3.2 Тепловой расчёт проектируемого аппарата, таблица теплового баланса

Приход тепла, кДж/ч: Тепло, вносимое в аппарат сырьём, кДж/ч:

Q = m_бензол · c_бензол · t₁ + m_хлор · c_хлор · t₁ + m_ксилол · c_ксилол · t₁ + m_толуол · c_толуол · t₁ + m_азот · c_азот · t₁ = 11986,04· 1,7 · 20 + 1986,11· 0,5 · 20 + 179,79· 1,2 · 20 + 179,79· 1,1 · 20 + 19,86· 1 · 20 = 407525,36+ 19861,1 + 4314,96+ 3955,38+ 397,2 = 436054

где:

m_бензол, m_хлор, m_ксилол, m_толуол, m_азот - массы веществ, хлора и бензола, химически-чистых примесей (ксилол, толуол, азот), кг/ч:

c_бензол, c_хлор, c_ксилол, c_толуол, c_азот - теплоёмкости веществ, Дж/кг · ⁰К:

С_р = С_о / М

С_бензол = 135,14 / 78 = 1,7 [5, с. 84]

С_хлор = 33,93 / 71 = 0,5 [5, с. 73]

С_ксилол = 127,57 / 106 = 1,2 [5, с. 84]

С_толуол = 103,64 / 92 = 1,1 [5, с. 85]

С_азот = 29,12 / 28 = 1 [5, с. 73]

t₁ - температура, при которой техническое сырьё вводится в аппарат, ⁰С:

t₁ = 20⁰С

Находим тепловые эффекты основной и побочных реакций, по закону Гесса, кДж/моль · ⁰К:

Q_эфф. = ∑Q_{обр.кон.} - ∑Q_{обр.нач.} = (5158 · 10³ + 854 · 10³) - (5328 · 10³ + 478 · 10³) = 6012 · 10³- 5806 · 10³ = 206 · 10³

Основная реакция:

С₆H₆ + Cl₂ C₆H₅Cl + HCl

Теплоту образования определяют по энтальпии. Энтальпия равна числовому значению с противоположным знаком, кДж/моль:

Бензол: ∆Н = 49,03 [5, с. 22]

Q_обр. = - 49,03 · 10³

Хлор: ∆Н = 0 [5, с. 10]

Q_обр. = 0

Хлорбензол: ∆Н = 10,65 [5, с. 24]

Q_обр. = - 10,65· 10³

HCl: ∆Н = - 92,3 [5, с. 18]

Q_обр. = 92,3 · 10³

Q_эфф. = 92,3·10³-(-49,03·10³- 10,65·10³) = 92,3·10³ + 9,68 · 10³= 151,98 · 10³ кДж/моль·⁰К

Определяем тепловой эффект реакции на 1кг образовавшегося хлорбензола, кДж/кг:

(151,98 · 10³) / 112,5 = 1350,9

Определяем тепловой эффект на часовую производительность хлорбензола, кДж/ч:

1350,9 · 2833,07= 3827194,26

Побочные реакции. Теплота образования подсчитывается по энергии разрыва связи, кДж/моль:

С₆H₆ + 2Cl₂ C₆H₄Cl₂ + 2HCl + Q

Бензол: C-H = 6 · 412 · 10³ = 2472 · 10³ [9, с. 251]

C-C = 3 · 339 · 10³ = 1017 · 10³ [9, с. 250]

С=С = 3 · 613 · 10³ = 1839 · 10³ [9, с. 255]

Q_образ. = 2472 · 10³ + 1017 · 10³ + 1839 · 10³ = 5328 · 10³

Хлор: Cl-Cl = 2 · 239 · 10³ = 478 · 10³ [9, с. 245]

Q_образ. = 478 · 10³

Дихлорбензол: С-Н = 4 · 412 · 10³ = 1648 · 10³

С-С = 3 · 339 · 10³ = 1017 · 10³

С=С = 3 · 613 · 10³ = 1839 · 10³

С-Cl = 2 · 327 · 10³ = 654 · 10³ [9, с. 248]

Q_образ. = 1648 · 10³ + 1017 · 10³ + 1839 · 10³ + 654 · 10³ = 5158 · 10³

HCl: Н-Сl = 2 · 427· 10³ = 854 · 10³ [9, с. 247]

