IV. Расчет энергетического (теплового) баланса процессов и аппаратов

В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Частным и наиболее распространенным в химическом производстве видом энергетического баланса является тепловой баланс: приход тепла в данной технологической операции равен расходу тепла в ней, что записывается в форме уравнения теплового баланса.

∑Q_приход=∑Q_расход

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций ΔН, теплоты фазовых переходов (Q₁), теплосодержание веществ, участвующих в процессе (Q₂), теплота, подводимая в аппарат извне и выводимая из аппарата (Q₃), тепловые потери (Q₄) в данной технологической операции:

ΔН+ Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄= ΔН¹+ Q₁¹+ Q₂¹+ Q₃¹+ Q₄¹,

где индекс (1) относится к статьям расхода.

Тепловые вклады в баланс рассчитывают по известным формулам. Тепловой эффект химической реакции по формуле:

ΔН= ∑ΔН_{продукты реакции} - ∑ΔН_{исходные вещества},

в которой значения энтальпии продуктов реакции и исходных веществ берутся из таблиц.

Теплосодержание веществ рассчитывают по формуле:

Q₂=m*c*t,

где m – масса вещества,

c – его теплоемкость,

t – температура.

Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле:

Q₁=m*q,

где q – удельная теплота соответствующего фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизации),

m – масса вещества.

Подвод и отвод теплоты в систему рассчитывают по потере тепла теплоносителем по формуле:

Q₃=m*С(t_н-t_к),

где m – масса вещества,

С –теплоемкость теплоносителя,

t_н,t_к – начальная и конечная температура теплоносителя,

и по формуле теплопередачи через стенку:

Q₃=К_т*F(t_т-t_пр)*τ,

где К_т – коэффициент теплопередачи,

F –поверхность теплообмена,

t_т –температура теплоносителя, обогревающего аппарат

t_пр – температура подогреваемого продукта

τ – время.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу производимого продукта или на цикл рабо­ты аппарата. Данные теплового баланса используются для оп­ределения расхода теплоносителя и хладагента, расчета повер­хности греющих и охлаждающих элементов и подбора опти­мального теплового режима процесса.

V. Примеры расчетов

5.1.Определение основных тэп

Пример 1. Определите расходные коэффициенты в производстве карбида кальция, содержащего 90% СаС₂ если сырье — антрацит марки АК с содержанием углерода 96%, известь (негашеная) с содержанием СaО 85%.

Решение. Карбид кальция получают по реакции выражаемой уравнением:

СаО + ЗС = СаС₂ + СО,

Мг (СаС₂)=64; Мг (СаО)= 56в; Аг(С)=12.

По условию в 1 т продукта содержится 900 кг СаС₂.

Определим сколько оксида кальция требуется на образование 900 кг СаС₂:

Ат =

кг

С учетом чистоты СаО рассчитаем практический расходный коэффициент по извести:

Апр =

кг

Находим, сколько углерода требуется на образование СаС₂:

Ат2 =

кг

Определяем расходный коэффициент по антрациту:

Апр2 =

кг

Пример 2. Рассчитайте теоретический расходный коэффициент 18%-ного раствора едкого натра для мер­серизации 1 т целлюлозы, содержащей 5% влаги и 4% примесей.

Решение. Процесс мерсеризации целлюлозы мож­но выразить уравнением реакции:

[C₆H₇О₂(OH)₃]n + nNaOH→[C₆H₇O₂(OH)₂OH∙NaOH]_n

М_г целлюлозы = n∙162; М_г едкого натра = 40, Найдем, сколько чистого гидроксида натрия потребуется на мер­серизацию 0,91 т целлюлозы:

Ат =

т

18%-ного раствора требуется:

0,225/0,18 = 1,248 т.

Пример 3. Рассчитайте выход этилового спирта на пропущенный этилен при условии многократной цирку­ляции этилена, если практический расходный, коэффи­циент этилена 0,69 т на 1 т этилового спирта.

Решение. Этиловый спирт получается при взаи­модействии этилена с водой:

С₂Н₄+Н₂О↔С₂Н₅ОН

Молекулярные массы:

М_г (С₂Н₄)= 28; М_г (С₂Н₅ОН)=46.

Теоретический выход этилового спирта из 690 кг этилена:

m_T=

Практическая масса этанола m_практ=1000кг. Находим практический выход этилового спирта:

ή