Тепловой расчет определение количества теплоты, подводимой к аппарату теплоносителем или отводимой от аппарата хладагентом (теплового потока теплоносителя или хладагента), расхода теплоносителя (хладагента), вычисление поверхности теплообмена. Цель: определение количества теплоты, подводимой к аппарату теплоносителем или отводимой от аппарата хладагентом (теплового потока теплоносителя или хладагента), расхода теплоносителя (хладагента), вычисление поверхности теплообмена. Этапы теплового расчета: составление температурного графика; составление температурного графика; составление и расчет (определение количества подводимого или отводимого тепла (теплового потока)) теплового баланса для каждого теплового режима; составление и расчет (определение количества подводимого или отводимого тепла (теплового потока)) теплового баланса для каждого теплового режима; определение поверхности теплообмена для наиболее нагруженного теплового режима. определение поверхности теплообмена для наиболее нагруженного теплового режима. 1

Исходные данные : задание на курсовой проект (тепловой расчет для КАКОГО реактора?) материальный расчет (Gтехн.!!!); аппаратурный расчет (Fт/о стандартная); термохимические свойства веществ (справочные данные!, если нет - расчет) ВАЖНО!!! Перед началом любого расчета приведите в соответствие размерности справочных или рассчитанных величин, подставляемых в расчетные формулы. 2

График температурного режима аппарата Цель: разбиение процесса на этапы по тепловым режимам I – режим охлаждения I – режим охлаждения II – режим выдержки II – режим выдержки АБ – расчетный режим АБ – расчетный режим 3 А Б

Тепловой баланс (каждого!) теплового режима Q 1 + Q 2 + Q 3 = Q 4 + Q 5 + Q 6 Q 1 – количество теплоты (тепловой поток) поступающих в аппарат видов сырья, перерабатываемых веществ, кДж; Q 2 – количество теплоты (тепловой поток), отдаваемое теплоносителем аппарату и перерабатываемым веществам или отнимаемое хладагентом от аппарата и перерабатываемых материалов, кДж; Q 3 – суммарный тепловой эффект процесса, кДж; Q 4 – количество теплоты (тепловой поток) уходящих из аппарата продуктов реакции, кДж; Q 5 – количество теплоты (тепловой поток), расходуемое на нагрев аппарата или отнимаемое при его охлаждении, кДж; Q 6 – количество теплоты, теряемое аппаратом в окружающую среду или поглощаемое аппаратом из нее, кДж. 4

Q 2 определяется из уравнения: Q 2 = Q 4 + Q 5 + Q 6 – Q 1 – Q 3 ВАЖНО! Равенство справедливо как для процессов, протекающих при нагревании, так и для процессов, идущих при охлаждении. В последнем случае Q 2 имеет отрицательную величину. Знак минус показывает на направлении теплового потока (то есть на отвод теплоты). ВАЖНО! минус 5

Расчет теплоты поступающих в аппарат перерабатываемых веществ(Q 1 ) и уходящих из аппарата продуктов (Q 4 ) Q 1 последующего режима = Q 4 предыдущего, кДж, кДж Gi – масса i-ого вещества, кг/сут; с i, – удельная теплоемкость i-oro вещества при температуре потока, кДж/(кг · К); t i – температура i-oro вещества, отсчитанная от какой- либо точки (обычно от 0 °С) °С; α – количество операций в сутки; n – количество параллельно работающих (!) аппаратов. 6 Искать! Мат.расчет Температ. график Аппаратур. расчет

Расчет теплоемкости: Твердые и жидкие вещества: правило Коппа с ат i – атомная теплоемкость элементов, входящих в состав молекулы, кДж/(кг-ат·К) (таблица 1); n – число одноименных атомов элементов, входящих в состав молекулы; М – молекулярная масса соединения; с – массовая удельная теплоемкость вещества, кДж/(кг·К). 7 Состояние вещества Атомные теплоемкости элементов, кДж/(кг-ат·К) СНОNSPFSiBостальные элементы твердое7,539,6216,7411,2922,5923,0120,9220,0811,7226,36 жидкое11,7217,9925,10–*30,9629,3329,2924,2719,6633,47 Рассчитанную С увеличить на 5-20%

Расчет теплоемкости: Газы Теплоемкость при постоянном объеме (кДж/(кг·К)): Теплоемкость при постоянном давлении (кДж/(кг·К)): 8

