3.5.1. Последовательность выполнения технологического расчета Периодический процесс

1. Выбирают объем основного аппарата V_ап(1), используя промышленные данные об объемах аппаратов, используемых для проведения аналогичных стадий. Рассчитывают число аппаратов для основной стадии:

где

Полученное значение n(1) округляют до целого числа в сторону увеличения.

2. Определяют число операций в сутки на основной стадии

3 . Определяют число операций в одном аппарате на любой другой стадии процесса:

4. Рассчитывают необходимое число аппаратов на всех стадиях:

Полученное значение округляют до целого числа в большую сторону.

5 . Определяют объем аппаратов, которые необходимо установить на i-ой стадии:

где

При этом в уравнение подставляют значение n(i), полученное в разделе 4, без округления до целого числа.

6. Подбирают равный или ближайший больший по объему аппарат по существующим ГОСТам или каталогам на емкостное оборудование.

При наличии выпускаемых аппаратов только меньших размеров приходится увеличивать число операций на стадии, что приводит к дроблению первоначальной операции и осложнениям в организации процесса.

Непрерывный процесс

Регламентируются следующие данные:

n – число аппаратов в каскаде;

 – время пребывания в одном аппарате;

G – годовая производительность

Определяется часовая производительность, G_час, объемный расход, W, и объем аппарата.

3.5.2. Расчет хранилищ

При расчете хранилищ устанавливаются нормы запаса сырья, промежуточных и готовых продуктов. Так как общезаводские склады в большинстве случаев работают в дневную смену, обычно выбирают объемы цеховых хранилищ таким образом, чтобы обеспечить производство на 1.5 суток. Естественно, что при расчете хранилищ необходимо учитывать и специфику производства. Формула для расчета числа хранилищ может быть представлена следующим образом:

где V_c – суточный расход сырья

К_з – коэффициент запаса (К_з = 1.5-2)

V_хр – объем хранилища

 - коэффициент заполнения (0.8-0.9)

3.5.3. Расчет фильтров

Технологический расчет стадий фильтрации сводится к определнию размера фильтрующей поверхности и числа фильтров. Расчет фильтров проводится на основании данных о производительности стадии фильтрации, продолжительности фильтрации и производительности фильтра. Производительность фильтра зависит от типа фильтра, материала фильтрующей поверхности, природы фильтруемой суспензии. Как правило, производительность фильтра определяется экспериментально или приводится в исходных данных для проектирования.

Ч исло операций фильтрации:

где _ф – продолжительность фильтрации

Количество аппаратов для фильтрации

Площадь фильтрующей поверхности может быть определена по одной из следующих формул:

или ,

где G_оп – производительность стадии фильтрации, кг;

q_ф – производительность фильтра, кг/м²*час;

_ф – продолжительность фильтрации, час;

n – число фильтров.

Затем по каталогу подбирают нужный фильтр.

При очистной фильтрации расчет проводят, исходя из объема фильтрата и производительности оборудования по фильтрату.

ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

Назначение: определение расходов и расходных коэффициентов теплоносителей и хладоагентов, расчет поверхности теплообмена, необходимой для протекания процесса в регламентных условиях.

Исходные данные:

1. Данные материального баланса

2. Сведения о температурном режиме

Для непрерывного процесса – температура на входе и выходе из аппарата.

Для периодического процесса – температурный график процесса (зависимость температуры в аппарате от времени).

3. Химическая схема синтеза с указанием основной и и всех побочных реакций и выходов продуктов во всех реакциях.

4. Сведения о физико-химических превращениях, сопровождающих реакции или протекающих самостоятельно.

5. Тепловые характеристики исходных веществ, реакционных масс или их компонентов, а также теплоносителей и хладоагентов.

Порядок выполнения теплового расчета

Т епловой расчет выполняется в виде теплового баланса:

Для непрерывных процессов расчеты проводятся на часовую производительность в кДж/сек или кКал/час.

