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)^;

Для горизонтальных трубопроводов

И>

А = 3 9—____

(Р, А'

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием (температура в К)

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

^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,

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;

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