Тепловой баланс

1 участок – загрузка H₂SO₄ и ФАК в течение 3 часов при температуре не более 40°С. τ = 3 часа. Саморазогрев.

1. Q_{1 –} начальное теплосодержание реакционной массы

Q₁ =

G – масса компонента или смеси, кг;

с_см – удельная теплоемкость компонента или смеси, кДж/кг·°С;

t – начальная температура компонента или смеси, ⁰С.

· ФАК (принимаем, что ФАК = 100%, т.к.1% примесей неизвестен)

G_ФАК = 454.6 кг (табл. 1.1)

С_ФАК

c – атомная теплоемкость элемента, входящего в состав молекулы, кДж/кг·°С;

n – количество атомов элемента в молекуле;

ММ – молярная масса соединения кг/моль;

При 25°С увеличиваем теплоемкость на 5%: С_ФАК = 1, 17·1, 05 = 1, 23

Q_ФАК = 454, 6·1, 23·25 = 13978, 95 КДж

· Раствор H₂SO_4. G_H2SO4 = 2117.21 кг (табл. 1.1)

В растворе H₂SO₄ - 92, 5% H₂SO₄ 100%ой и 7, 5% воды

При 25°С: С_H2SO4 = 1.71·1.05 = 1.80

х –массовая доля растворенного вещества

4, 19 - удельная теплоемкость воды, кДж/кг·°С

Q_Н2SO4 = 2117.21·1.98·25 = 104801.90 кДж

Итого Q₁ = 118780.85 кДж

2. Q₂ – тепло, отдаваемое теплоносителем аппарату и реакционной массе

Q₂ = 0

3. Q₃ – суммарный тепловой эффект химических реакций и физических процессов

Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ – Q₁ = 193982.41 + 17715.60 + 22573, 79 – 118780.85 = 115490, 95 кДж.

4. Q₄ – тепло, уносимое из аппарата с продуктами реакции

Q₄ =

· ФАК

При 40°С увеличиваем теплоемкость на 8%: С_ФАК = 1, 17·1, 08 = 1, 26

Q_ФАК = 454, 6·1, 26·40 = 22911, 84 КДж

· Раствор H₂SO₄

При 40°С: С_H2SO4 = 1.71·1.08 = 1.85

С_воды = 4, 18

Q_Н2SO4 = 2117.21·2, 02·40 = 171070, 57 кДж

Итого Q₄ = 193982, 41 кДж

5. Q_{5 –} тепло, расходуемое на нагрев

Q₅ = 0.7 · 1.11 · G_общ · C_мат · (t_кон – t_нач)

G_общ – масса аппарата = 3040 кг;

t_нач = 25°С; t_кон = 40°С – начальные и конечные температуры стенок реактора.

С_мат – теплоемкость основного материала реактора = 0, 5 кДж/кг·°С

6. Q₆ – тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду

Температура неизолированной стенки реактора:

Коэффициент теплоотдачи для неизолированной и изолированной частей реактора:

Из 3 участка принимаем:

Удельный тепловой поток:

Толщина асбестовой изоляции:

Принимаем толщину изоляции 90 мм

Средняя поверхность реактора, теряющая тепло в окружающую среду:

τ – продолжительность отдельного технологического процесса = 3 часа

Q₆ = 22573, 79 кДж.

Результаты расчета теплового баланса I-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.1

Тепловой баланс 1-го участка

Удельная тепловая нагрузка:

– время на данном участке, с

2 участок – выдержка 1 час при температуре 40°С

1. =193982, 41 кДж

2.

3. Q₃ = 0

4. Q₄ = Q₁ = 193982, 41 кДж

5. Q₅ = 0.7 · 1.11 · G_общ · C_мат · (t_кон – t_нач)

Принимаем 40 3°С

Q₅ = 0.7 · 1.11 · 3040 · 0.5 · (43-37) = 7086.24 кДж

6. Q₆

Температура неизолированной стенки реактора:

Коэффициент теплоотдачи для неизолированной и изолированной частей реактора:

Из 3 участка принимаем:

Удельный тепловой поток:

Толщина асбестовой изоляции:

Принимаем толщину изоляции 90 мм

Средняя поверхность реактора, теряющая тепло в окружающую среду:

τ – продолжительность отдельного технологического процесса = 3 часа

Q₆ = 7524, 59 кДж.

