Основы проектирования химических производств

ПРАКТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Практический тепловой баланс в общем случае определяется прос­тым уравнением

X 0пр = X 2расх + 0П61 >

Где £>пр — физическое тепло, вносимое в аппарат реагентами, материа­лом аппарата (для периодических процессов), тепло фазовых перехо­дов, тепло реакции и т. д.; 0расх — физическое тепло, уносимое из аппа­рата продуктами реакции; (2лот — тепло, теряемое в окружающую среду

При неизвестных размерах аппарата точное определение величин тепла, теряемого в окружающую среду, невозможно. В этом случае при­нимают ()пот равным 3-5% от максимального значения суммы вно­симого или уносимого тепла. Если геометрические размеры аппарата известны, то можно оценить потери тепла по уравнению теплоотдачи

О = Р«НД/; М = - /0,

Где 0 — поток потерянного тепла, Вт; наружная поверхность теп­лообмена аппарата, м2; ан — наружный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К); /п — температура наружной поверхности аппарата, “С; /0 — температура окружающей среды, °С.

Температура наружной поверхности аппарата либо определяется из санитарных условий (<50 "С), либо задается условиями работы ап­парата. Температура окружающей среды выбирается минимальной для данного помещения или района (при установке оборудования на

Открытом воздухе). Наружный коэффициент теплоотдачи рассчитыва­ется по двум составляющим:

«н = а, + ал,

Гас а* — коэффициент теплоотдачи конвекцией; а, — коэффициент те п л оотда ч и л у ч е и с п ус ка пнем.

Конвективный коэффициент теплоотдачи зависит от места уста­новки оборудования и от его положения в пространстве.

Горизонтальные трубопроводы и оборудование внутри помещений; при Л/ */3 > 9,8- 1(Н

А* = 1,66>/л/;

При 9,8-10-2 > Ы (1Ъ > 6,5 10-6

Ак = 1,66^-,

Где д — наружный диаметр аппарата.

Для вертикальных аппаратов и трубопроводов внутри помещения;

Ак - 1,82>/д/.

При установке оборудования на открытом воздухе: для плоских стенок

А«=(5’95 + 1'5Шо)т£г’

Где скорость ветра, м/с; / — длина стенки по направлению ветра, м;

Для аппаратов

А‘Ч5’1 + 0’3Шо)^;

,0,6

подпись: ,0,6Для горизонтальных трубопроводов

И>

А = 3 9—____

(Р, А'

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием (температура в К)

100 )

подпись: 100 )М

А„ = —

Где С, — степень черноты поверхности аппарата или трубопровода.

В случае расчета теплоизоляции аппарата или трубопровода, вели­чина О будет допустимой потерей тепла в окружающую среду. Тогда толщину слоя теплоизоляции можно рассчитать по формуле

Г|ехр^:

подпись: г|ехр^:

- 1

подпись: - 1^1___ | 2пХк, Р((И - /0)

<2

.? =

2

Где п> — коэффициент теплопроводности материала изоляции.

Рассмотрим расчет теплового баланса на примере.

Пример 9.2. Определить температуру реакционной смеси процесса окис­ления метанола до формальдегида на входе в реактор, полагая температуру на выходе из реакционной зоны, равной 800 °С. Результаты материальных рас* четов и зять из примера 8.3. Теплоемкости компонентов реакции принять средними при температуре 650 °С.

Решение: Определим теплоемкости компонентов процесса. Из справоч­ника (18) выпишем стандартные энтальпии образования и температурные зависимости теплоемкостей всех веществ, учас твующих в процессе.

Для всех реакций процесса рассчитаем энтальпию реакции, кДж/моль:

Реакция (I) — 115,9 — 241,84 + 201,2 + 0,5 0 =—156,54; реакция (2) - 115,9-0 + 201,2 = 85,3; реакция (3) - 110,5 - 2 • 0 + 201,2 = 126,35; реакция (4) — 74,85 — 241,84 + 201,2 = — 115,49; реакция (5) - 376,7 — 241,84 + 115,9 = —502,64; реакция (6) - 393,51 — 241,84 + 115,9 + 1,5 • 0 = 519,45.

