Тепловий розрахунок І теплової підстадії

ТЕПЛОВІ РОЗРАХУНКИ

Теплові розрахунки виконуються з метою визначення кількості тепла, яке необхідно підвести або відвести для здійснення процесу, обчислення поверхні теплообміну і витрат теплоносіїв і холодоагентів.

Для періодичного процесу теплові розрахунки і тепловий баланс складаються на одну операцію за прийнятим або заданим температурним графіком роботи апарату [13]. Для першої стадії технологічного процесу одержання о-ТСА температурний графік роботи реактора матиме такий вигляд:

Рис. 4.1 Температурний графік роботи реактора Р1

І теплова підстадія – розігрів вихідних речовин від 20 до 50°С;

ІІ теплова підстадія – витримка при постійній температурі 50°С;

ІІІ теплова підстадія – охолодження продуктів реакції від 50 до 20°С.

Рівняння теплового балансу має вигляд:

,

де - тепло, що вноситься в апарат з вихідними речовинами, кДж;

- тепло, що підводиться теплоносієм або відводиться холодоагентом, кДж;

- тепловий ефект процесу, кДж;

- тепло, що виноситься з апарата продуктами реакції (або тепло, що міститься в продуктах в кінці теплової стадії), кДж;

- тепло, що витрачається на нагрівання (охолодження) окремих частин апарату, кДж;

- тепло, що витрачається апаратом у навколишнє середовище, кДж.

Основну величину визначають з рівняння:

.

Кількість тепла, що вноситься в апарат з вихідними речовинами, або ж виноситься з апарата з продуктами реакції, може бути визначена за формулою:

,

де - маса і-того компоненту на одне операційне завантаження, кг;

- питома теплоємність і-того компоненту, кДж/(кг·К);

- температура і-того компоненту, °С.

,

де - маса і-того компоненту на 1 тонну 100-ного % готового продукту;

- перерахунковий коефіцієнт від завантаження на 1 тонну готового продукту до операційного завантаження;

,

де - перерахунковий коефіцієнт від завантаження на 1 тонну готового продукту до добового завантаження, ;

- число операцій, які проводяться на даній стадії за добу, оп/добу;

.

Оскільки в довіднику вказані молярні теплоємності неорганічних речовин [5], то необхідно провести їх перерахунок в питомі за формулою [13]:

,

де - молярна теплоємність і-того компонента, Дж/(моль·К);

- молекулярна маса, г/моль.

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К).

За відсутності дослідних даних значень питомої теплоємності 25%-ного водного розчину аміаку розрахуємо її за формулою [13]:

,

де - масовий вміст аміаку і води у розчині, %;

- питомі теплоємності аміаку і води, кДж/(кг·К).

кДж/(кг·К).

За відсутності даних теплоємності органічних речовин, визначаємо її за правилом Коппа [13]:

,

де - атомна теплоємність елементів, що входять у склад молекули, кДж/(кг·К);

- число однойменних атомів у молекулі;

- молекулярна маса сполуки.

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К).

Теплоємність, розраховану за формулою Коппа, рекомендується збільшити на 5-10%:

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К).

Таблиця 4.1

Значення питомих теплоємностей речовин

№ п/п	Назва речовини	Питома теплоємність, кДж/(кг·К)
1.	о -Толуенсульфохлорид	1,780
2.	п -Толуенсульфохлорид	1,780
3.	о -Толуенсульфамід	1,362
4.	п -Толуенсульфамід	1,362
5.	о -Толуенсульфонат амонію	2,335
6.	Аміак	2,094
7.	Вода	4,183
8.	Амонію хлорид	1,572

Маси і-тих компонентів на одне операційне завантаження взяті із таблиці 2.1. Обчислимо кількість тепла, що вноситься в реактор з вихідними речовинами:

кДж.

При розрахунку прийнятий ступінь перетворення вихідних речовин у продукти реакції на даній стадії спричиняє необхідність проведення додаткових матеріальних розрахунків. Припустимо, що на першій тепловій підстадії ступінь перетворення складає 80%. Очевидно, що продукти реакції на цій стадії будуть представляти собою суміш, у якій міститься по 80% (від загальної кількості речовин, що утворюються з урахуванням коефіцієнту виходу на стадії) кінцевих продуктів реакції і по 20% вихідних продуктів, які вступають у хімічну взаємодію, плюс надлишок вихідних компонентів.

Склад продуктів реакції на І тепловій підстадії на одне операційне завантаження (див. табл. 2.2):

1. о -Толуенсульфамід……..……….………..…….......кг

2. п -Толуенсульфамід………..……....….…...………….кг

3. о -Толуенсульфонат амонію…...……..........…...............кг

4. Амонію хлорид.............................................................кг

5. о -Толуенсульфохлорид...............................................кг

6. п -Толуенсульфохлорид..................................................кг

7. Аміак..........................................кг

8. Вода................................................................кг

Обчислимо кількість тепла, що міститься в продуктах реакції в кінці першої теплової підстадії:

Тепловий ефект процесу - це сумарна кількість тепла, яке виділяється або поглинається при перебігу хімічних реакцій і фізико-хімічних процесів, що їх супроводжують:

,

де - маса 100%-ної реагуючої сполуки на одне завантаження, кг;

- коефіцієнт виходу хімічної реакції, соті долі відсотка;

- коефіцієнт виходу хімічної реакції на тепловій підстадії, соті долі відсотка;

- молярний тепловий ефект хімічної реакції, кДж/моль.

