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 Qі 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(Gі× срі × tі) (3.6)
де Gі – масова витрата і-го компоненту, кг/год;
срі – питома теплоємність і-го компоненту, кДж/(кг×К);
tі – температура потоку, що містить і-й компонент, оК.
Для періодичних процесів Gi замінюють на масу компоненту Мі 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 Qr (кДж/кг речовини, що перетворюється);
- термодинамічний DНr (кДж/кг речовини, що перетворюється), який визначають як різницю суми ентальпії утворення продуктів реакції та суми ентальпії утворення реагентів.
Відповідно,
q = Qr = – DНr. = - (SDHопрод. – SDHореаг.) (3.8)
Якщо DHr < 0 – реакція екзотермічна; DHr > 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.