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.

Таблица 9.1

Энтальпии образования и температурные зависимости теплоемкости

Компонент

АН0,

кДж/моль

Теплоемкость, Дж/(моль-К)

а

МО3

с-106

с'-10“5

Кислород

0

31,46

3,30

-3,770

Азот

0

27,87

4,27

СО

-110,50

28,41

4,10

-0,460

(N

О

и

-393,51

44,14

9,04

-8,530

Водород

0

27,28

3,26

0,502

Вода

-241,84

30,00

10,71

0,330

Метанол

-201,20

15,28

105,20

-31,04

Метан

-74,85

17,45

60,46

1,117

сн2о

-115,90

18,82

58,38

-15,61

НСООН

-376,70

19,40

112,80

-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)

23,950

156,54

1041,0

(2)

16,750

-85,30

-397,0

(3)

0,154

-126,35

5,4

(4)

0,456

115,49

-14,6

(5)

2,750

502,64

-384,0

(6)

2,450

-519,45

354,0

Итого:

63,930

604,8

Таблица 9.3

Средние теплоемкости компонентов реакции

Компонент

Т еплоемкость,

Т еплоемкость,

Дж/(моль-К)

Дж/(кг-К)

Кислород

31,46

1050

Азот

27,87

1120

СО

28,41

ИЗО

(N

О

и

44,14

ИЗО

Водород

27,28

14500

Вода

30,00

2130

Метанол

15,28

2440

Метан

17,45

4050

сн2о

18,82

1820

НСООН

19,40

1700

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.

Таблица 9.4

Тепловой баланс прогресса получения формальдегида

Приход тепла

Расход тепла

Статьи

кВт

%

Статьи

кВт

%

Спирто-воздуш-

Формальдегид

493,4

29,87

ная 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

С02

27,1

1,64

Тепло реакции

604,8

36,61

СО

0,07

Ошибки

Метан

6,6

0,40

округления

0,2

0,01

Водород

109,9

6,65

Азот

477,9

28,93

Потери тепла

78,7

4,77

Итого:

1651,9

100

Итого:

1651,9

100

Физическое тепло, уносимое компонентами из реакционной зоны:

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

Состав газовой смеси

Компонент

Состав газовой смеси, % по объему

на входе

на выходе

Водород

74,1

62,06

Азот

24,7

20,70

Аммиак

1,2

17,24

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).

Таблица 9.5

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака

Приход тепла

Расход тепла

Статьи прихода

кВт

Статьи расхода

кВт

Г азовая смесь

1550

Г азовая смесь

4620

Реакция синтеза

10806

Охлаждающая вода

11588

Охлаждающая вода

4706

Потери тепла

854

Итого:

17062

Итого:

17062

Добавить комментарий

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Технологические схемы процессов гранулирования дисперсных материалов

К основному оборудованию для промышленного уплотнения дис­персных материалов относятся смеситель, устройство для уплотнения (тарель, пресс, экструдер и др.), конвейер, сушилка или классификатор. Обязательными в установках являются системы пылеулавливания, включающие как …

Гранулирование в псевдоожиженном слое

В псевдоожиженном слое получают гранулы удобрений, таких как карбоаммофоски, карбамида, аммиачной селитры, нитрофоски, аммофо­са, а также кормовых дрожжей, лекарственных форм, алюмосиликатов, порошков синтетических цеолитов и др. Сущность процесса заключается в …

Закономерности уплотнения материала и аппаратурное оформление метода прессования

Руда и рудные концентраты, металлическая стружка, отходы ме­таллургических заводов и обогатительных фабрик, стекольные шихты могут быть переработаны в куски-брикеты прессованием с добавлением и без добавления связующего вещества. Метод прессования используется …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

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

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.