Відповідно до закону Гесса для розрахунку молярного теплового ефекту хімічної реакції необхідно від суми теплот утворення продуктів реакції відняти суму теплот утворення вихідних речовин:

,

де і - сума теплот утворення сполук, що вступають в реакцію і утворюються в результаті реакції відповідно, кДж/моль.

При відсутності теплот утворення сполук їх можна розрахувати за теплотами згоряння, як різницю між теплотою згоряння елементів, що входять до складу сполуки і теплотою згоряння самої сполуки [13]:

,

де - теплота утворення сполуки, кДж/моль;

- число однойменних атомів у молекулі;

- теплота згоряння 1 грам-атома елемента, кДж;

- теплота згоряння сполуки, кДж/моль.

Для визначення теплот утворення сполук, що знаходяться в іншому агрегатному стані, вноситься поправка на теплоти фізичних процесів [13]:

.

Оскільки вихідні речовини – рідини, а в результаті реакції утворюється тверді речовини – о -ТСА і п -ТСА, то теплова поправка на агрегатний стан для о -ТСА і п -ТСА буде рівною теплоті топлення відповідно о -ТСА і п -ТСА, яка розраховується за формулою [13]:

кДж/моль,

де - постійна величина, яка для органічних сполук рівна 9-15; приймаємо, що ;

- температура топлення, °К; для о -ТСА °С, а для п -ТСА °С.

кДж/кг;

кДж/кг.

Теплота згоряння рідких органічних сполук визначається за формулою:

кДж/моль,

де - число електронів, що переміщуються при згорянні органічної сполуки;

- число однойменних замісників;

- теплова поправка на зв'язок із замісником, кДж/моль.

Розрахунок теплоти згоряння о -ТСХ:

- число електронів, що переміщуються при згорянні:

;

- число теплових поправок: ;

- чисельні значення теплових поправок [41, 46]:

кДж/моль;

кДж/моль;

кДж/моль.

Розрахунок теплоти згоряння о -ТСА і п -ТСА:

- число електронів, що переміщуються при згорянні:

;

- число теплових поправок: ;

- чисельні значення теплових поправок:

кДж/моль;

кДж/моль;

кДж/моль;

кДж/моль.

Розрахуємо теплоти утворення о -ТСХ, о -ТСА і п -ТСА:

кДж/моль;

;.

Теплота утворення о -толуенсульфонату амонію (сіль органічної кислоти) розраховується за формулою:

кДж/моль,

де - теплота утворення о-толуєнсульфокислоти (о -ТСК), кДж/моль;

- теплота заміщення –SO₂OH на –SO₂ONH₄, кДж/моль.

кДж/моль,

де - теплота утворення амонію сульфату, кДж/моль;

- теплота утворення сульфатної кислоти, кДж/моль;

кДж/моль; кДж/моль [26];

кДж/моль.

Розрахунок теплоти згоряння о -ТСК:

- число електронів, що переміщуються при згорянні:

;

- число теплових поправок: ;

- чисельні значення теплових поправок:

кДж/моль;

кДж/моль;

кДж/моль.

Теплота утворення о -ТСК:

кДж/моль.

Теплота утворення о -толуенсульфонату амонію рівна:

кДж/моль.

Таблиця 4.2

Значення теплот утворення речовин [5]

№ п/п	Назва речовини	Теплота утворення, кДж/моль
1.	о -Толуенсульфохлорид	135,41
2.	п -Толуенсульфохлорид	135,41
3.	о -Толуенсульфамід	298,58
4.	п -Толуенсульфамід	286,86
5.	о -Толуенсульфонат амонію	570,71
6.	Аміак	46,19
7.	Вода	285,83
8.	Амонію хлорид	314,20

Розрахуємо тепловий ефект основної реакції:

кДж/моль.

Розрахуємо тепловий ефект побічних реакцій:

кДж/моль;

кДж/моль.

Тепловий ефект процесу дорівнює:

кДж;

кДж;

кДж;

кДж.

Витрата тепла на охолодження окремих частин апарату визначається за формулою:

,

де - маса окремих частин апарату, кг;

- теплоємність окремих частин апарату, кДж/(кг·К);

- середня початкова температура окремих частин апарату, °С, °С;

- середня кінцева температура окремих частин апарату, °С.

