталоги.

5) методическое обеспечение – совокупность документов, установленные состав, правила отбора и эксплуатации средств и автоматизированного проектирования.

6)организационное обеспечение – совокупность документов, устанавливающих состав подразделения, функции подразделений и связь между ними.

Массовый и тепловой балансы аппарата.

Проектирование аппарата и технологических линий начинается с составления МБ и ТБ. Основным аппаратом химического производства является реактор. Обычно реактор связан с несколькими другими аппаратами, обеспечивающими требуемые условия в аппарате.

Задача проектирования реакционного узла включает:

1)выбор типа реактора и его конструкции;

2)составление МБ;

3)составление ТБ, выбор способа подвода и отвода тепла;

4)определение необходимого реакционного объёма аппарата или числа аппаратов, количества аппаратов при заданном размере.

Проектирование аппаратов может производится в 2-ух вариантах:

I.для аппарата и процесса в целом без рассмотрения кинетической и макрокинетических закономерностей;

II.с учётом кинетики и макрокинетики процессов, протекающих в данном аппарате.

Стехеометрические соотношения составления МБ.

Если в основе процесса лежит химическое взаимодействие, то МБ составляется с учётом стехеометрических соотношений химической реакции, поэтому удобно выражать количество веществ в молях и кмолях для перио­дических процессов, в мольных потоках F для непрерывных процессов. F [моль / с ]. Связь между объёмными W,массовыми G и мольными потоками определяются соотношением

М — молярная масса.

ρ - плотность j -го компонента

С - концентрация

Рассмотрим стехеометрические соотношения для закрытой системы в случае протекания единственной реакции.

Y_АА + VуY-V_вВ + V_zZ

Обозначим исходное количество молей веществ N_А,О, N_Y,O, N_В,О, N_Z,O. Тогда справедливо соотношение:

n - химическая переменная (глубина, полнота реакции), численно равна количеству молей исходного или конечного вещества, при котором стехиометрические коэффициенты равны 1 и которое прореагировало или образовалось к данному моменту времени.

Если в процессе реакции объем реакционной смеси не меняется, то ис­пользуют удельную химическую переменную, а количество веществ выра­жают через концентрацию

- удельная химическая переменная.

Запишем химическую реакцию в форме равноправной ко всем участни­кам

Тогда для всех участников:

Реакция записывается в форме:

, где т - число участников реакции.

Если в процессе протекает не одна, ар реакций, число участников реакции т, то все реакции можно записать в виде системы из р реакций вида:

где j = 1.. .т - число участников,

I = 1...р- число уравнений реакции.

В этой системе можно использовать стехиометрические коэффициенты из уравнений vj, при этом для исходных веществ коэффициенты берутся со знаком «-». Суммарное изменение количества вещества во всех реакциях можно представить в виде:

Записываем также соотношения для всех т веществ, получаем: МБ процесса

О пределим скорость i-ой стадии:

- удельная химическая переменная.

Тогда скорость процесса по j'-му веществу во всем многоступенчатом процессе:

Число уравнений в системе массового баланса, равное числу участников реакции может быть меньше, равно или больше числа реакций р. Такие сис­темы решаются с использованием методов линейной алгебры.

С + О₂->СО₂ 0 = -1С-1О₂+1СО₂

2С + О₂ -> 2СО 0 = -2С - 1О₂ + 2 СО

С + СО₂ -> 2СО 0 = -1С - 1СО₂ + 2СО

2СО + О₂ -> 2СО₂ 0 = 2СО - 1 0₂ + 2СО₂

Запишем материальный баланс по каждому участнику реакции, исполь­зуя химические переменные:

Т аким образом, система содержит 2 неизвестных. Из последних трех уравнений следует, что:

Выразим исходные вещества:

Элементы, содержащие и - ключевые, остальные - неключевые.

Полученные соотношения - стехиометрические соотношения мольного или материального баланса. Число ключевых веществ равно фактическому числу независимых переменных в системе уравнений (А).

Число стехиометрических соотношений мольного баланса равно числу неключевых веществ. Ключевые вещества выбираются произвольно с учетом простоты определения содержания этих компонентов в реакционной смеси.

У равнение мольного баланса можно записать в виде стехиометрической матрицы или матрицы стехиометрических коэффициентов.

Д ля упрощения над столбцами пишутся вещества, за строками - номера уравнений реакции.

Опорным элементом матрицы называется первый слева элемент строки, не равный нулю. Если вся строка равна нулю, то опорного элемента в ней нет.

Ступенчатой называется матрица, в которой в каждой последующей строке опорный элемент стоит правее, чем в предыдущей или последующей, а все остальные строки нулевые.

Матрицей вида Гаусса называется ступенчатая матрица, у которой все опорные элементы равны 1, а над ними стоят нули.

Любую матрицу можно преобразовать к виду Гаусса.

