Технологічний та тепловий розрахунки проектованого апарату

 

Метою технологічного розрахунку є, насамперед, визначення кількості одиниць основного устаткування, об’єму кожного апарату (наприклад, реактору синтезу) та його геометричних розмірів (діаметра і висоти), які мають забезпечити випуск заданої кількості продукції. У випадку гетерогенно-каталітичного процесу необхідно також визначити кількість (об’єм) каталізатору. Для технологічного розрахунку використовують дані матеріального балансу конкретного апарату, інформацію з регламенту про швидкість руху сировини, час контактування та ін. Особливості даного розрахунку в залежності від організації проведення процесу (безупинний, періодичний) представлені в [2-5].

Тепловими розрахунками знаходять витрати теплоносія чи холодоагенту, підтверджують чи коригують розміри апаратури (через визначення або перевірку поверхні теплообміну), перевіряють тривалість окремих стадій технологічних операцій, прийнятих у попередніх розрахунках [2].

У випадку теплового розрахунку апаратів, що не мають спеціальних теплопередаючих поверхонь (наприклад, контактний апарат у виробництві ацетону з ізопропілового спирту чи у виробництві формальдегіду з метанолу), перевіряють температуру на вході чи виході, у середині апарату.

Тепловий баланс складають на об’єм завантаження апарату (кДж/операція, для періодичного процесу) або відносять до 1 години роботи апарату (кДж/год або кВт для безупинного процесу). Для періодично діючих апаратів тепловий баланс складається для кожної елементарної стадії процесу (підігрів сировини, витримка реакційної суміші, охолодження, відгонка і т.п.).

Вихідними даними для розрахунку теплового балансу проектованого апарату є таблиця його матеріального балансу, питомі теплоємності та ентальпії утворення компонентів потоків при відповідній температурі, а також характер руху потоків та умови теплообміну.

Загальне рівняння тепловою балансу хімічного процесу (3.5) має вид:

 

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆, (3.5)

 

де Q₁ - теплота, що вноситься в апарат з усіма фізичними потоками;

Q₂ - загальна теплота, яка виділяється чи поглинається в результаті перебігу хімічних та фізичних процесів, що відбуваються в апараті;

Q₃ - теплота, яку необхідно підвести чи відвести;

Q₄ – теплота, що виноситься з апарату з усіма фізичними потоками;

Q₅ - теплота, що витрачається на нагрівання окремих частин апарату;

Q₆ - втрати теплоти у довкілля через поверхню апарата.

Питання про включення тієї чи іншої величини Q_і в загальний баланс тепла проектант вирішує самостійно. Наприклад, для апарату безупинної дії Q₅ має значення і розраховується лише в період його пуску; в стаціонарних умовах функціонування Q₅ = 0 [2, 3].

Для безупинних процесів кількість теплоти, яка вноситься з матеріальними потоками в апарат або відводиться з нього розраховують за рівнянням (3.6):

 

Q₁₍₄₎ = S(G_і× с_рі × t_і) (3.6)

 

де G_і – масова витрата і-го компоненту, кг/год;

с_рі – питома теплоємність і-го компоненту, кДж/(кг×К);

t_і – температура потоку, що містить і-й компонент, ^оК.

Для періодичних процесів G_i замінюють на масу компоненту М_і і виражають у кг/операція.

Теплоту хімічного або фізичного процесу в загальному випадку визначають за рівнянням (3.7):

 

Q₃ = G×q, (3.7)

 

де G – масова витрата компоненту, з яким відбувається перетворення;

q – питома теплота, що виділяється чи поглинається в результаті перебігу хімічного або фізичного процесу, що відбувається в апараті, кДж/кг.

Значення теплових ефектів хімічних реакцій при стандартних умовах розраховують за законом Геса і перераховують на робочу температуру за формулою Кірхгофа [6].

Існує два способи запису теплового ефекту [2]:

- хімічний Q_r (кДж/кг речовини, що перетворюється);

- термодинамічний DН_r (кДж/кг речовини, що перетворюється), який визначають як різницю суми ентальпії утворення продуктів реакції та суми ентальпії утворення реагентів.

Відповідно,

 

q = Q_r = – DН_r. = - (SDH^о_прод. – SDH^о_реаг.) (3.8)

 

Якщо DH_r < 0 – реакція екзотермічна; DH_r > 0 – реакція ендотермічна.

Розрахунок теплового ефекту реакції є обов'язковим навіть при наявності літературних даних по ньому. Тепловий ефект реакції слід розраховувати за теплотами утворення або теплотами згоряння учасників реакції, взятими лише з довідкової літератури або за аналогічними реакціями з подібними речовинами, для яких є довідникові дані про теплоти утворення чи згоряння. Якщо ці дані відсутні, тепловий ефект може бути кількісно оцінений за енергією зв'язків.

Після аналізу (порівняння) розрахованого теплового ефекту і відомого з літератури (визначеного експериментальним шляхом) вподальших розрахунках дипломник користується тим з них, який є більш прийнятним.

Теплові ефекти фазових переходів (випаровування, конденсаціїя, розплавлення, кристалізація, розчинення) знаходять шляхом наближених розрахунків за емпіричними формулами або з довідників.

Теплові втрати можуть бути розраховані або прийняті на підставі практичних чи літературних даних. Один з варіантів: їх приймають як певний відсоток (як правило ≤ 5,0%) від загальної кількості теплоти, що вноситься в реактор (3.9):

 

Q₆ = (0,01÷0,05) × (Q₁ + Q₂ + Q₃) 3.9)

 

Нарешті за рівнянням (3.10) визначають складову Q₃ - кількість теплоти, яку необхідно підвести чи відвести:

 

Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ - Q₁ - Q₂ (3.10)

 

Витрати теплоти виражають з точністю до 0,1 % для всіх потоків тепла. Результати розрахунку теплового балансу зводять до форми, яка представлена таблицею 3.2.

 

Таблиця 3.2 - Тепловий баланс основного апарату

Прихід	кВт	%	Витрата	кВт	%
Разом			Разом

 

Варто мати на увазі, що для періодично діючого апарату перевірку поверхні теплообміну виконують, використовуючи рівняння теплового балансу для стадії з максимальним питомим навантаженням.