Для периодических процессов баланс составляется в кДж или кКал. В основе теплового расчета периодического процесса лежит температурный график. Поверхность теплообмена рассчитывается для стадии с максимальной тепловой нагрузкой.

Рассмотрим составные части теплового баланса.

Q₁ – теплосодержание веществ в аппарате в начале процесса (для периодического процесса); тепло, вносимое с исходными веществами (для непрерывных процессов):

где G_н [кг] или [кг/час] – масса исходных веществ;

с_н [ккал/кгград] – теплоемкость исходных веществ;

t_н [^oC] – температура исходных веществ (в начале периодического процесса).

Величины G_н берутся из данных материального расчета, значение t_н задаются регламентом процесса.

Т еплоемкости твердых и жидких веществ могут быть вычислены по формуле:

где с_n – атомная теплоемкость;

n – число атомов данного элемента в молекуле;

М – молекулярная масса соединения.

Т еплоемкости растворов при отсутствии экспериментальных данных могут быть определены по формуле:

где c_i – удельные теплоемкости компонентов в растворе;

g_i –содержание компонентов в % массовых.

Q₄ – теплосодержание веществ в аппарате в конце процесса (для периодического процесса); тепло, уносимое с продуктами реакции (для непрерывных процессов):

Расчеты проводятся аналогично расчетам Q₁.

Q₃ – тепловой эффект процесса.

где Q_pi – теплота химической реакции;

Q_фхп – теплота физико-химических превращений.

Q₅ – тепло, расходуемое на нагрев аппарата или тепло, относимое от аппарата при охлаждении.

где G_апп – масса аппарата;

с_апп – теплоемкость материала аппарата;

t_к^апп – конечная температура аппарата;

t_н^апп – начальная температура аппарата.

Величина Q₅ рассчитывается только для периодических процессов для стадий нагревания и охлаждения. Для непрерывных процессов Q₅=0.

Q₆ – теплопотери в окружающую среду с поверхностей аппарата, которые не покрываются поверхностью теплопередачи. Эта величина рассчитывается для температур выше 100^оС.

где  – коэффициент теплоотдачи от нагретой поверхности к воздуху;

F – поверхность;

τ – время;

t_апп – температура поверхности аппарата;

t_в – температура окружающей среды .

При очень высоких температурах (t > 200^оС) нагретая поверхность аппарата изолируется. В этом случае рассчитывают толщину слоя изоляции.

Q₂ – тепло, которое необходимо подвести к аппарату или отвести от него для протекания процесса в регламентных условиях.

Тепловой баланс рассчитывается относительно Q₂. Если Q₂ > 0, то необходим подвод тепла; если Q₂ < 0, то необходим отвод тепла.

Для периодических процессов величину Q₂ рассчитывают для всех стадий теплообмена в соответствии с температурным графиком процесса.

Расчет теплоты химической реакции.

Если имеются экспериментальные данные по тепловому эффекту (энтальпии) реакции, то каких-либо дополнительных расчетов не требуется. Если такие данные отсутствуют, то необходимо рассчитать тепловой эффект реакции.

Рассмотрим следующую химическую реакцию:

aA + bB = cC + dD

Если известна удельная теплота данной реакции q_p (теплота образования вещества С), то тепловой эффект процесса определяется по формуле:

где G(C) – масса вещества С [кг];

q_р – теплота образования вещества С [ккал/моль];

M_r(C) – молярная масса вещества С.

Е сли экспериментальные данные отсутствуют, то расчете теплоты реакции ведут по закону Гесса через теплоты образования соединений:

где

Σq_к – суммарная теплота образования продуктов реакции [ккал/моль];

Σq_н – суммарная теплота образования исходных веществ [ккал/моль].

В данном случае:

q_р = q^o(C) + (d/c)q^o(D) – (a/c)q^o(A) – (b/c)q^o(B)

Теплоты образования многих веществ приведены в справочной литературе. Следует помнить, что теплоты образования и энтальпии образования имею противоположные знаки: q^o(C) = - ΔH(C).