Середня кінцева температура дорівнює середньому арифметичному між температурами стінок з боку холодоагента і реакційної маси:

,

де - температура стінки апарату з боку холодоагента, °С;

- температура стінки апарату з боку реакційної маси, °С;

;

;

,

де - температура холодоагента, °С;

- температура реакційної маси, °С;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарату до холодоагенту, Вт/(м²·К);

- коефіцієнт тепловіддачі від реакційної маси до стінки апарату, Вт/(м²·К);

- коефіцієнт теплопередачі від реакційної маси до холодоагенту, Вт/(м²·К);

- товщина стінки апарату (одного шару стінки), м;

- теплопровідність стінки (одного шару стінки), Вт/(м²·К).

розраховується для кожної частини апарату.

Рис. 4.2 До розрахунку Q₅ i Q₆: 1-емалеве покриття; 2 – стінка апарата;

3 – стінка сорочки; 4 - теплоізоляції

Для розрахунку витрати тепла на охолодження окремих частин апарату випишемо із довідникової літератури необхідні дані.

Процес протікає в реакторі об'ємом 0,5 м³. Діаметр апарату мм, діаметр апарату з сорочкою мм. Висота апарату становить мм. Маса окремих частин апарату становить [13]:

- маса царги кг;

- маса накривки кг;

- маса днища кг;

- маса лопатевої мішалки кг;

- маса сорочки кг;

- маса ізоляції кг.

Товщина стінок апарату і сорочки: мм; мм.

Товщина ізоляції з пінополістиролу (ППС): мм.

Товщина емалевого покриття мк.

Температура холодоагенту (розсолу) становить 1 °С, температура реакційної маси рівна 50 °С.

Теплоємність матеріалів становить [18]: кДж/(кг·К); кДж/(кг·К).

Теплопровідність матеріалів складає [18]: Вт/(м·К); Вт/(м·К); Вт/(м·К).

Коефіцієнт тепловіддачі при нагріванні і охолодженні розсолу Вт/(м²·К) [13].

Коефіцієнт тепловіддачі при нагріванні і охолодженні органічних речовин Вт/(м²·К) [13].

Розрахуємо коефіцієнт теплопередачі від реакційної маси до холодоагенту:

Вт/(м²·К);

Вт/(м²·К).

Температура стінки з боку холодоагента:

°С.

Температура стінки з боку реакційної маси:

°С.

Середня кінцева температура стінки апарату:

, °С;

°С.

Для розрахунку кількості тепла, що віддає накривка апарата, визначимо коефіцієнт теплопередачі від верхньої частини апарату до повітря:

Вт/(м²·К).

Приймаємо, що середня кінцева температура накривки апарату становить 25 °С.

Розрахуємо коефіцієнт теплопередачі від навколишнього середовища до холодоагенту через теплоізоляцію і стінку сорочки:

,

де - коефіцієнт теплопередачі від навколишнього середовища до холодоагенту через теплоізоляцію і стінку сорочки, Вт/(м²·К).

- товщина стінки сорочки, м;

- товщина теплоізоляції, м;

- теплопровідність стінки сорочки, Вт/(м²·К);

- теплопровідність ізоляції, Вт/(м²·К);

- коефіцієнт тепловіддачі від навколишнього середовища до стінки апарату, Вт/(м²·К);

Коефіцієнт є алгебраїчною сумою тепловіддачі конвекцією і випромінюванням . Якщо температура стінок не перевищує 200 °С, то величиною можна знехтувати. Величина визначається за формулою:

,

де - температура зовнішньої поверхні стінки апарату, °С;

- температура навколишнього середовища (приміщення цеху), °С;

Приймаємо, що °С; °С, тоді

Вт/(м²·К).

Вт/(м²·К).

Розрахуємо середню температуру стінки сорочки:

,

де - температура стінки сорочки зі сторони холодоагенту, °С;

- температура стінки сорочки зі сторони теплоізоляції, °С;

;

;

де , а ;

; ;

°С;

°С;

°С.

Аналогічно розраховуємо середню температуру шару теплоізоляції:

температура шару ізоляції зі сторони сорочки:

°С;

температура шару ізоляції зі сторони навколишнього середовища дорівнює температурі зовнішньої стінки ізольованої поверхні апарату °С;

оскільки співвідношення , то середню температуру шару ізоляції обчислюємо за такою формулою:

, °С;

°С.

Розрахуємо :

Тепло, що витрачається в навколишнє середовище:

,

де - поверхня частини апарату, що втрачає тепло (холод), м²;

- тривалість процесу, год; год (табл. 3.1);

Площа поверхні ізольованої частини апарату:

м².

Площа поверхні неізольованої частини апарату:

м².

Коефіцієнт тепловіддачі від неізольованої стінки апарату в навколишнє середовище:

Вт/(м²·К);

Коефіцієнт тепловіддачі від навколишнього середовища до ізольованої стінки апарату:

Вт/(м²·К);

Визначаємо :

кДж.

Визначаємо тепло, що необхідно відвести за допомогою холодоагенту:

кДж.

Дата добавления: 2014-10-23