Q_образ. = 854 · 10³

Определяем тепловой эффект реакции на 1кг образовавшегося дихлорбензола, кДж/ч:

Q_эфф. = (206 · 10³) / 147 = 1401,36

Определяем тепловой эффект на часовую производительность дихлорбензола, кДж/ч:

Q_эфф. = 1401,36 · 83,32= 116761,32

С₆H₆ + 3Cl₂ C₆H₃Cl₃ + 3HCl + Q

Q_образ. бензола = 5328 кДж/моль

Трихлорбензол: С-Н = 3 · 412 · 10³ = 1236 · 10³

С=С = 3 · 339 · 10³ = 1017 · 10³

С-С = 3 · 613 · 10³ = 1839 · 10³

С-Cl = 3 · 327 · 10³ = 981 · 10³

Q_образ. = 1236 · 10³ + 1017 · 10³ + 1839 · 10³ + 981 · 10³ = 5073 · 10³

Хлор: Cl-Cl = 3 · 239 · 10³ = 717 · 10³

Q_образ. = 717 · 10³

HCl: Н-Cl = 3 · 427 · 10³ = 1281 · 10³

Q_образ. = 1281 · 10³

Определяем тепловой эффект трихлорбензола, кДж/моль;

Q_эфф. = (5073 · 10³ + 1281 · 10³) - (5328 · 10³ + 717 · 10³) = 309 · 10³

Определяем тепловой эффект реакции на 1кг образовавшегося трихлорбензола, кДж/кг:

Q_эфф. = (309 · 10³) / 181,5 = 1702,5

Определяем тепловой эффект на часовую производительность трихлорбензола, кДж/ч:

Q_эфф. =1702,5 · 83,32= 141852,3

Q_{реакции} = 3827194,26+116761,32+141852,3=4085807,88

∑Q_прих. = 4085807,88+423638,52=4509446,4

Расход тепла, кДж/ч.

Находим тепло, выносимое с продуктами реакции, кДж/ч:

Q = m_{хлорбензол} · с_{хлорбензол} · t₂ + m_{дихлорбензол} · c_{дихлорбензол} · t₂ + m_{трихлорбензол} · c_{трихлорбензол} · t₂ + m_HCl · c_HCl · t₂ + m_ксилол · c_ксилол · t₂ + m_толуол · c_толуол · t₂ + m_азот · c_азот · t₂ = 2833,07 · 1 · 80 + 83,32· 1,4 · 80 + 83,32· 1,1 · 80 + 1010,82 · 0,7 · 80 + 179,79· 1,4 · 80 + 179,79· 1,3 · 80 + 19,86· 1,1 · 80 = 226645,6+9331,84+7332,16+56605,92+20136,48+18698,16+1747,68=340497,84

где:

m_{хлорбензол}, m_{дихлорбензол}, m_{трихлорбензол}, m_HCl, m_ксилол, m_толуол, m_азот - массы веществ, кг/ч:

[из таблицы материального баланса]

c_{хлорбензол}, c_{дихлорбензол}, c_{трихлорбензол}, c_HCl, с_ксилол, с_толуол, с_азот - теплоёмкости веществ, находим эмпирическим путём, Дж/кг · ⁰К:

С_р = (∑C_i · n_i) / М [5, с. 32]

где:

С_i - атомная теплоёмкость;

n_i - число атомов;

М - молярная масса веществ

С_{дихлорбензол} = (11,72 · 6 + 17,99 · 4 + 33,47 · 2) / 147 = 1,4

С_{трихлорбензол} = (11,72 · 6 + 17,99 · 3 + 33,47 · 3) / 181,5 = 1,1

С_{хлорбензол}, С_ксилол, С_толуол = a + bt + ct² + dt³

С_{хлорбензол} = -33,9 + 558 · 10^-3 · (80 + 273) + (- 445,2) · 10^-6 · (80+ 273)² + 139,4 · 10^-9 · (80 + 273)³ = 114 / 112,5 = 1 Дж/кг · ⁰К

С_ксилол=-11,3+526,64·10^-3·(80+273)+(-204,76)·10^-6·(80+273)²=149,1/106=1,4 Дж/кг·⁰К

С_толуол = -21,59+476,85·10^-3·(80+273)+(-190,33)·10^-6·(80+273)²= 123/92 =1,3 Дж/кг·⁰К

