Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Принцип составления энергетического (теплового) баланса и тепловые расчеты химико-технологических процессов: Учебное пособие

Голосов: 5

Учебное пособие "Принципы составления энергетического (теплового) баланса и тепловые расчеты химико-технологических процессов" подготовлено в соответствии с общей программой обучения студентов по группе специальностей 240301 - "Химическая технология неорганических веществ". Пособие содержит теоретические обоснования, примеры тепловых расчетов и принципы составления энергетического баланса при получении минеральных удобрений и других неорганических веществ. Пособие также включает контрольные задания для студентов. Подготовлено на кафедре химии и экологии НовГУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                   Федеральное агентство по образованию
      Федеральное государственное образовательное учреждение
              высшего профессионального образования
 Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
         Факультет естественных наук и природных ресурсов
                     Кафедра химии и экологии.




        ПРИНЦИП СОСТАВЛЕНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО (ТЕПЛОВОГО) БАЛАНСА
    И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ХИМИКО-
    ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

                      Учебное пособие




                            В. Новгород
                               2006г


                                    2




     Составитель: Грошева Л. П.

      Учебное пособие «Принципы составления энергетического (теплового)
баланса и тепловые расчеты химико-технологических процессов» подготовлено
в соответствии с общей программой обучения студентов по группе
специальностей 240301 – «Химическая технология неорганических веществ».
      Пособие содержит теоретические обоснования, примеры тепловых
расчетов и принципы составления энергетического баланса при получении
минеральных удобрений и других неорганических веществ.
      Пособие также включает контрольные задания для студентов.




                             УДК (661.2 +661.5 +661.63+661.9:66 –971(042.4)


                                         © Новгородский государственный
                                         университет, 2006

                                         © Грошева Л.П., 2006


                                                           3
                                                      Содержание

Введение ....................................................................................................................... 4
1 Принцип составления энергетического (теплового) баланса .............................. 5
2 Расчет теплот химических и физических превращений ...................................... 8
3 Расчет теплового баланса промышленных процессов ....................................... 10
4 Контрольные задания............................................................................................. 13


                                   4
                                Введение

    Учебное пособие предназначено для студентов при выполнении расчетных
работ по курсу «Химическая технология неорганических веществ».
    Прежде чем приступить к конструированию какого-либо аппарата
химического      производства      необходимо     произвести     подробный
технохимический расчет всего процесса производства или той его части,
которая непосредственно связана с конструируемым аппаратом. В основу
любого технохимического расчета положены два основных закона: закон
сохранения массы вещества и закон сохранения энергии. На первом из этих
законов базируется всякий материальный, на втором – всякий энергетический,
в том числе и тепловой, балансы.
    Закон сохранения энергии формулируется так: в замкнутой системе сумма
всех видов энергии постоянна; энергия не может ни исчезнуть бесследно, ни
возникнуть из ничего; она может только перейти в строго эквивалентное
количество другого вида энергии. Так как теплота представляет собой один из
видов энергии, то в случае, если она в данном аппарате не превращается в
другой вид энергии, этот закон может быть сформулирован следующим
образом: приход теплоты в данном цикле производства должен быть точно
равен расходу ее в этом же цикле. При этом должно быть учтено
теплосодержание каждого компонента, как входящего, так и выходящего из
процесса или аппарата, а также теплообмен с окружающей средой.
    Изменение, которое претерпевает в процессе производства вещество,
может быть или физическим, в результате которого вещество меняет только
свои физические свойства или же химическим, в результате которого вещество
претерпевает изменения химического состава. Таким образом, прежде чем
приступить к составлению материального и теплового баланса того или иного
технологического процесса, необходимо ясно и четко представлять себе
закономерности этого процесса.