1 + 3 -> 3

1*[-2]+4->4

3-(2+4)->3

2 *0,5->

Число ненулевых строк гауссовской матрицы -ранг матрицы. Ключе­вые вещества соответствуют опорным элементам матрицы, т.е. число ключе­вых веществ равно рангу матрицы.

СО₂-С-О₂ = 0

СО - С - 0,5О₂ = 0 - суммарные уравнения, в каждое из которых входит по одному ключевому элементу со стехиометрическим коэффициентом 1 . Число суммарных уравнений равно рангу матрицы.

Химический процесс записывают в виде суммарных реакций, каждой ре­акции вместо номера присваивают индекс входящего в него ключевого эле­мента j, по скорости изменения количества которого определяют скорость реакции.

Зная скорости суммарных реакций г, и их тепловые эффекты - , мож­но определить скорость тепловыделения в] -той реакции - и суммарную скорость тепловыделения , где К - ранг стехиометрической матрицы.

По суммарным реакциям записывают мольный баланс, т.е. вместо вводят химические переменные стадии для ключевых веществ.

Система суммарных реакций должна быть полной, т.е. учитывать все процессы, протекающие в данной системе между веществами. Если пропус­тить некоторые реакции, то это скажется на ранге стехиометрической матри­цы, т.е. число ключевых элементов будет меньше действительного, а число уравнений мольного баланса больше. Для контроля учета реакций составим молекулярную матрицу, или матрицу состава. Столбцы будут соответство­вать участвующим элементам, а строки — веществам. На пересечении строки и столбца проставляем количество атомов элемента в данном соединении. Затем определяем ранг матрицы.

Определяем сумму рангов стехиометрической и молекулярной матриц:

К_с =2, R_м = 2,

4 - показывает, сколько уравнений реакций должно быть в этой системе.

Основным реагентом называется тот, который взят в недостатке. Для простой реакции это означает, что отношение начального количества веще­ства к стехиометрическому коэффициенту будет наименьшим.

Например для реакции 5А + ЗY— >В + 2Z

начальные количества веществ следующие:

N_A.0=10; N_B.0= N_Z.0= 1 ; N_Y.0= 9; N_А = 5

Определим основной реагент и количества остальных элементов после проведения процесса.

По элементу А определяем химическую переменную.

О пределим количество всех остальных участников реакций:

Для сложных реакций в технологии используются такие безразмерные характеристики материального баланса как степень превращения или кон­версия основного реагента, селективность, химический выход.

Степень превращения - отношение числа молей вещества к его исход­ному количеству.

F — моль/с — мольный поток

G-кг/с - массовый поток

X_а- 0...1

Если реагент А расходуется по нескольким реакциям с образованием различных продуктов, Х_А показывает только общую долю превращенного реагента, не исследуя пути превращения.

Селективность — доля превращенного основного реагента, пошедшего на образование данного продукта с учетом стехиометрии.

Различают селективность мгновенную (дифференциальную) и общую (интегральную). Интегральная характеризует превращение за некоторый промежуток времени и определяется по системе суммарных реакций, где ключевым веществом выбирают продукты, а основной реагент А рассматри­вают как неключевое вещество.

j- индекс ключевого продукта или номер его суммарной реакции;

- стехиометрический коэффициент вещества А в суммарной реакции дляj - го вещества, берется с обратным знаком «-».

Если определить сумму селективностей по всем R ключевым веществам, то она равна 1 .

Х имический выход - произведение степени превращения вещества А на селективность.

Селективность рассчитывается только по суммарным реакциям для ве­щества, если оно ключевое.

Рассмотрим суммарные реакции сжигания С в недостатке О₂.

СО₂-С-О₂ = 0

СО - С - 0,5О₂ = О

Пример.

Определим селективность для СО₂ и СО по О₂.

Тепловой баланс химического аппарата.

Тепловой баланс составляется для определения количества тепла, кото­рое отводится от аппарата или подводится к нему, а также для определения расхода теплоносителя и поверхности теплопередачи, которые обеспечивают требуемый тепловой режим.

Для химического аппарата в общем виде тепловой баланс записывается как:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = Q₅ + Q₆ + Q₇

Q₁ и Q₅ теплота вносимая и выносимая материальным потоком,

Q₂ - суммарное тепло, которое подводится к аппарату через поверхность теплопередачи,

Q₃- тепловые эффекты химических реакций,

Q₄ - тепловые эффекты физических процессов,

Q₆- тепловые потери в окружающую среду,

Q₇ - теплота, расходуемая на нагрев аппарата в нестационарном процес­се.

Искомой величиной в уравнении является Q₂. Если Q₂>0, то определяют подводимое тепло, если Q₂<0, то тепло отводится. По величине Q₂определя­ют необходимую поверхность теплопередачи:

q - теплота фазового перехода.

Рассмотрим методику расчета тепловых эффектов.

Тепловой эффект химических превращений определяется как: -мольный тепловой эффект, т.е. тепловой эффект реакции 1 кмоль вещества, или удельный тепловой эффект ^m- тепловой эффект реакции 1 кг вещест­ва.