Результаты расчета теплового баланса II-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.2

Тепловой баланс 2-го участка

№ п/п	ПРИХОД ТЕПЛА	РАСХОД ТЕПЛА
Наименование потока	Количество тепла, кДж	Наименование потока	Количество тепла, кДж
	Q1	193982.41	Q4	193982.41
	Q2		Q5	7086.24
	Q3		Q6	7524, 59
	ИТОГО	208593, 24	ИТОГО	208593, 24

3 участок – нагрев реакционной массы пуском пара в рубашку до 50°С; τ = 10 минут

1. =193982, 41 кДж

2.

3. Q₃ = 0

4. Q₄ =

· ФАК

При 50°С увеличиваем теплоемкость на 10%: С_ФАК = 1, 17·1, 10 = 1, 29

Q_ФАК = 454, 6 · 1, 29 · 50 = 29321, 70 КДж

· Раствор H₂SO₄

При 50°С: С_H2SO4 = 1.71·1.10 = 1.88

С_воды = 4, 18

Q_Н2SO4 = 2117.21 · 2, 05 · 50 = 217014, 03 кДж

Итого Q₄ = 246335, 73 кДж

5. Q₅

Коэффициент теплопередачи:

– сумма термических сопротивлений загрязнений с наружной и внутренней стороны стенки,

Органические жидкости =5800

Водяной пар = 5800

ст.ап. = 0, 014 м.

защ.п. =0, 003 м.

λ – теплопроводность материала стенки реактора и защитного покрытия,

λ _стали = 46, 5

λ _эмали = 1

– коэффициент теплоотдачи от более нагретой среды к стенке реактора,

– коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к менее нагретой среде,

Температура стенок реактора со стороны теплоносителя:

Температура стенок реактора со стороны реакционной массы:

Q₅ = 1, 11 · 0, 7 · 3040 · 0, 5 · (104, 64 - 40) = 75654, 66 кДж

6. Q₆

Температура неизолированной стенки реактора:

(температура греющего пара при давлении = 2 атм - 120°С)

Коэффициент теплоотдачи для неизолированной и изолированной частей реактора:

Для оборудования в помещении при температуре теплоносителя > 100°С, t_изол = 40°С

Удельный тепловой поток:

Изоляция-асбест (коэффициент теплопроводности λ = 0, 151

Толщина асбестовой изоляции:

Принимаем толщину изоляции 90 мм

Средняя поверхность реактора, теряющая тепло в окружающую среду:

D_ср - средний диаметр реактора вместе с изоляцией (внутренний диаметр рубашки = 1500 мм, толщина стенки рубашки = 8 мм, толщина изоляции 90 мм)

H – высота реактора без привода = 2360 м.

D_апп – диаметр аппарата = 1400 м.

τ – продолжительность отдельного технологического процесса = 3 часа

Q₆ = 3014.9 кДж.

Результаты расчета теплового баланса III-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.3

Тепловой баланс 3-го участка

4 участок – перемешивание массы в течение 10 минут при температуре 50°С

1. =246335, 73 кДж

2.

3. Q₃ = 0

4. Q₄ = Q₁ = 246335, 73 кДж

5. Q₅

Q₅ = 0.7 · 1.11 · G_общ · C_мат · (t_кон – t_нач)

Принимаем 50 3°С

Q₅ = 1, 11 · 0, 7 · 3040 · 0, 5 · (53-47) = 7086, 24 кДж

6. Q₆ = 3014.9 кДж. (III-ий участок)

Результаты расчета теплового баланса IV-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.4

Тепловой баланс 4-го участка

5 участок – нагрев паром реакционной массы до 90°С, τ = 40 минут. Химическая реакция протекает на 20%

1. =246335, 73 кДж

2.

3.

