Теплові розрахунки з дисципліни Процеси й апарати хімічних виробництв

2.6.2. Теплові розрахунки

2.6.2.1 Мета теплових розрахунків – визначення конструктивних характеристик апарата і кількості теплоносіїв, необхідних для забезпечення заданого температурного режиму.

2.6.2.2 Теплові розрахунки виконують для всіх апаратів, в яких відбуваються хімічні, фізико-хімічні перетворення та/або теплообмін.

2.6.2.3 Якщо в розрахованому апараті зміна складу матеріальних потоків є механічною і не пов’язана з хімічними або фізико-хімічними перетвореннями (змішання, транспортування речовин, тощо), теплові розрахунках не виконують.

2.6.2.4 Розрахунки подають докладно з максимальною кількістю пояснень. Пояснення повинні бути зрозумілі неспеціалісту. Незрозумілі пояснення або їх відсутність вважаються суттєвим недоліком.

2.6.2.5 Спочатку розраховують кількість теплоти, що надходить в апарат зі всіх можливих джерел: фізична теплота матеріальних потоків приходної частини матеріального балансу, теплота, що виділяється в результаті протікання екзотермічних хімічних реакцій та фізико-хімічних перетворень (фазові переходи, розчинення, гідратація, тощо). Потім розраховують кількість теплоти, яка залишає апарат всіма можливими шляхами: фізична теплота матеріальних потоків витратної частини матеріального балансу, теплота, що витрачається на протікання ендотермічних хімічних реакцій та фізико-хімічних перетворень (фазові переходи, розчинення, гідратація, тощо), втрати в оточуюче середовище.

2.6.2.6 Фізичну теплоту розраховують як добуток кількості відповідної речовини на питому теплоємність та температуру. У цьому випадку температуру слід виражати в градусах шкали Цельсія. Величину середньої питомої теплоємності слід брати із літературних джерел з обов’язковим урахуванням розрахункової температури та в одиницях вимірювання, відповідних тим, в яких виражена кількість речовин.

Приклади

Речовина надходить в апарат за температури 200ºС в кількості 100 кг/год. Питома теплоємність повинна бути взята для 200ºС та виражена в кДж/(кг·К).

Речовина надходить в апарат за температури 600ºС в кількості 10 кмоль/с. Питома теплоємність повинна бути взята для 600ºС та виражена в кДж/(кмоль·К).

Газ надходить в апарат в кількості 1000 нм³/год. Питома теплоємність повинна бути взята для нормальних умов та виражена в кДж/(м³·К).

2.6.2.7 Теплоту, що виділяється або поглинається в результаті протікання хімічних реакцій та фізико-хімічних перетворень розраховують множенням відповідного теплового ефекту на кількість речовини, що витрачається або утворюється. Так теплоту хімічної реакції розраховують множенням кількості продукту, що було отримано, на ентальпію хімічної реакції. Останню розраховують за законом Геса для нормальних умов та додають до отриманого значення величину зміни ентальпії в результаті зміни температури згідно закону Кірхгофа.

2.6.2.8 Результати теплових розрахунків подають у вигляді таблиці теплового балансу, яка складається щонайменше з двох частин: «Прихід» і «Витрата», які мають обов’язкові графи: «Статті» та «Кількість теплоти». Інші графи автор вставляє в таблицю на свій розсуд.

2.6.2.9 Внизу таблиці підводять риску та записують підсумковий рядок. В графі «Статті» пишуть «Всього» або «Сума». В інших графах – суми значень, наведених в них вище.

2.6.2.10 Якщо суми мас «Приходу» і «Витрати» не збігаються, під таблицею слід навести нев’язку балансу 

де  – сума теплот «Приходу»;

– сума теплот «Витрати».

2.6.2.11 У ряді випадків допускається розраховувати деякі статті витратної частини теплового балансу як різницю між сумою «Приходу» та сумою інших статей «Витрати». Наприклад, якщо «Витрата» складається тільки з теплоти фізичної і втраченої та кількість втраченої теплоти відома, фізичну теплоту можна розрахувати, як різницю між сумою «Приходу» і кількістю втраченої теплоти.