Расчет теплоемкости: Растворы х 1, х 2 – массовые доли компонентов, %; с 1, с 2 – удельные теплоемкости этих компонентов, кДж/(кг · К). Для двухкомпонентных водных растворов: для разбавленных растворов (х ˂ 20%) 4,19 – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·К); х – массовая доля растворенного вещества, доли. для концентрированных растворов (х ˃ 20%) с 1 – удельная теплоемкость безводного растворенного вещества, кДж/(кг·К). 9

Расчет теплоты, расходуемой на нагрев (охлаждение) аппарата (Q 5 )Q 5 0,7 – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева; G ап. – масса всего аппарата, кг; р – избыточное давление в аппарате, МПа; D – диаметр реактора, м. с мат. – удельная теплоемкость основного материала аппарата, кДж/(кг · К), для стали и чугуна с=0,5 кДж/(кг · К). t кон – средняя конечная (для данного режима) температура аппарата, °С; t нач. – средняя начальная (для данного режима) температура аппарата, °С, если аппарат не был предварительно нагрет, то t нач. =20 °С. Если α 1 α 2, t t гор. – температура горячего теплоносителя, °С; t хол. – температура нагреваемой реакционной массы, °С. α 1 α 2, то t кон. t гор. α 1 α 2, то t кон. t гор. α 2 α 1, то t кон. t хол.. α 2 α 1, то t кон. t хол.. 10 Нагрев эмали 0,1. Нагрев изоляции 0,01 Аппаратур. расчет Считать! Коэффициенты Теплоотдачи 1 и 2 ПРИНИМАЕМ (см. табл. в АРМ)

Расчет теплоты (холода), теряемой аппаратом в окружающую среду (Q 6 ) F – площадь поверхности аппарата, м 2 ; – продолжительность процесса, ч; 3,6 – коэффициент для перевода Дж в кДж и секунд в часы; t нар. – температура наружной поверхности аппарата, °С; t о.с. – температура окружающей среды, °С; tо.с. =20 °С. α сm. – коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, Вт/м 2 ·К Н – высота аппарата, м; Н – высота аппарата, м; D – наружный диаметр рубашки, м. D – наружный диаметр рубашки, м. 11 Аппаратур. расчет Считать! Искать! Считать!

Расчет теплоты (холода), теряемой аппаратом в окружающую среду (Q 6 ) F – площадь поверхности аппарата, м 2 ; – продолжительность процесса, ч; 3,6 – коэффициент для перевода Дж в кДж и секунд в часы; t нар. – температура наружной поверхности аппарата, °С; t о.с. – температура окружающей среды, °С; tо.с. =20 °С. α – коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, Вт/м 2 ·К Для неизолированной части t нар. = t кон (см. расчет Q 5 ) Для изолированной части с температурой выше 100 °С …………….…..…..45 °С; с температурой 100 °С и ниже …………….… °С; с температурой вспышки паров ниже 45 °С °С; при охлаждении рассолом или охлажденной водой…..…5÷10 °С 12 Аппаратур. расчет Считать! Искать! Считать!

Расчет теплоты (холода), теряемой аппаратом в окружающую среду (Q 6 ) F – площадь поверхности аппарата, м 2 ; – продолжительность процесса, ч; 3,6 – коэффициент для перевода Дж в кДж и секунд в часы; t нар. – температура наружной поверхности аппарата, °С; t о.с. – температура окружающей среды, °С; tо.с. =20 °С. α – коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, Вт/м 2 ·К из при t нар из. неиз. ПРИНИМАЕМ для воздух-среда в реакторе (см. табл.)ПРИНИМАЕМ 13 Аппаратур. расчет Считать! Искать! Считать!

Определяем толщину и материал изоляции, м t m – температура теплоносителя в рубашке, °С; t из. – температура поверхности изоляции, °С; t о.с. – температура окружающей среды, °С; α 1 и α из. – коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке и от стенки (изоляции) в окружающую среду, Вт/м 2 ·К; λ – коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/м·К (таблица 1);таблица 1 δ сm. – толщина стенки рубашки, м; (принимаем 4-6 мм) λ сm. – коэффициент теплопроводности материала аппарата, Вт/м·К (для стали и чугуна λ=46,5 Вт/м·К; для нержавеющей стали λ=17,5 Вт/м·К) 14 Искать!