Тогда уравнения реакций с термохимическим правилом знаков (тепловой

Эффект в кДж/моль) примут вид:

TOC o "1-5" h z СН3ОН+ 0,502 = СН20+Н20+156,54; (1)

СН, ОН = СН20+Н,-85.3; (2)

СН-ОН = СО + 2Н2 - 126,35; (3)

СН3ОН + Н3 = СН4+ Н20 + 115,49; (4)

СН3ОН + О, = НСООН + HjO + 502,64; (5)

СН3ОН + 1,50, - СО, + 2НгО - 519,45. (6)

На основании материального баланса рассчитаем мольный расход мета­нола по каждой из реакций системы, а затем и количество выделяемого или поглощаемого тепла (см. табл. 9.2), откуда тепловой эффект процесса будет равен 604,8 кВт. Составим тепловой баланс процесса окисления метанола,

Таблица 9.1. Энтальпии образования и температурные зависимости теплоемкости

Компонент

Д//и, кДж/моль

Теплоемкость, Дж/(моль

■ К)

А

Ь - !03

С - 10*

С' ■ 10 *

Кислород

0

31,46

3,30

—3,77

Азот

0

27,87

4,27

СО

-110,5

28,41

4,10

-0,46

С03

-393,51

44,14

9,04

-8,53

Водород

0

27,28

3,26

0,502

Вода

-241,84

30,00

10,71

0,33

Метанол

-201,2

15,28

105,2

-31,04

Метан

-74,85

17,45

60,46

1,117

СН20

-115,9

18,82

58,38

-15,61

НСООН

-376,7

19,4

112,8

-47,5

Таблица 9.2. К расчету суммарного теплового эффекта процесса

Номер

Реакции

Расход метанола,

Кмоль/ч

Тепло реакции, кДж/моль

Расход тепла. кВт

(1)

23,95

156,54

1041

(2)

16,75

-85,3

-397

(3)

0,154

-126,35

5,4

(4)

0,456

115,49

-14,6

(5)

2,75

502,64

-384

(6)

2,45

-519,45

354

Итого

63,93

604,8

Предварительно рассчитав теплоемкости компонентов ігри заданной темпера­туре 650 °С по уравнениям

Ср = а + ЬТ + Ср=а + ЬТ + сТ2.

Данные расчета занесены в табл. 9.3.

Физическое тепло, вносимое компонентами в реактор, кВт: с метанолом 1860 • 2,44 • //3600 = 1,2607 • /;

С кислородом 586 1,05 • //3600 = 0, Ї 709 • г,

С азотом 1920 - 1,12 - //3600 = 0,5973 • (.

Всего на входе в реактор — 2,0289 ■ /.

Физическое тепло, уносимое компонентами из реакционной зоны, кВт: с формальдегидом 1220 1,82 • 800/3600 = 493,4;

С метанолом 372 ■ 2,44 ■ 800/3600 = 201,7;

С водяным паром 572 -2,13- 800/3600 = 207,7;

С уксусной кислотой 126,5 1,7 - 800/3600 = 47,8;

С диоксидом углерода 108 • 1,13' 800/3600 = 27,1;

С оксидом углерода 4,3 • 1,13- 800/3600 =1,1;

С метаном 7,3 • 4,05 - 800/3600 = 6,6;

Таблица 9.3. Средние теплоемкости компонентов реакции

Компонент

Теплоемкость, Дж/(моль - К)

Теплоемкость, Дж/(кг К)

Кислород

31,46

1050

Азот

27,87

1120

ССГ

28,41

ИЗО

СО,

44,14

ИЗО

Водород

27,28

14500

Вода

30,00

2130

Метанол

15,28

2440

Метан

17,45

4050

СН,0

18,82

1820

НСООН

19,4

1700

13-4240

Таблица 9.4. Тепловой баланс процесса получения формальдегида

Приход тепла

Расход тепла

Статьи

КВг

%

Статьи

КВт

%

Спирто-воздушная

Формальдегид

493,4

29,87

Смесь;

Метанол

201.7

12,21

Метанол

650,5

39,38

Водяной пар

207,7

12,57

Кислород

88,2

5,34

НСООН

47,8

2,89

Азот

308,2

18,66

Со2

27,1

1,64

Тепло реакции

604,8

36,61

Со

И

0,07

Ошибки округления

0,2

0,01

Метан

6,6

0.40

Водород

109.9

6.65

Азот

477,9

28,93

Потери тепла

78,7

4,77

Итого

1651,9

100

Итого

1651,9

ТОО

С водородом 34,1 • 14,5 ■ 800/3600 = 109,9;

С азотом 1920 • 1,12 • 800/3600 = 477,9;

Всего на выходе — 1573,2.

Примем потери тепла в количестве 5% от его расхода. Составим уравнение теплового баланса, из которого определим температуру на входе в реактор:

2,0289 • / + 604,8 = 1573,2 + 0,05 • 1573,2.

* = (1,051573,2- 604,8)/2,0289 = 516 “С.

Занесем результаты расчета в табл. 9.4.

