Энергетические расчеты

Лекция 13

1.1 Энергетические расчеты

1.2 Эксергия потока рабочего тела

1.3 Степень термодинамического совершенства технологических процессов

При проектировании про­изводства основной задачей энергетических расчетов является расчет расходов различных видов энергии, используемой для проведения процессов, с определением расходных коэффициентов на единицу массы готовой продукции, а также расчет поверхности теплообмена оборудования и мощности нагревательных устройств.

Важным параметром большинства технологических стадий явля­ется температура. Обеспечение заданного регламентного температур­ного режима достигается организацией теплообмена, что требует точ­ного учета тепла, участвующего в производственных процессах. Это достигается тепловыми расчетами оборудования, выполняемыми в виде теплового баланса.

При отсутствии данных о кинетике химических реакций тепловой баланс химического реактора составляют в интегральной форме на основе эмпирических данных.

Исходными данными для теплового расчета являются:

- данные материального баланса стадий процесса;

- сведения о температурном режиме процесса;

- химическая схема синтеза с указанием основной и побочных реакций, степени превращения, выходов (по отношению к теоретическому);

- сведения о степени протекания реакций на стадиях, подлежащих тепловому расчету, и о физико-химических процессах, сопровождаю­щих химические реакции или протекающих самостоятельно, тепловые характеристики исходных веществ, реакционных масс или их компо­нентов, теплоносителей и хладагентов.

Уравнение теплового баланса обычно представляют в общем виде:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆

где Q₁ - тепло, вносимое в аппарат с исходными веществами (для непрерывного процесса), или энтальпия (теплосодержание) веществ в аппарате в начале стадии (зоны) теплообмена (для периодического процесса); Q₂ - тепло, отдаваемое теплоносителем перерабатываемым веществам и аппарату или отнимаемое от них хладагентом; Q₃ - тепловой эффект процесса; Q₄ - тепло, уносимое из аппарата конеч­ными продуктами (для непрерывного процесса), или энтальпия ве­ществ в аппарате в конце стадии (зоны) теплообмена (для периоди­ческого процесса); Q₅ - тепло, расходуемое на нагревание отдельных деталей аппарата или отнимаемое от них хладагентом; Q₆ - тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду или получаемое им из нее.

Размерности слагаемых Q_i теплового баланса для непрерывного процесса - кВт, для периодического - кДж.

В случае непрерывного процесса тепловой расчет проводят на 1 ч работы аппарата, в случае периодического процесса - на одну операцию для всех стадий (зон), связанных с теплообменом. К ним отно­сятся нагревание, охлаждение, а также стадии, на которых происходят химические реакции или физико-химические процессы (растворение, кристаллизация, изменение агрегатного состояния веществ и т. п.).

В основе теплового расчета периодического процесса лежит температурный график - зависимость температуры в аппарате от времени, по которому определяют зоны теплообмена.

Ниже приведены формулы расчета составляющих теплового ба­ланса:

Q₁ = ∑ G₁^НС_pHT_H

где G₁^Н - расход исходного вещества или компонента реакционной массы для непрерывного процесса, кг/ч; масса вещества в начале зоны тепло­обмена или масса вещества, загружаемого в аппарат в начале этой зоны, для периодического процесса, кг; С_pH - теплоемкости соответствующих веществ или компонентов при Т_н, кДж/(кг • К); Т_н - температура исход­ного вещества или компонента реакционной массы на входе в аппарат - для непрерывного процесса или же начальная температура стадии теплообмена либо температура вещества, загружаемого в аппарат на этой стадии,- для периодического процесса, К;

Q₄ = ∑ G₁^*С_pKT_K

где G₁^* - расход продукта или компонента реакционной массы на выходе из аппарата - для непрерывного процесса, кг/ч; масса веще­ства или компонента реакционной массы в конце стадии теплообмена - для периодического процесса, кг; Т_к - температура продукта или компонента реакционной массы на выходе из аппарата - для непре­рывного процесса или же температура реакционной массы в конце зоны теплообмена - для периодического процесса, К; С_рк — тепло­емкость вещества при Т_к, кДж/(кг • К).

Массовые количества веществ G берут по данным материаль­ного баланса для периодических процессов - масса веществ на одну загрузку; для непрерывных процессов - масса веществ за 1 ч работы аппарата.

Значения температур заданы технологическим регламентом. Тепловой эффект химического процесса представляет собой сум­марное количество теплоты, которая выделяется или погло­щается при протекании химических реакций и сопровождающих их физико-химических процессов (растворение, гидратация, ис­парение и т. д.):

Q₃ = Q_p + Q_ф.п.

где Q_P - тепловой эффект химического процесса, кДж; Q_ф.п. - тепловой эффект физического процесса, кДж.

Тепловой эффект химических реакций Q_p определяют: 1) по теплотам образования из элементов реагирующих и образую­щихся соединений; 2) по теплотам сгорания исходных веществ и продуктов реакции; 3) по константам равновесия.

Тепловой эффект химических реакций чаще всего находят по первому методу. При этом для вычислений пользуются за­коном Гесса:

Q_p = q_pN

где q_р - молекулярная теплота реакции; N - число молей образующихся веществ.

Молекулярная теплота реакции определяется по формуле:

q_p = ∑ q_к - ∑ q_н

Здесь ∑ q_к - сумма теплот образования соединений при химическом взаимодействии, кДж/моль; ∑ q_н - сумма теплот образования соединений, q_c - мольная теплота сгорания соединения, кДж/кмоль.

Теплоты образования реагирующих и образующихся соеди­нений могут быть найдены в справочниках физико-химических величин. При отсутствии этих данных их можно вычислить по теплотам сгорания как разность между теплотой сгорания эле­ментов, входящих в соединение, и теплотой сгорания самого соединения.

Теплота, затраченная на нагрев или охлаждение отдельных частей аппарата:

Q₅ = ∑ G_С (t_к - t_н)

Здесь G – масса отдельных частей аппарата; с — удельные теплоемкости отдельных частей аппарата; ­ t_н ,t_к - начальная и конечная температуры отдельных частей аппарата.

Начальная температура t_н равна температуре помещения цеха (ориентировочно 15—20°С).

Конечная температура t _к приближается к температуре того теплоносителя, для которого коэффициент теплоотдачи a больше.

При a₁ ~ a₂ конечная температура t_к равна среднему ариф­метическому между температурами стенок со стороны грею­щего (охлаждающего) агента и реакционной массы:

t_K = (t_гор + t_р) / 2; t_K = (t_хол + t_р) / 2

Результаты теплового расчета сводятся в таблицу теплового баланса.

Дата добавления: 2014-01-04