                                  5
       1 Принцип составления энергетического (теплового) баланса

    Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может быть
представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход энергии (тепла)
процесса (аппарата). Энергетический баланс составляется на основе закона
сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех
видов энергии постоянна. Обычно для химических процессов составляется
тепловой баланс. Уравнение теплового баланса:
                                     ΣQпр = ΣQрасх                           (1.1)
    или                              ΣQпр – ΣQрасх = 0                       (1.2)
    Применительно к тепловому балансу закон сохранения энергии
формулируется следующим образом: приход теплоты в данном аппарате (или
производственной операции) должен быть равен расходу теплоты в том же
аппарате (или операции).
    Для аппаратов (процессов) непрерывного действия тепловой баланс, как
правило, составляют на единицу времени, а для аппаратов (процессов)
периодического действия – на время цикла (или отдельного перехода)
обработки.
    Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса с
учетом тепловых эффектов (экзотермических и эндотермических) химических
реакций и физических превращений (испарение, конденсация и т.п.),
происходящих в аппарате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с
продуктами реакции, а также через стенки аппарата.
    Тепловой баланс подобно материальному выражают в виде таблиц,
диаграмм, а для расчета используют следующее уравнение
           Qт + Qж + Qг + Qф + Qр + Qп = Q'т + Q'ж + Q'г + Q'ф + Q'р + Q'п   (1.3)
    где Qт ,Qж ,Qг – количество теплоты, вносимое в аппарат твердыми,
жидкими и газообразными веществами соответственно; Q'т, Q'ж, Q'г –количество
теплоты, уносимое из аппарата выходящими продуктами и полупродуктами
реакции и не прореагировавшими исходными веществами в твердом, жидком и
газообразном виде; Qф и Q'ф –теплота физических процессов, происходящих с
выделением и поглощением (Q'ф) теплоты; Qр и Q'р – количество теплоты,
выделяющееся в результате экзо- и эндотермических реакций (Q'р); Qп –
количество теплоты, подводимое в аппарат извне (в виде дымовых газов,
нагретого воздуха, сжигания топлива, электроэнергии и т.п.); Q'п –потери тепла
в окружающую среду, а также отвод тепла через холодильники, помещенные
внутри аппарата.
    Величины Qт ,Qж ,Qг, Q'т, Q'ж, Q'г рассчитывают для каждого вещества,
поступающего в аппарат и выходящего из него по формуле:
                                     Q = Gсt                                 (1.4)


                                      6
    где G – количество вещества, с – средняя теплоемкость этого вещества; t –
температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 00С).
    Теплоемкости газов в Дж/(кмоль·К), участвующих в процессе, для данной
температуры в 0С (или Т, К) можно подсчитать, пользуясь формулой:
                             С = а 0 + а 1Т + а 2Т 2               (1.5)
     Коэффициенты а0, а1,а2 – приведены в справочниках.
     Чаще всего приходится иметь дело со смесями веществ. Поэтому в
формулу (1.4) подставляют теплоемкость смеси Ссм, которая может быть
вычислена по закону аддитивности. Так, для смеси трех веществ в количестве
G1, G2 и G3, имеющих теплоемкости с1, с2 и с3
                ссм = G1с1 + G2 с2 + G3 с3/ G1 + G2 + G3           (1.6)
   Суммарная теплота физических процессов, происходящих в аппаратах,
может быть рассчитана по уравнению:
                             Qф = G1r1 + G2 r2 + G3 r3             (1.7)
    где r1, r2 и r3 – теплота фазовых переходов; G1, G2 и G3 – количества
компонентов смеси, претерпевших фазовые переходы в данном аппарате.
    Количество членов в правой части уравнения (1.7) должно соответствовать
числу индивидуальных компонентов, изменивших в аппарате свое фазовое
состояние.
    Аналогично рассчитывается расход теплоты на те физические процессы,
которые идут с поглощением теплоты (Q'ф): десорбция газов, парообразование,
плавление, растворение и т.п. Тепловые эффекты химических реакций могут
быть рассчитаны на основе теплот образования или теплот сгорания веществ,
участвующих в реакции. Так, по закону Гесса тепловой эффект реакции
определяется как разность между теплотами образования всех веществ в правой
части уравнения и теплотами образования всех веществ, входящих в левую
часть уравнения.
    Например, для модельной реакции: А + В = D + F + qр изобарный тепловой
эффект будет:
                      q¯р = qобр D + qобр F – ( qобр А + qобр В)   (1.8)
    Изобарные теплоты образования из элементов различных веществ q¯обр
(или –ΔН0) приведены в справочниках физико-химических, термохимических
или термодинамических величин. При этом в качестве стандартных условий
приняты: температура 250С, давление 1.01 *105Па и для растворенных веществ
концентрация 1 моль на 1 кг растворителя. Газы и растворы предполагаются
идеальными.
    Тепловой эффект реакции также равен сумме теплот образования
исходных веществ за вычетом суммы теплот образования продуктов реакции:
                      ΔН = Σ(ΔНобр)исх – (ΔНобр)прод               (1.9)


                                   7
    Для определения зависимости теплового эффекта реакции от температуры
применяется уравнение Нернста:
                qр = q¯р + Δа0Т + –½Δа1Т 2 + –1/3Δа2Т3            (1.10)
     где Δа0, Δа1, Δа2 – разности соответственных коэффициентов уравнения
(1.5) для продуктов реакции и исходных веществ. Значения этих
коэффициентов для отдельных реакций приведены в справочниках.
     Подвод теплоты в аппарат Qп можно учитывать по потере количества
теплоты теплоносителя, например, греющей воды (Gв и св)