Таблица 1 – Теплопроводность и температура применения негорючих теплоизоляционных материалов для цилиндрического оборудования [СП «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов»] * средняя температура теплоизоляционного слоя, °С: t m = (t w + 40)/2 на открытом воздухе в летнее время, в помещении, в каналах, тоннелях, технических подпольях, на чердаках и в подвалах зданий, где t w температура среды внутри изолируемого оборудования. ** большее значение расчетной теплопроводности теплоизоляционного материала в конструкции для поверхностей с температурой 19 °С и ниже относится к температуре изолируемой поверхности от минус 60 до 19 °С, меньшее – к температуре минус 61 °С и ниже. Максимальная толщина изоляции 150мм. 15 Материал, изделиеТеплопроводность теплоизоляционного материала в конструкции из, Вт/(м °С) для поверхностей с температурой, °С Температура применения, °С 20 и выше19 и ниже Плиты минераловатные прошивные0,045+0,00021t m * 0,049+0,0002t m 0,044-0,035 ** 0,048-0,037 От минус 180 до 450 для матов, на ткани, сетке, холсте из стекловолокна; до 700 на металлической сетке Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем 0,04+0,00029t m 0,043+0,00022t m 0,044+0,00021t m 0,052+0,0002t m 0,039-0,03 0,042-0,031 0,043-0,032 0,051-0,038 От минус 60 до 400 От минус 180 до 400 Маты и плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем 0,04+0,0003 t m 0,042+0,00028 t m 0,039-0,029 0,041-0,03 От минус 60 до 180 Маты и вата из супертонкого базальтового волокна без связующего 0,032+0,00019 t m 0,031-0,24От минус 180 до 600

Расчет суммарного теплового эффекта процесса (Q 3 ) Q хим. – суммарный тепловой эффект химических процессов (основных и побочных), кДж; Q изм. – тепловой эффект, связанный с изменением концентраций веществ, кДж Q физ – суммарный тепловой эффект экзотермических и эндотермических фазовых превращений (испарение, растворение, плавление, конденсация, кристаллизация и др.), кДж. 16

Расчет теплового эффекта химических процессов (Q хим. ) q р – молярный тепловой эффект реакции, кДж/моль; G сут. – суточное количество исходного реагирующего вещества (основного органического сырья), кг; М – молярная масса исходного реагирующего вещества (основного органического сырья), по которому ведут расчет материального баланса, г/моль; η – выход химической реакции, доли; α – количество операций в сутки; n – число аппаратов; 1000 переводной коэффициент для перевода кг в г; 17 Мат.расчет Аппаратур. расчет Искать! Считать!

Тепловые эффекты химических реакций (q р ) предпочтительно брать по опытным данным (таблица 1) полностью табл. в АРМ 18 Тип химической реакции Молярный тепловой эффект реакции q р, кДж/моль Q изм. Галогенирование Х= F, Cl, Br, I 460,0 105,0 34,0 50,0 Дополнительно учитывать теплоту смешения HCl (г) в массе C 6 H 6 (ж) + Сl 2 (г) С 6 H 5 Cl (ж) + HCl (г)117,2-125,6 Дополнительно учитывать теплоту смешения HCl (г) в массе СН 2 =СH 2 + Cl 2 (г) H 2 C=CH-Cl + HCl (г) 121,0 Дополнительно учитывать теплоту смешения HCl (г) в массе –СС– + 2 Сl 2 (г) –ССl 2 –CCl 2 –368,0– Х= F, Cl, Br, I 540,0 167,0 92,0 17,0 –

Расчет q р : По закону Гесса: q исх. – сумма теплот образования соединений, вступающих в реакцию, кДж/моль; q кон. – сумма теплот образования соединений, образующихся в результате реакции, кДж/моль. ВАЖНО! С учетом стехиометрических коэффициентов: ВАЖНО! Следует помнить, что в термохимической системе ΔН 0 – изменение энтальпии при образовании вещества, кДж/моль. 19

Расчет q р : Лишь в случае отсутствия экспериментальных данных следует пользоваться расчетными квантово-химическими методами РМ3, АМ1, используя Hyper Chem Pro. Расчет теплого эффекта образования солей органических кислот, оснований 20 Тип солиОбразованиеРасчетТеплота нейтрализации q н Примечание Соли карбоновых кислот R-COOH + MetOH = R-COOMet + H 2 O 56,98-57,40 кДж/моль 1. Если образующаяся при нейтрализации соль выпадает в осадок, то выделяющаяся теплота нейтрализации q н увеличивается на величину теплоты кристаллизации q кр 2. Электроотрицательные заместители (II рода) в ядре ароматических килот в орто- и пара-положениях и электронодонорные (I рода) в мета положении увеличивают теплоту нейтрализации на 4,19-6,29 кДж/моль. Соотвествующие заместители в противоположных положениях уменьшают q н примерно на 4,19 кДж/моль Соли ароматических и алифатических сульфокислот (Ar- SO 3 H, R-SO 3 H), минеральных кислот (HCl, HNO 3, H 2 SO 4 ) сильными основаниями (NaOH, KOH) в водных раствора R-SO 3 H + MetOH = R- SO 3 Met + H 2 O 57,32-65,74 кДж/г-экв. водорода