Пример 9.3. Произвести тепловой расчет и составить тепловой баланс колонны синтеза аммиака в соответствии с исходными данными:

Температура в зоне реакции {~ 500 °С;

Количество газовой смеси на входе в колонну = 119025 нм?/ч;

Температура газовой смеси на входе /, = 35 “С;

Количество газовой смеси на выходе из колонны Уг = 102329 нм-1/’«;

Температура газовой смеси на выходе — 110 °С.

Состав газовой смеси, % (по объему):

TOC o "1-5" h z На входе На выходе Водород 74,1 62,06

Азот 24,7 20,7

Аммиак 1,2 17,24

Количество образующегося аммиака С?^Нз = 12500 кг/ч.

Рабочее давление в аппарате Рр — 30 МПа.

Температура воды:

На входе 200 “С;

На выходе 374 ®С.

Решение: (Исходные данные и физико-химические свойства компонентой взяты из литературы [11,49, 120|.)

Составим уравнение теплового баланса

£(?пр = X С? рас* + Опот •

Приход тепла в колонну синтеза аммиака (£(?|гр).

1) С газовой смесью

О =

Гле С, — количество поступающей газовой смеси, кмоль/ч; Ср, — ее мольная теплоемкость, С^, = 31,0 кДжДкмоль ■ К).

1

О-гкуда 0 = 30,0 35 22 4з60() = 1550 к Вт.

2) Тепловой эффект реакции синтеза аммиака при высоком давлении. Определяется по уравнению

= 38332+^2,28110-5^-51^10 2

+22,38741,057 Ю -’Г2 -7,087 10-67’3,

Где др — тепловой эффект реакции, кДж/кмоль; Ри1б — избыточное давление в реакторе, Па; Г — температура, К.

В данном случае Т= 273 + 500 = 773 К; Р=30- Ю6 Па.

Откуда

= 38332 + ^2,28 М О 5 + 3,5 773 ° ? ^ 30 000 000 +

+ 22,38773 + 1,057 10“3 ■ 77 32 - 7,08 7 • 10^ • 7733 = 53000 кДж/кмоль. Общее количество тепла, выделяющееся при синтезе аммиака, будет

53000 Дно- 10 806 кВт

3) С охлаждающей водой на входе

От = ПУ,

Где V — энтальпия воды на входе при температуре 200 °С, равная 853 кДж/кг; W— расход охлаждающей воды, кг/с.

0, 1 = 853Ж.

Общий приход тепла в колонну синтеза аммиака

ХОлр = 1550+ 10 806 + 853 = 12 356+ 853 Ж кВт.

Расход тепла в колонне синтеза аммиака.

1) Расход тепла, уносимого с газовым потоком, равен

Ог ~

Где (У, — количество уходящей газовой смеси, кмоль/ч; С 2‘— ее мольная теп­лоемкость, Ср1 = 33,1 кДжДкмоль К).

Л 102329

(?2 — 33,1 110 22 4.3500 =4620 кВт.

2) Тепло, уносимое охлаждающей водой,

0« = /"И'.

Где /" — знтальпия волы на выходе при температуре 374 °С. І" =2100 кДж/кг.

0В2 = 2100 ИЛ

3) Потери тепла в окружающую среду можно принять равными 5% от теп­ла, вносимого в колонну синтеза аммиака

<?пвт = 0,05(12356 + 853 ) кВт.

Общий расход тепла

£>рзс = 4620 + 2100^ + 0,05(12356 + 853 ¥) = 5247 + 2143Ж кВт. Уравнение теплового баланса

12356 + 853Ж = 5238+ 2143 ИЛ

Откуда расход охлаждающей воды будет равен

7118 с.

= 5,518 кг/с.

IV =

1290

Составим таблицу теплового баланса (табл. 9.5). Таблица 9.5. Тепловой баланс колонны синтеза аммиака

Приход тепла

Расход тепла

Статьи прихода

КВт

Статьи расхода

КВт

Газовая смесь Реакция синтеза Охлаждающая вода

1550

10806

4706

Газовая смесь Охлаждающая вода Потери тепла

4620

11588

854

Итого

17062

17062

Основы проектирования химических производств

Машины для транспортировки жидкостей и газов

Насосами называются машины, предназначенные для перемеще­ния жидкостей (газов) и сообщения им энергии. Работающий насос преобразует механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, увеличивая ее давление. Перемещение жидкостей осуществляется следующими насосами: …

Классификация транспортных средств для твердых материалов

По способу передачи усилия транспортируемому материалу транс­портные средства делятся на: — машины, которые перемешают материал под действием механи­ческой силы, передаваемой от привода; — гравитационные устройства, в которых груз перемешается под …

ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА

Успешная работа химического предприятия во многом зависит от четкой работы промышленного транспорта. Промышленный транс­порт делится на две основные группы: внешний и внутренний. Внешний транспорт — предназначен для доставки на предприятие …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.