Если экспериментальные данные по теплоте образования отсутствуют, то эти величины рассчитывают с использованием величины теплоты сгорания:

где q^o – теплота образования [ккал/моль];

n_a – число одноименных атомов в молекуле;

q_a – теплота сгорания 1 г-атома элемента [ккал];

q^сг – теплота сгорания соединения [ккал/моль].

Теплоты сгорания элементов приведены в справочной литературе.

Теплоты сгорания органических соединений в жидком состоянии могут быть рассчитаны приблизительно по формуле Карраша:

где n – число электронов, которое перемещается при полном сгорании соединения;

Δζ – тепловая поправка на элемент структуры или заместитель;

26.05 – тепловой эквивалент сгорания 1 г-экв электронов.

Предполагается, что при сгорании 1 атома атома углерода в углеводородах перемещается 4 электрона. В том случае, если атом углерода связан с электроноакцепторным заместителем, происходит перенос 3-х электронов. Примерами таких соединений могут служить фенол, бензолсульфокислота, хлорбензол, нитробензол. При сгорании атома углерода, связанного с аминогруппой, происходит перенос 4-х электронов.

Пример расчета теплоты сгорания фенола:

Число переносимых электронов: n = 45 + 31 + 15 = 28

Поправка на фенольный гидроксил: Δ(ОН) = +3.5

q^сг(С₆Н₅ОН) = 26.0528 + 3.51 = 732.9 ккал/моль.

Величины тепловых поправок приведены в литературе.

Если вещество находится не в жидком, а в другом агрегатном состоянии, то необходимо учитывать удельную теплоту фазового перехода.

Теплота испарения может быть рассчитана по формуле:

где Т_к – температура кипения в ^оК;

М – молекулярная масса.

Теплота плавления может быть рассчитана по формуле:

где К=5-7 для неорганических соединений;

К=2-3 для элементов;

К=13±3 для органических соединений

Т_пл – температура плавления в ^оК;

М – молекулярная масса.

Расчет поверхности теплообмена.

П осле того как определены величины Q₁, Q₃, Q₄, Q₅ и Q₆, рассчитывают величину Q₂, из которой определяют необходимую поверхность теплообмена:

где К – коэффициент теплопередачи [ккал/м²градс];

Δt_ср – средняя разность температур теплоносителя и реакционной массы в аппарате [град];

τ – продолжительность операции [с].

Величину поверхности теплообмена, F, рассчитывают для каждой стадии процесса в соответствии с температурным графиком. Поверхность теплообмена в аппаратах лимитируется ГОСТом или НТД на соответствующие аппараты. Выбирают максимальное расчетное значение поверхности теплообмена. Если расчетное значение меньше или равно заявленной в НТД поверхности теплообмена, то аппарат удовлетворяет условиям теплообмена. Если расчетное значение превышает заявленное в НТД значение, то необходимо рассматривать возможность увеличение поверхности теплообмена. Можно использовать дополнительный змеевик. В этом случае определяют геометрические размеры и число элементов поверхности теплообмена, например, число витков змеевика.

Поверхность витка змеевика определяется по формуле:

где d_витка – диаметр витка змеевика;

d_тр – диаметр трубы змеевика.

Число витков змеевика определяется по формуле:

Е сли поверхность теплообмена увеличить нельзя, то необходимо пересчитывать время теплообмена (продолжительность операции):

После этого проводится новый технологический расчет для данной стадии, а затем тепловой расчет.

Если процесс проводится в открытых аппаратах, и некоторая часть жидких веществ испаряется, то следует учитывать тепло, идущее на испарение:

где G – масса испаряемой жидкости [кг];

r – теплота испарения [ккал/кг].

Исходя из величины Q₂, рассчитывают расход соответствующего теплоносителя.

При подводе тепла с острым паром уравнение теплового баланса имеет вид:

Отсюда определяют расход греющего пара, D.