Расчет теплого эффекта образования солей органических кислот, оснований 21 Тип солиОбразованиеРасчетТеплота нейтрализаци и q н Примечание Феноляты Ar-OH + MetOH = ArO-Met + H 2 O -- Соли аминов R-NH 2 + HX = [R-NH 3 ] + X - --

Расчет теплого эффекта физических процессов (Q физ. ) q физ. – молярный тепловой эффект физических превращений (q исп., q пл., q кр. ), кДж/моль; G сут. – суточное количество вещества, участвующего в физико- химических превращениях, кг; М – молярная масса вещества, участвующего в физико- химических превращениях, г/моль; – количество вещества, участвующего в физико-химических превращениях, моль; α – число операций в сутки; n – количество параллельно (!) работающих аппаратов; 1000 переводной коэффициент для перевода кг в г 22 Мат.расчет Аппаратур. расчет Искать! Считать!

Теплота испарения (парообразования) q исп. кДж/моль Теплота плавления q пл. кДж/моль Т пл. – температура плавления, К; К – постоянная величина: для простых веществ К = 10,5±2,1Дж/моль; для неорганических соединений К = 25,1±4,2Дж/моль; для органических соединений К = 54,4±12,6Дж/моль 23

Теплота кристаллизации q кр., Дж/моль с 1, с 2 – растворимость вещества (в моль/л) при температурах Т 1 и Т 2 (в К) соответственно: с 1 /с 2 0,3-0,7. Расчет теплового эффекта изменения концентраций (Q изм. ) ВАЖНО! Теплота изменения концентраций при смешении (разбавлении) неорганических соединений довольно велика. Она определяется по справочным данным (табл.1, табл.3,4).табл.1 Меньший тепловой эффект наблюдается при смешении органических и неорганических веществ (например, спирта с HCl или водой). (ищем в табл.3,4) Теплоты растворения органических веществ невелики и ими можно пренебречь. 24

q раств. – теплота растворения соединения (таблица 3, 4, 5), кДж/моль; G сут. – суточное количество растворяемого вещества, кг; М – молярная масса растворяемого вещества, г/моль; α – число операций в сутки; n – количество аппаратов; 1000 переводной коэффициент для перевода кг в г; – количество растворяемого вещества, моль. q раств. – теплота растворения соединения (таблица 3, 4, 5), кДж/кг 25 Искать!