Приклад 

ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК КОНТАКТНОГО АПАРАТУ ДЛЯ ОКИСЛЕННЯ АМІАКУ

Вихідні дані:

− кількість аміаку, що окислюється −

− кількість повітря −

− температура аміачно-повітряної суміші −

− стандартна ентальпія реакції (2.1) −  [1];

− стандартна ентальпія реакції (2.2) − ; [1];

− втрати теплоти в оточуюче середовище – 3% від приходу.

Розрахуємо теплові ефекти реакцій (2.1) і (2,2) за умов, існуючих в контактному апараті. Температуру сіток приймемо Т=1173 К.

Для зручності розрахунку перепишемо ці реакції на один киломоль аміаку:

NH₃ + 1,25O₂ = NO + 1,5H₂O +226,0 кДж. (2.1)

NH₃ + 0,75O₂ = 0,5N₂ + 1,5H₂O + 317,2 кДж. (2.2)

Розрахуємо тепловий ефект реакції (2.1´) за законом Кирхгофа. 

де  – алгебраїчні суми відповідних коефіцієнтів поліномів, які виражають дійсну мольну теплоємність 

Дійсні мольні теплоємності речовин-учасників реакцій [2]: 

Розрахуємо

З урахуванням цих значень тепловий ефект реакції (2.1) становить

Аналогічно розрахуємо тепловий ефект реакції (2.2)

Знаючи величини теплових ефектів, розрахуємо кількість теплоти, що виділяється в результаті окислення аміаку в даному контактному апараті

Загальна кількість теплоти, що виділяється 

Середні мольні теплоємності аміаку та повітря для температури  становлять [2].

Фізична теплота аміаку та повітря, що надходять в контактний апарат

де і  – кількість молів аміаку і повітря.

Всього фізичної теплоти 

Теплоємність нітрозних газів розрахуємо адитивним способом 

де  – кількість молів компонентів нітрозних газів;

– сумарна кількість молів нітрозних газів.

Розрахуємо дійсні мольні теплоємності для прийнятої температури Т=1173 К 

Використовуючи дані матеріального балансу, розрахуємо теплоємність нітрозних газів

Розрахуємо температуру на сітках 

Розрахована температура Т=760+273=1033К значно відрізняється від прийнятої величини (1173 К) і знаходиться в області температур, де робота сіток неефективна. Отже деякі початкові умови були взяті невірно.

Збільшимо температуру аміачно-повітряної суміші −

Середні мольні теплоємності аміаку та повітря для цієї температури становлять ,  [2].

Фізична теплота аміаку та повітря, що надходять в контактний апарат

Всього фізичної теплоти 

Температура на сітках становить 

Ця температура Т=866+273=1139 К відрізняється від прийнятої незначно, тому слід вважати, що нові початкові умови прийняті правильно.

Нітрозні гази виносять із контактного апарату 97% теплоти, що в нього поступила 

Втрати теплоти в оточуюче середовище становлять 3% або 

Таблиця 2 – Тепловий баланс контактного апарату

Для перевірки розрахуємо фізичну теплоту нітрозних газів через їх мольні теплоємності.

Температура нітрозних газів на виході із контактного апарату становить 

Розрахуємо дійсні мольні теплоємності для температури Т=840+273=1113 К

Теплоємність нітрозних газів для даної температури 

Фізична теплота нітрозних газів 

Цей результат відрізняється від отриманого вирахуванням втрат тільки на, що є незначною похибкою. Можемо зробити висновок, що тепловий розрахунок виконаний правильно.

Список літератури

1. Кутепов, А.М. Общая химическая технология [Текст]: учеб. для техн. вузов / А.М.Кутепов, Т.И.Бондарева, М.Г.Беренгартен. – М.: Высш. шк., 1985. – 448 с.

2. Бесков, С.Д. Технохимические расчеты [Текст] / С.Д.Бесков. − М.: Высш. школа, 1966. – 495 с.

З повагою ІЦ "KURSOVIKS"!