С_НСl, С_азот = a + bt + c / t²

C_HCl = 23,3 + 4,60 · 10^-3 · (80 + 273) + 1,9 · 10⁵ / (80 + 273)² = 26,4/ 36,5 = 0,7 Дж/кг·⁰К

С_азот = 27,88 + 4,27 · 10^-3 · (80 + 273) = 29,4 / 28 = 1,1 Дж/кг · ⁰К

t₂ - температура, при которой техническое сырьё выводится в аппарат, ⁰С:

t₂ = 80⁰С

Определяем потери тепла в окружающую среду, берётся от 1 до 10% от суммы прихода, кДж/ч:

Q_пот. = 4509446,4· 0,06 = 2700566,78

Определяем расход тепла с учётом потерь, кДж/ч:

Q_расх. = 340497,84+270566,78=611064,62

Определяем тепловую нагрузку, которая равна разности тепла прихода и расхода, кДж/ч:

Q_нагр. = 4509446,4-611064,62=3898381,78

Таблица №6 Тепловой баланс

Приход	кДж/ч	Расход	кДж/ч
1.Тепло, вносимое в аппарат сырьём	423638,52	1.Тепло, выносимое из аппарата	340497,84
2.Тепловой эффект	4085807,88	2.Потери тепла в ок-ю среду (6%)	270566,78
		3.Тепловая нагрузка	3898381,78
ИТОГО	4509446,4		4509446,4

Определяем количество испаряющегося бензола, кг/ч:

Q = G · r = 4249,61· 395 = 1678595,95, где

r = 395 - теплота испарения бензола, кДж/кг [3, с. 815]

Определяем сечение для прохода теплоносителя в трубках печи, м²:

S = G / w = 4249,61/ (20 · 3600) = 0,06 [3, с. 449]

Выбираем трубы из хромистой стали диаметром 38/33 мм; сечение одной трубы равно 0,785 · 0,033² = 0,000855 м²

Определяем количество труб в кожухотрубчатом теплообменнике, шт.:

n = 0,06 / 0,000855 = 70

Принимаем количество труб 121, тогда:

S_тр. = 121 · 0,000855 = 0,103 [3, с. 429]

Определяем площадь сечения межтрубного пространства, м²:

S_мтр. = π/4 · (D² - n · d_н²) = 3,14/4 · (0,6² - 121 · 0,038²) = 0,15 [3, с. 444]

Определяем приведённое сечение, м²:

S_прив. = S_мтр. · h · ψ / ℓ = 0,15 · 0,13 · 0,5 / 0,43 = 0,023 [3, с. 444]

ψ = (1- d_н / t) / (1- 0,9 (d_н / t)²) = (1- 38 / 48) / (1- 0,9 (38/ 48)²) = 0,2 / 0,4 = 0,5

ℓ = h + D - ¾ b = 0,13 + 0,6 - ¾ · 0,4 = 0,43

b = √2 · h · ψ = √2 · 0,13 · 0,5 = 0,4

Определяем коэффициент теплоотдачи (α₁) для бензола, Вт/м²·К·ч:

α₁ = λ · Nu / ℓ = 0,121 · 1,16 · 233,9/ 0,033 = 994,9

где:

μ_бенз. - вязкость бензола = 0,492 · 10^-3 Н·сек/м²;

С_бенз. - теплоёмкость бензола = 0,436 · 4190 Дж/кг·град.;

λ_бенз. - теплопроводность бензола = 0,121 · 1,16 Вт/м·град.;

ρ_бенз. - плотность бензола = 815 кг/м³;

w_бенз. - скорость бензола = 1,2 м/сек.

Re_пл. = w · d · ρ / μ = 1,2 · 0,033 · 815 / 0,492 · 10^-3 = 65597,6 [3, с. 169]

если Re_пл. > 2300 - режим устойчивый турбулентный

Pr = μ· c / λ = 0,492 · 10^-3 · 0,436 · 4190 / 0,121 · 1,16 = 6,4 [3, с. 447]

Nu_пл. = 0,002 · Re_пл.^0,57· Pr^0,4 = 0,002 · 65597,6^0,57 · 6,4^0,4 = 233,9 [3, с. 390]

Определяем коэффициент теплоотдачи (α₂) для воды, Вт/м²·К·ч:

α₂ = λ · Nu / ℓ = 0,545 · 1,16 · 246 / 0,023 = 6761,8

где:

μ_воды - вязкость воды = 0,656 · 10^-3 Н·сек/м²;

С_воды - теплоёмкость воды = 0,998 · 4190 Дж/кг·град.;

λ_воды - теплопроводность воды = 0,545 · 1,16 Вт/м·град.;

ρ_воды - плотность воды = 992 кг/м³

Re = w · d · ρ / μ = 1,5 · 0,023 · 992 / 0,656 · 10^-3 = 52171

если Re > 2300 - режим устойчивый турбулентный

Pr = μ· c / λ = 0,656 · 10^-3 · 0,998 · 4190 / 0,545 · 1,16 = 4,3

Nu = 0,023 · Re^0,8 · Pr^0,4 = 0,023 · 52171^0,8 · 4,3^0,4 = 0,023 · 5942,1 · 1,8 = 246

Определяем коэффициент теплопередачи при σ - толщина стенки = 0,0025 и λ - теплопроводность теплоносителя = 17 Вт/м²·град.:

К = 1 = 1 = 1 =1/α₁ + σ/λ + 1/α₂₌ 1/994,9+ 0,0025/17 + 1/6761,8 =0,001 + 0,0001 + 0,0001833,3 Вт/м²·град.

Определяем поверхность теплообмена, м²:

F = Q / K · ∆t = 3898381,78· 10³ / (833,3 · 11,5 · 3600) = 113,00

Определяем длину труб при расчёте F по среднему диаметру труб, м:

ℓ = 113/ 3,14 · 0,0355 · 121 = 9,8=10

Определяем среднюю разность температур, ⁰С:

80-20

70-5

max / min = 15/ 8 = 1,9 < 2 ═> (max + min) / 2 = (15 + 8) / 2 = 11,5

3.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПРОЕКТИРУЕМОГО АППАРАТА

Находим количество аппаратов:

Объём хлоратора рассчитывается по формуле, м³:

V_об. = π · d² · h / 4 = 3,14 · 0,8² · 12,5 / 4 = 6,3

где:

d - диаметр аппарата, м [из чертежа]

h - высота аппарата, м [из чертежа]

Находим объём аппарата с учётом коэффициента заполнения (0,7), м³:

V_пол. = V_об. · 0,7 = 6,3 · 0,7 = 4,41

Определяем количество реакционной смеси в одном аппарате, кг:

С_к = V_пол. · ρ_см = 4,41 · 0,7 · 10³ = 3087

ρ_см = (ρ_C6H6 · m_C6H6 + ρ_Cl2 · m_Cl2) / (m_C6H6 + m_Cl2) = (0,815 · 11986,04+ 0,00321 · 1986,11) / (11986,04+ 1986,11) = 0,7 г/м³ = 0,7 · 10³ кг/м³

Находим производительность одного аппарата, кг/ч:

П_1апп. = С_к / τ = 3087 / 2 = 1543,5

где: τ - время хлорирования, ч.:

τ = 2 ч.

Определяем количество хлораторов, шт.:

n = С_{вещества} / П_1апп. = 13972,15/ 1543,5 = 9

Принимаем количество хлораторов - 9 шт.

ЛИТЕРАТУРА

1.Юкельсон Н.Н., Технология основного органического синтеза, М., Химия, 1968.

2.Капкин В.Д., Совинецкая Г.А., Чапурин В.И., Технология органического синтеза, М., Химия, 1987.

3.Плановский А.Н., Рамн В.М., Процессы и аппараты химической технологии, М., Химия, 1968.

4.Лебедев Н.Н., Химия и технология органического основного и нефтехимического синтеза, М., Химия, 1988.

5.Равдель А.А., Пономарёва А.М., Краткий справочник физико–химических величин, Л., Химия, 1983.

6.Родионов А.И., Клушин В.Н., Технология защиты окружающей среды, М., Химия, 1989.

7.Голубятников В.А., Шувалов В.В., Автоматизация производственных процессов в химической промышленности, М., Химия, 1985.

8.Киселёв Г.Ф., Колпачков В.И., Справочник – Система технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий по производству минеральных удобрений, М., Химия, 1991.

9.Байрон Н.М., Краткий справочник физико-химических величин, М., Химия, 1965.

10.Буткевич В.Ю., Сборник правил пожарной безопасности, М., 1988.

Размещено на Allbest.ru