Пример, табл. 3 (полностью в АРМ) m*m* q раств., кДж/моль LiClLiBrNaClNaBrNaIKClKBrKIKClO 4 0,0037,1349,02-3,890,637,57-17,23-20,04-20,50-50,84 0,0136,9748,91-4,060,507,41-17,39-20,17-20,67-50,89 0,0236,8648,87-4,100,427,36-17,44-20,25-20,71-50,84 0,0537,7148,74-4,180,317,24-17,51-20,29-20,73-50,66 0,136,4848,62-4,250,297,20-17,55-20,33-20,71-50,37 0,236,3448,39-4,270,277,15-17,57-20,29-20,67– 0,336,1948,28-4,250,297,24-17,55-20,25-20,59– 0,436,0748,20-4,160,407,32-17,50-20,15-20,42– 0,535,9848,12-4,100,447,41-17,43-20,04-20,29– 1,035,6547,74-3,790,867,82-17,28-19,54-19,73– 2,035,1547,11-3,181,658,62-16,72-18,68-18,62– 3,034,5245,63-2,662,289,37-16,17-17,99-17,66– 4,033,8946,02-2,262,7810,04-15,75-17,36-16,82– 5,033,1845,50-1,993,2010,54–-16,82-16,09– 6,032,4344,85-1,883,4710,92––-15,47– 7,031,6344,28–3,6611,13––-14,92– 8,030,7943,51–3,7011,25––-14,46– 9,029,9242,80–3,6211,25–––– 10,029,0041,97––11,17–––– Насыщ. раствор 19,3531,88-1,953,6110,59-15,45-16,49-14,07– m насыщ. 19,918,606,159,1512,334,825,708,98– m*m* q раств., кДж/моль KNO 3 NH 4 ClNH 4 NO 3 CaCl 2 K 2 SO 4 CuSO 4 MgSO 4 MnSO 4 ZnSO 4 0,00**-34,93-14,73-25,7782,93-23,7173,1491,6364,3983,26 0,01-35,03-14,85-25,7782,68-24,4869,8789,3760,7180,67 0,02-35,02-14,94-25,7982,38-24,5869,3389,0460,1280,29 0,05-34,97-15,02-25,8281,25-24,7568,7088,4559,2979,90 0,1-34,77-15,10-25,7580,88-24,7868,0787,9158,7079,16 0,2–-15,19-25,5680,50-24,5867,5787,2657,9578,78 0,3–-15,23-25,3880,25-24,2767,3286,9257,5378,58 0,4–-15,27-25,2180,02-23,9567,1586,6757,2478,41 0,5–-15,27-25,0679,83-23,5867,0386,4857,0778,28 1,0–-15,31-24,3179,04–66,6585,7756,6577,91 2,0–-15,27-23,0577,74––84,8755,5677,03 3,0–-15,23­-21,97–––––75,44 4,0––––––– 5,0––––––– 6,0––––––– 7,0––––––– 8,0––––––– 9,0––––––– 10,0––––––– Насыщ. раствор –-15,02––-22,78–––– m насыщ. –7,35––0,69–––– 26 m – моляльность (число молей растворенного вещества на 1 кг воды) ** при m=0 даны значения q, экстраполированные к бесконечному разбавлению. Знак плюс обозначает растворение с поглощением тепла, знак минус – с выделением тепла.

Определение поверхности теплообмена q – тепловая нагрузка, Вт; К – коэффициент теплопередачи, Вт/м 2 хК (по принятым 1 и 2 ); F т/о – поверхность теплообмена, м 2 ; Δt ср - средняя разность температур теплоносителей, К Полученную величину поверхности теплообмена рекомендуется увеличить на 20 %. 27 Считать!

Расчет тепловой нагрузки Дж/с, Вт Дж/с, Вт Для химической реакции: Δ =( ) х.р., Q 2 максимальная (по модулю) нагрузка из расчетных тепловых режимов 28

Расчет коэффициента теплопередачи 1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/м 2 ·К; i и i – толщина и теплопроводность стенок; r 3 – термическое загрязнение сопротивлений стенок, м 2 ·К/Вт 29 Теплоносители (среды)Термическое сопротивление загрязнений стенок r, м 2 · К/Вт Вода: - дистиллированная - водопроводная, колодезная, озерная - речная хорошего качества при скорости, м/с менее 0.9 более речная загрязненная при скорости, м/с менее 0.9 более · (9-18) · (35-53) · (18-35) · (53-71) · (35-53) · Органические жидкости, рассолы, фреоны и.т.п. 18 · Пары - воды с примесью масел - органических жидкостей - хладагентов - водяной пар чистый 18 · · · · Воздух 35 · 10 -5

Расчет средней разности температур где t к и t н – конечная и начальная температура реакционной массы, К; t п – температура конденсации пара, К. 30 График изменения температуры: а- при нагревании среды конденсирующимися парами

Расчет средней разности температур 1 – температура жидкого теплоносителя на входе в рубашку (змеевик) аппарата, С; 2 – температура жидкого теплоносителя на выходе, С. Средняя конечная температура теплоносителя определяется по формуле: 2ср = 1 - Δt ср 2.3 lg A. 31 График изменения температуры: б – при нагревании жидким теплоносителем

Расчет средней разности температур Средняя конечная разность температур хладагента определяется по формуле: 2ср = 1 + Δt ср 2.3 lg A. 32 График изменения температуры: в – при охлаждении жидким хладагентом.

Расчет средней разности температур Сравните расчетную и стандартную поверхность теплообмена. Если расчет показывает, что поверхность теплообмена недостаточна, можно: Повысить коэффициент теплопередачи. Увеличить среднюю разность температур, повысив температуру теплоносителя или понизив температуру хладагента на входе. Ввести в аппарат дополнительные поверхности теплообмена в виде змеевиков, диффузоров и т.п. Отвести часть теплоты за счет испарения летучих компонентов реакционной смеси с помощью обратного холодильника. Изменить время процесса теплообмена. 33 График изменения температуры: г – при охлаждении жидким хладагентом.