                              Qп = Gвсв(tнач – tкон)              (1.11)
    пара                      Qп = Gr                             (1.12)
    или же по формуле теплопередачи через греющую стенку:
                              Qп = kТ F((tr – tх)τ                (1.13)
    где kТ – коэффициент теплопередачи; F –поверхность теплообмена; tr –
средняя температура греющего вещества (воды, пара); tх –средняя температура
нагреваемого вещества в аппарате; r –теплота испарения; τ –время.
    По этой и другим формулам теплопередачи можно также рассчитать отвод
теплоты от реагирующей смеси в аппарате или потерю теплоты в окружающую
среду Q'п. Эту статью расхода теплоты часто вычисляют по изменению
количества теплоты хладагента, например, охлаждающей воды или воздуха.
    Теплоту, получаемая при сжигании топлива или при превращении
электрической энергии в тепловую, подсчитывают по формулам:
    для пламенных печей            Qп = В Qнр                     (1.14)
    для электрических печей        Qп = NЯ                        (1.15)
    где В – расход топлива, м3/с или кг/с; Qрп – низшая теплота сгорания
топлива, дж/м3 или Дж/кг; N – мощность печи, Вт; Я – размерный коэффициент.
    При подсчетах теплоты сгорания топлива по его элементарному составу в
технических расчетах чаще всего используют формулу Менделеева
           Qрн = 339.3С + 1256Н – 109(О – S) – 25.2(9Н + W)       (1.16)
    Где С, Н, О, S – соответственно содержание углерода, водорода, кислорода
и серы, % масс.; W – содержание влаги в рабочем топливе (с учетом
содержания в нем А% золы, N% азота), % масс.
    Высшая теплота сгорания Qрв вычисляется при условии, что вся вода,
образовавшаяся при сгорании, влага, первоначально содержащаяся в топливе,
конденсируется из отходящих газов в жидкость и охлаждается до
первоначальной температуры, с которой поступает топливо в топку;
определяется по формуле:
                              Qрв = Qрн + 25.2 (9Н + W)           (1.17)


                                       8
    На основе элементарного состава топлива, теоретический расход воздуха
G(в кг на 1 кг топлива) рассчитывается по уравнению
                          Gтеор. = 0.116с + 0.348Н + 0.0135(S – О)      (1.18)
    Количество тепла, вносимого влажным воздухом, Iвозд, можно подсчитать
по формуле:
                         Iвозд = α Gтеор(1.02 + 1.95х)tвозд.
     где Gтеор– теоретический расход воздуха (в кг), идущего на сжигание 1 кг
рабочего топлива; α – коэффициент избытка воздуха (практически обычно для
твердого топлива α берется от 1.3 до 1.7); 1.02 – удельная теплоемкость
воздуха; 1.95 – удельная теплоемкость водяных паров; х – влагосодержание
воздуха (в кг) на 1 кг сухого воздуха; tвозд – температура воздуха, поступающего
на сгорание.


          2 Расчет теплот химических и физических превращений

    Пример №1.
    Определить теоретическую теплотворную способность                  углистого
колчедана, содержащего 45%S и 5%С в кДж/кг, зная, что 1 кг чистого
колчедана при сгорании дает 7060кДж/кг, а 1 кг чистого углерода – 32700
кДж/кг.
                        4FеS2 + 11О2 → 2Fе2О3 + 8SО2 + Q
                               С + О2 → 2СО2 + Q1
    Решение.
    Чистый колчедан (пирит) содержит 64 · 100/120 = 53.35% S (120 –
мол. масса FеS2). Следовательно, рассматриваемая руда содержит:
    Колчедан 45/53.35 = 0.842 кг, углерод 0.05 кг, пустая порода 0.108 кг.
Итого: 1 кг.
           Q = 7060 · 0.842 + 32700 · 0.05 = 5940 + 1635 = 7575 кДж/кг
    Пример №2.
    Рассчитать теоретическую температуру горения метана природного газа
(теплота сгорания 890319 кДж/моль) при избытке воздуха 25% (α =1.25).
    Решение.
    Реакция горения метана
    СН4 + 2О2 + 0.5О2 +2.5 · 3.76N2 = СО2 + 2Н2О (пар) + 0.5О2 + 2.5 · 3.76N2
                Избыток
    При начальной температуре метана и воздуха, равной 00С, и заданной
температуре горения, тепловой баланс выражается следующим уравнением:
               Q = 890310 = (сСО2 + 2сН2О + 0.5сО2 + 2.5 · 3.76сN2) t