-можно определить по тепловому эффекту реакции :

Например.

2А + ЗY -> 4В + Z + 80 кДж

Тепловые эффекты определяются экспериментально или рассчитывают­ся по ТД - ским закономерностям. Зависимость теплового эффекта от темпе­ратуры определяется по закону Кирхгофа:

Если изменение Н незначительно, то его температурную зависимость не учитывают.

Тепло материальных потоков

П ри расчетах выбирают некоторый основной уровень, для которого оп­ределяют величины: 273 или 298 К. Тогда теплота, вносимая в систему мате­риальными потоками, состоящими из т веществ, определяется:

(в К) (в °С)

G — массовый поток

Т, t - температура подачи исходных реагентов в аппарат

с"р - - массовая (удельная) теплоемкость j -го вещества.

Если в рассматриваемом температурном интервале теплоемкость можно считать постоянной, то Q рассчитывается:

Q₅ - рассчитывается аналогично.

Для расчета Q₆ существуют методики, но обычно принимают Q₆ в про­центах от тепловой нагрузки аппарата. Для периодических процессов тепло­вой баланс составляется на весь цикл работы аппарата, при этом Q₂ рассчи­тывается для самого напряженного момента работы аппарата.

Если в одном и том же аппарате осуществляется нагрев, а потом охлаж­дение материалов, то тепловой процесс может рассматриваться для каждого периода.

Определение основных параметров, размеров аппаратов

Основные размеры определяются расчетным методом и базируются на данных опытных, опытно-промышленных и промышленных установок. При этом должны соблюдаться принципы подобия систем, и для сложных систем используется приближенное моделирование.

Расчет периодических процессов

Исходные данные для расчета: а) объем перерабатываемых материалов в единицу времени; б) продолжительность переработки (продолжительность цикла операций).

Объем материалов рассчитывается по материальному балансу:

- объем j-го вещества, перерабатываемого в единицу времени;

ρ — плотность.

Формула справедлива для конденсированных систем, жидкость - твёр­дое тело, газы в периодических процессах практически не участвуют. Про­должительность работы характеризуется полным циклом работы. Полный цикл включает производительные и непроизводительные операции. Произ­водительные - химические или физико-химические процессы, которые при­водят к образованию целевого продукта.

Непроизводительные - загрузка/выгрузка, нагрев/охлаждение.

Длительность производительных стадий определяется по результатам лабораторных испытаний или рассчитывается по специальным методикам. Длительность непроизводительных стадий определяется хронометражем ра­боты аппарата подобной конструкции или опытного образца.

- время цикла

_i- время стадий.

Необходимое количество аппаратов определяется после выбора типово­го аппарата с известным полным объемом Vп. Затем определяют рабочий объем V, задаваясь коэффициентом загрузки аппарата .

V = V_п

Число аппаратов , N округляют до ближайшего целого числа.

Расчет непрерывных процессов

Исходные данные: а) время (продолжительность) контакта фаз, ; б) объ­емная скорость процесса и или удельная производительность q, т.е. количе­ство целевого продукта или перерабатываемого сырья в единицу времени в единице объема или массы гетерогенного катализатора.

Для непрерывных жидкофазных процессов объемный расход определя­ют по массовому расходу:

Д ля газофазных процессов объемный расход определяют по уравнению состояния идеальных газов:

Z - коэффициент сжимаемости j -го компонента.

, Т₀ - параметры на входе в реактор.

Если объем смеси при проведении процесса не изменяется, то пользуют­ся истинным временем контакта фаз т. Если объем изменяется, то вводят ус­ловное время контакта, которое определяется по исходному объемному по­току. Тогда рабочий объем аппарата находится как:

Удельная производительность часто задается по целевому продукту.

В этом случае рассчитывают объем реактора

G_ВВ - поток

Или определяют массу катализатора:

Зная насыпную плотность катализатора, рассчитывают

Зная эти величины, подбирают стандартный аппарат или рассчитывают число аппаратов, или конструируют специальный аппарат. Диаметр аппарата

и площадь сечения определяют, задаваясь допустимой скоростью потока, ко­торую выбирают из рекомендуемого ряда.

Для газовых потоков расчет ведут по условиям на входе в аппарат:

S=W/w

W - объемный расход

w - скорость

S - площадь сечения

Если аппарат заполнен насадкой или зернистым материалом, то опреде­ляют фиктивную скорость процесса:

w — линейная скорость

— доля свободного объема (порозность слоя материала).

Расчет сечения аппарата ведут по этой скорости.

Определяют высоту аппарата:

Н = V/S

Полученную величину делят на коэффициент заполнения аппарата Н_пол = Н/ . Н_пол - полная высота аппарата.

Затем эту высоту увеличивают для установки встроенных устройств (распределительные и перераспределительные тарелки, теплообменники, форсунки и т.д.).

Затем определяют количество параллельно работающих раекторов, зная площадь сечения стандартного раектора: n=S/S_станд

_.