ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Практический тепловой баланс

Практический тепловой баланс в общем случае определяется про­стым уравнением

где Опр - физическое тепло, вносимое в аппарат реагентами, материалом аппарата (для периодических процессов), тепло фазовых переходов, те­пло реакции и т. д.; ОраСх - физическое тепло, уносимое из аппарата про­дуктами реакции; (9пот - тепло, теряемое в окружающую среду.

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

Q = FauAt; At = tu-t0,

где О - поток потерянного тепла, Вт; F - наружная поверхность тепло - обмена аппарата, м ; ап - наружный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м - К); /п - температура наружной поверхности аппарата, °С; /„ - 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:

<Хн G(.Jb

где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией; ал - коэффициент теп­лоотдачи лучеиспусканием.

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

Горизонтальные трубопроводы и оборудование внутри помещений:

• при At - d3 > 9,8 • 10”2

ак = 1,66^/дГ;

• при9,8-10“2>Д(-й?3>6,5-10^

ак = 1,66

где d - наружный диаметр аппарата.

Для вертикальных аппаратов и трубопроводов внутри помещения

ак = 1,82 yfKt.

При установке оборудования на открытом воздухе:

• для плоских стенок

где w - скорость ветра, м/с; / - длина стенки по направлению ветра, м; • для аппаратов

• для горизонтальных трубопроводов

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

где >.из - 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 расчетов взять из примера 4.3. 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, участвующих в процессе.

Для всех реакций процесса рассчитаем энтальпию реакции:

• реакция (1): -(115,9 + 241,84) + 201,2 + 0,5-0 = -156,54 кДж/моль;

• реакция (2) -(] 15,9 - 0) + 201,2 = 85,3 кДж/моль;

• реакция (3) -110,5-2-0 + 201,2 = 126,35 кДж/моль;

• реакция (4) -(74,85 + 241,84) + 201,2 = -115,49 кДж/моль;

• реакция (5) -(376,7 + 241,84) + 115,9 = -502,64 кДж/моль;

• реакция (6) -(393,51 + 241,84) + 115,9 + 1,5-0 = 519,45 кДж/моль.

Тогда уравнения реакций с термохимическим правилом знаков

(тепловой эффект в кДж/моль) примут вид:

СН3ОН + 1/202 = СН20 + Н20 + 156,54; (1)

СН3ОН = СН20 + Н2 - 85,3; (2)

СН3ОН = СО + 2Н2 - 126,35; (3)

СН3ОН + Н2 = СН4 + Н20 + 115,49; (4)

СН3ОН + 02 = НСООН + Н20 + 502,64; (5)

СН3ОН + 1,502 = С02 + 2Н20 - 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, предва­рительно рассчитав теплоемкости компонентов при заданной темпера­туре 650 °С по уравнениям

С=а + ЬТ + с' и С=а + ЪТ + сТ2.

Р 2* р

Данные расчета занесены в табл. 9.3.

Физическое тепло, вносимое компонентами в реактор:

• с метанолом 1860-2,444/3600 = 1,2607-Г кВт;

• кислородом 586-1,054/3600 = 0,1709-Г кВт;

• азотом 1920-1,124/3600 = 0,5973 Г кВт.

Всего на входе в реактор 2,0289-Г кВт.

1220-1,82-800/3600 = 493,4 кВт; 372-2,44-800/3600 = 201,7 кВт; 572-2,13-800/3600 = 207,7 кВт; 126,5-1,7-800/3600 = 47,8 кВт; 108-1,13-800/3600 = 27,1 кВт;

4.3- 1,13-800/3600 = 1,1 кВт;

7.3- 4,05-800/3600 = 6,6 кВт; 34,1-14,5-800/3600 = 109,9 кВт; 1920-1,12-800/3600 = 477,9 кВт.

Всего на выходе - 1573,2 кВт.

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

2,0289-t + 604,8 = 1573,2 + 0,05-1573,2. t = (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............................................ t = 500 °С

Количество газовой смеси на входе в колонну.... І) = 119025 нм /ч

Температура газовой смеси на входе.............................. t = 35 °С

Количество газовой смеси на выходе из колонны.... р2 = 102329 нм /ч

Температура газовой смеси на выходе............................ С = 110 °С

Количество образующегося аммиака................. Gwm = 12500 кг/ч

Рабочее давление в аппарате...................................... Рр = 30 МПа

Т емпература воды:

на входе....................................................................... 200 °С

на выходе.................................................................... 374 °С

Решение. (Исходные данные и физико-химические свойства ком­понентов взяты из литературы [11, 49, 120].)

Составим уравнение теплового баланса:

^?пр — ^?расх (?пот •

Приход тепла в колонну синтеза аммиака (ПОпр)

1. С газовой смесью

Q = GxCpltx,

где G - количество поступающей газовой смеси, кмоль/ч; СР1 ная теплоемкость, Ср = 31,0 кДж/(кмоль-К).

119025

Q =30,0-35-------------- = 1550 кВт.

1 22,4 • 3600

+ 22,38Т +1,057 • 10 ~*Т1 - 7,087 • 10_(Т3, где qv - тепловой эффект реакции, кДж/кмоль; РИ! б - избыточное давле­ние в реакторе, Па; Т - температура, К.

В данном случае

Т= 273 + 500 = 773 К;

Р = 30-106 Па.

3. С охлаждающей водой на входе

Qm = i'W,

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

От = 853W.

Общий приход тепла в колонну синтеза аммиака

£С>пр = 1550 +10806 + 853W = 12356 + 853W кВт.

Расход тепла в колонне синтеза аммиака

1. Расход тепла, уносимого с газовым потоком, равен:

О2 = G2Cp2t2,

где G2 - количество уходящей газовой смеси, кмоль/ч; Ср2 - ее мольная теплоемкость, Ср2 = 33,1 кДж/(кмоль-К).

102329

Q2 =33,1-110------------- = 4620 кВт.

2 22,4 • 3600

2. Тепло, уносимое охлаждающей водой,

QB2=l"W,

где Г' - энтальпия воды на выходе при температуре 374 °С, /"=2100 кДж/кг.

Следовательно

oB2 = 2mw.

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

Опот = 0,05(12356 + 853W) кВт.

Общий расход тепла

Орас = 4620 + 2100W + 0,05(12356 + 853W) = 5247 + 2143Ж кВт.

Уравнение теплового баланса:

12356 + 853Ж = 5238 + 2143Ж.

Откуда расход охлаждающей воды будет равен:

7118

W =------ = 5,518 кг/с.

1290

Составим таблицу теплового баланса (табл. 9.5).