– масса загрузки исходного продукта = 459, 19 кг

– молярная масса основного исходного продукта, кг

– выход продукта химической реакции, %

– молярный тепловой эффект химической реакции, кДж/моль

_·

_·

_·

С₁₂Н₉NHCOOH (T_плавл = 183°С)

n = 12 · 4 + 1 ·1 + 10 · 1 = 59

∆ _Ar-Alk = -14.7; х = 1

∆ _Ar-NH-Ar = 54.4; х = 1

∆ _Ar-N = -14.7; х = 2

Теплота сгорания соединения:

n – число перемещающихся электронов;

х – число одноименных заместителей

- тепловая поправка

– теплота сгорания 1 атома

количество атомов

– теплота сгорания соединения

·

(по данным справочника берем HCl = 92 кДж/моль; = 24, 97 кДж/моль)

T_пл = 354°С

n = 12 · 4 + 1 ·2 + 9 · 1 = 59

∆ _Ar-Alk = -14.7; х = 2

∆ _Ar-NH-Ar = 54.4; х = 1

∆ _Ar-N = -14.7; х = 2

∆ _Ar-СО-Ar = 17.2; х = 1

Теплота сгорания соединения:

4. Q₄ =

· ФАК

При 90°С увеличиваем теплоемкость на 18%: С_ФАК = 1, 17·1, 18 = 1, 38

Q_ФАК = 0, 8 · 454, 6 · 1, 38 · 90 = 45169, 06 КДж

· Раствор H₂SO₄:

При 90°С: С_H2SO4 = 1.71·1.18 = 2, 02

С_воды = 4, 20

Q_Н2SO4 = 0, 8 · 2117.21 · 2, 18 · 90 = 332317, 28 кДж

· Сернокислая соль акридона:

С_соли

При 90°С: С_соли = 1.10·1.18 = 1, 30

Q_соли = 0, 2 · 516, 97 · 1, 30 · 90 = 12097, 10 кДж

· Вода:

При 90°С: С_воды = 4, 20

Q_соли = 0, 2 · 190, 53 · 4, 20 · 90 = 14404, 68 кДж

Итого Q₄ = 403988.02 кДж

5. Q₅

Коэффициент теплопередачи:

– сумма термических сопротивлений загрязнений с наружной и внутренней стороны стенки,

Органические жидкости =5800

Водяной пар = 5800

ст.ап. = 0, 014 м.

защ.п. =0, 003 м.

λ – теплопроводность материала стенки реактора и защитного покрытия,

λ _стали = 46, 5

λ _эмали = 1

– коэффициент теплоотдачи от более нагретой среды к стенке реактора,

– коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к менее нагретой среде,

Температура стенок реактора со стороны теплоносителя:

Температура стенок реактора со стороны реакционной массы:

Q₅ = 1, 11 · 0, 7 · 3040 · 0, 5 · (113, 42 - 50) = 74901, 56 кДж

6. Q₆

Температура неизолированной стенки реактора:

Коэффициент теплоотдачи для неизолированной и изолированной частей реактора:

Из 3 участка принимаем:

Удельный тепловой поток:

Толщина асбестовой изоляции:

Принимаем толщину изоляции 90 мм

Средняя поверхность реактора, теряющая тепло в окружающую среду:

τ – продолжительность отдельного технологического процесса = 3 часа

Q₆ = 11882.29 кДж.

Результаты расчета теплового баланса V-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.5

Тепловой баланс 5-го участка

№ п/п	ПРИХОД ТЕПЛА	РАСХОД ТЕПЛА
Наименование потока	Количество тепла, кДж	Наименование потока	Количество тепла, кДж
	Q1	246335.73	Q4	403988.02
	Q2		Q5	74901.56
	Q3		Q6	11882.29
	ИТОГО	490771.87	ИТОГО	490771.87

6 участок – выдержка реакционной массы при 90°С, τ = 4 часа. Химическая реакция протекает на 80%

1. =403988, 02 кДж

2.

3. Q₃ = 0.8 · ( = - 984173, 29 кДж

4. Q₄ =

· ФАК

При 90°С: С_ФАК = 1, 38

Q_ФАК = 0, 2 · 454, 6 · 1, 38 · 90 = 11292, 26 КДж

· Раствор H₂SO₄:

При 90°С: С_H2SO4 = 2, 02

С_воды = 4, 20

Q_Н2SO4 = 0, 2 · 2117.21 · 2, 18 · 90 = 83079, 32 кДж

· Сернокислая соль акридона:

При 90°С: С_соли = 1, 30

Q_соли = 0, 8 · 516, 97 · 1, 30 · 90 = 48388, 39 кДж

· Вода:

При 90°С: С_воды = 4, 20

Q_соли = 0, 8 · 190, 53 · 4, 20 · 90 = 57616, 27 кДж

Итого Q₄ = 200376, 24 кДж

5. Q₅

Q₅ = 0.7 · 1.11 · G_общ · C_мат · (t_кон – t_нач)

Принимаем 90 2°С

Q₅ = 1, 11 · 0, 7 · 3040 · 0, 5 · (92-88) = 4724, 16 кДж

6. Q₆

Температура неизолированной стенки реактора:

Коэффициент теплоотдачи для неизолированной и изолированной частей реактора:

Из 3 участка принимаем:

Удельный тепловой поток:

Толщина асбестовой изоляции:

Принимаем толщину изоляции 90 мм

Средняя поверхность реактора, теряющая тепло в окружающую среду:

τ – продолжительность отдельного технологического процесса = 3 часа

Q₆ = 70939, 05 кДж.

Результаты расчета теплового баланса VI-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.6

Тепловой баланс 6-го участка

№ п/п	ПРИХОД ТЕПЛА	РАСХОД ТЕПЛА
Наименование потока	Количество тепла, кДж	Наименование потока	Количество тепла, кДж
	Q1	403988, 02	Q4	200376, 24
	Q2		Q5	4724, 16
	Q3	- 984173, 29	Q6	70939.05
	ИТОГО	276039, 45	ИТОГО	276039, 45

7 участок – охлаждение реакционной массы водой 1 час до 40°С

1. = 200376, 24 кДж

2.

3. Q₃ = 0

4. Q₄ =

· ФАК

При 40°С увеличиваем теплоемкость на 8%: С_ФАК = 1, 17·1, 08 = 1, 26

Q_ФАК = 454, 6·1, 26·40 = 22911, 84 КДж

· При 40°С: С_H2SO4 = 1.71·1.08 = 1.85

С_воды = 4, 18

Q_Н2SO4 = 2117.21·2, 02·40 = 171070, 57 кДж

· Сернокислая соль акридона:

При 40°С: С_соли = 1, 10

Q_соли = 516, 97 · 1, 10 · 40 = 22746, 68 кДж

· Вода:

При 40°С: С_воды = 4, 18

Q_соли =190, 53 · 4, 18 · 40 = 31856, 62 кДж

Итого Q₄ = 248585, 71 кДж

5. Q₅

Коэффициент теплопередачи:

– сумма термических сопротивлений загрязнений с наружной и внутренней стороны стенки,

Органические жидкости =5800

вода = 2800

ст.ап. = 0, 014 м.

защ.п. =0, 003 м.

λ – теплопроводность материала стенки реактора и защитного покрытия,

λ _стали = 46, 5

λ _эмали = 1

– коэффициент теплоотдачи от более нагретой среды к стенке реактора,

– коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к менее нагретой среде,

Принимаем 90 2°С; Конечную температуру хладогента = 30

Температура стенок реактора со стороны теплоносителя:

Температура стенок реактора со стороны реакционной массы:

Q₅ = 1, 11 · 0, 7 · 3040 · 0, 5 · (72, 34 - 90) = - 20857, 17 кДж

6. Q₆

Температура неизолированной стенки реактора:

Коэффициент теплоотдачи для неизолированной и изолированной частей реактора:

Из 3 участка принимаем:

Удельный тепловой поток:

Толщина асбестовой изоляции:

Принимаем толщину изоляции 90 мм

Средняя поверхность реактора, теряющая тепло в окружающую среду:

τ – продолжительность отдельного технологического процесса = 3 часа

Q₆ = 6543, 18 кДж.

Результаты расчета теплового баланса VII-го участка, сведем в таблицу:

Таблица 2.7

Тепловой баланс 7-го участка

№ п/п	ПРИХОД ТЕПЛА	РАСХОД ТЕПЛА
Наименование потока	Количество тепла, кДж	Наименование потока	Количество тепла, кДж
	Q1	200376, 24	Q4	248585, 71
	Q2		Q5	- 20857, 17
	Q3		Q6	6543, 18
	ИТОГО	234271, 72	ИТОГО	234271, 72

Наибольшая тепловая нагрузка соответствует 3-ему участку, она является определяющей для расчета необходимой поверхности теплообмена.