                                    9
    Средняя мольная теплоемкость газов и паров с в кДж/(кмоль·град):
                18000С     19000С
    О2          34.9       35.1
    СО2         53.9       54.2
    N2          33.1       33.2
    Н2О (пар)   42.8       43.2
    Следовательно, при 18000С
 Q' = (53.9 + 2 · 42.8 + 0.5 · 34.9 + 2.5 · 3.76 · 33.1) · 1800 = (53.9 + 85.6 + 17.45 +
                     + 311) · 1800 = 467.95 · 1800 = 842000 кДж
                        Q' = 842000 кДж <Q = 890310 кДж
   Возьмем при 19000С
Q" = (54.2 + 2 · 43.2 + 0.5 · 35.1 + 2.5 · 3.76 · 33.2) · 1900 = (54.2 + 86.4 + 17.55 +
                   + 312.44)· 1900 = 470.6 · 1900 = 906000 кДж
Q" = 906000 кДж >Q = 890310 кДж
Δt1 = 1999 – 18800 = 1000С
Q" – Q = 906000 – 890310 = 15690 кДж
Q – Q' = 890310 – 842000 = 58310 кДж
Δt = t – 1800
Δt = 15690 · 100/58310 = 26.80С
t = 1800 + 26.8 = 18260С.
    Пример № 3.
    Степень окисления SО2 в SО3 составляет: х1 = 0.55 и х2 = 0.96. Рассчитать
изменение температуры в зоне реакции, если средняя теплоемкость газовой
смеси, содержащей SО2 – 8%, О2 – 11% и N2 – 81%, условно принимается
неизменной и составляет 1.382кДж/(м3 ·0С)
    Решение.
    Расчет ведется на 100м3 газовой смеси:
                       SО2 + ½О2 ↔ SО3 + 94400 кДж/кмоль
    Тогда             Q1 = (8/22.4) · 0.55 · 94400 = 18480 кДж,
                      Q2 = (8/22.4) · 0.96 · 94400 = 32200 кДж
                         V1 = 100 – (8 · 0.55 · 0.5) = 97.8 м3
                         V2 = 100 – (8 · 0.96 · 0.5) = 96.16 м3
      Δt1 = 18480/(1.382 · 97.8) = 1380С, Δt2 = 32200/(1.382 · 96.16) = 2440С


                                          10
    Пример №4.
    На 1-ый слой контактного аппарата при 45000С подается 10000 м3/ч
исходной газовой смеси, содержащей (в %об.): SО2 – 10.0%. О2 – 11.0%, N2 –
79.0%. В результате экзотермической реакции
            SО2 + ½О2 ↔ SО3 + Q' (где Q' = 101420 – 9.26Тср кДж/моль)
    Тср рассчитывают по формуле:
                         Тср = (Ткон – Тнач)/2.3 lg Ткон /Тнач.
    Температура газа повысилась до 5800С. Определить степень окисления SО2
в SО3, если принять теплоемкость газа неизменной и равной с = 1.38 кДж/м3
(изменением объема в результате реакции пренебрегаем).
    Решение.
                Q = nсV(t2 – t1); Δt = t2 – t1 = 580 – 450 = 1300С;
                      Q = 1.38 · 10000 · 130 = 1794000 кДж
     Тср = (853 – 723)/ 2.3lg(853/723) = 130/2.3 · 0.072 = 130/0.1655 = 785 К
                   Q ' = 101420 – 9.26 · 785 = 94150 кДж/кмоль
                      V SО3 = 1794000 · 22.4/94150 = 426 м3
    Следовательно, степень превращения 426/1000 = 0.426


            3 Расчет теплового баланса промышленных процессов

    Пример №1.
    Подсчитать тепловой баланс контактного аппарата для частичного
окисления SО2 производительностью 25000 м3/ч, если состав газовой смеси:
SО2 – 9%(об), О2 – 11%(об), N2 – 80%(об). Степень окисления 88%.
Температура входящего газа 4600С; выходящего – 5800С. Средняя теплоемкость
смеси (условно считаем ее неизменной) с = 2.052 кДж/(м3 /град). Потери тепла в
окружающую среду принимаем 5% от прихода теплоты.
    Решение.
                       SО2 + ½О2 ↔ SО3 + 94207 кДж.
    Состав газа приведен в таблице
           Исходный                                    После аппарата
       газ             м3                              газ                 м3
    SО2             2250          SО2          2250 . 0.88 = 1980          270

    SО3               -                SО3     2250 – 1980 = 270           1980
    N2                20000            N2                                  20000
    О2                2750             О2      2750 – (1980/2) = 1760      1760
    итого             25000                                                24010



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика