Тепловой баланс

В основе уравнения теплового баланса химико-технологического процесса лежит закон сохранения энергии, согласно которому количество теплоты, поступающей в данный процесс (ΣQ')(если в последнем нет превращений ее в другой вид энергии), равно количеству теплоты, выделяющейся в процессе (ΣQ''):

ΣQ'=ΣQ''; (2)

ΣQ'-ΣQ''=0. (2а)

В уравнение теплового баланса (2) химико-технологического процесса входит несколько величин.

В приход:

а) теплота, вносимая входящими в аппарат веществами, - Q₁;

б) теплота экзотермических процессов, протекающих в данном аппарате, -Q₂;

в)теплота, вносимая за счет подогрева извне, - Q₃.

В расход:

г) теплота, уносимая выходящими из аппарата продуктами, - Q₄;

д) потери теплоты в окружающую среду, - Q₅;

е) теплота эндотермических процессов, протекающих в аппарате, - Q₆.

Таким образом, уравнение теплового баланса (2) принимает вид:

Q₁+Q₂+Q₃=Q₄+Q₅+Q₆ (2б)

Подсчет каждой из указанных величин является одной из главных задач расчета теплового баланса химико-технологического процесса.

А) Q₁- теплота, вносимая входящими в аппарат веществами, подсчитывается по уравнению:

Q₁=M_sC_s∙t, (3)

где M_s- количество веществ, входящих в процесс (в кг, м³, молях), берут из данных материального баланса. Если значение M_s для газов берется в объемных единицах, то объем газа нужно обязательно привести к нормальным условиям; C_s-средняя теплоемкость исходных веществ. Величину C_s берут из приложений 4 и 5; t- температура исходных веществ при поступлении в процесс. Величина C_s должна быть взята или подсчитана в соответствии с величиной М_s берут в кг, то C_s следует брать в кДж/кг и т.п.

В случае подсчета величины Q₁ для системы, состоящей из нескольких компонентов, формула (3) примет вид:

Q₁=М_s t (m₁c₁+m₂c₂+m₃c₃+ m_nc_n+) (3a)

Пример 5. Определить количество теплоты Q₁ в кдж, которое несут с собой 200 м³ газа (приведенных к н.у.), состоящего из 25% N₂ и 75% Н₂ при 400ºС, если средняя объемная теплоемкость N₂ и Н₂ при этой температуре составляет:

C = 1,30 (кДж/м³), а

C = =1,32 (кДж/м³) (см. прил.4).

Решение. Подставляя имеющиеся данные в уравнение (3а), получим:

А) Q₁=200*400*(0,25*1,32+0,75*1,30)=104400 (кДж).

Б) Q₂- теплота химических и физических превращений, протекающих в данном процессе. При подсчете Q₂ необходимо знать и ясно представлять химические реакции и превращения реагирующих веществ из одного агрегатного состояния в другое. Значение тепловых эффектов реакций, теплоты растворения, испарения берутся из соответствующих таблиц и справочников. Положительные значения величин следует относить к приходу тепла, отрицательные – к расходу.

В) Q₃-теплота, подающаяся к аппарату извне, через его стенки (подогрев аппарата горячими газами, сжигание под ним топлива, электроподогрев и т.п.). Эта величина подсчитывается в зависимости от конкретных условий.

Г) Q₄- теплота, уносимая уходящими из аппарата продуктами, подсчитывается точно так же, как и количество теплоты Q₁.

Д) Q₅-тепловые потери в окружающую среду, которые вызываются теплопроводностью стенок аппарата, переходом тепловой энергии в лучистую, конвекцией; подсчитываются по разности приходной и расходной части баланса. Тепловой баланс, так же как и материальный, состоит их двух частей: прихода и расхода, выражается в форме таблицы или диаграммы.

Пример 6. Составить тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана на основе материального баланса (табл. 6) и приведенных ниже данных:

Теплоемкость колчедана –0,13, огарка –0,25 ккал/кг*град; теплоемкость водяного пара –0,36, воздуха –0,31 ккал/м³*град; средняя теплоемкость обжигового газа 0,342 ккал/м³*град; теплопотери печи принимаем равными 25% от прихода тепла; теплота обжига колчедана равна 1285000 ккал. Температура колчедана и воздуха равна 20 ºС, огарка -550 ºС, обжигового газа -680 ºС.

Степень контактирования – 98%. Результаты расчетов выразить в кг и нм³.

Таблица 6

Приход	Расход
Статья прихода	Количество	Статья расхода	Количество
кг	нм3	кг	нм3
Сухой колчедан Влага с колчеданом Сухой воздух Влага с воздухом		- - 34,6	Огарок Печной газ В том числе: Сернистый газ Серный ангидрид Кислород Азот Вода		-
Всего		-	Всего	4839*	-

* Превышение расхода над приходом (5 кг) объясняется округлениями цифр при расчетах.

Решение∙

Приход теплоты:

1. Теплота, вносимая сухим колчеданом:

Q₁=1000∙0,96∙0,13∙20 2500 (ккал)

2.Теплота, поступающая с сухим воздухом:

Q₂=2950*0,31*20 18250 (ккал).

3.Теплота, поступающая с влагой колчедана:

Q₃=40*1*20*=800 (ккал).

4.Теплота, поступающая с влагой воздуха:

Q₄=34,6*0,36*20=249 (ккал).

5.Теплота обжига (Q₅) по условию задачи равна 1285000 ккал.

Общий приход теплоты:

2500+18250+800+249+1285000=1306799 (ккал).

Расход теплоты:

1. Теплота, уносимая с огарком при 550 ºС:

Q₆=705∙0,25∙550=96900 (ккал).

2. Теплота, уносимая с обжиговым газом:

Q₇=(270+14+221+2335)*0,342*680=660000 (ккал).

3. Теплопотери печи по условию задачи 25% от прихода теплоты:

Q₈=1306795^.0,25=327000 (ккал)

4. Расход теплоты по вычисленным статьям составляет:

Q₉=Q₆+Q₇+Q₈;

Q₉=96900+660000+327000=1083900 (ккал).

5. Количество теплоты, которое надо отвести из печи с воздухом, охлаждающим вал:

Q₁₀=1306799-1083900=222899 (ккал).

Составляем тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана (табл.7).

Таблица 7

Приход	Расход
Статья прихода	Количество ккал	Статья расхода	Количество ккал
С сухим колчеданом С сухим воздухом С влагой колчедана С влагой воздуха От обжига колчедана		С огарком С обжиговым газом Теплопотери С охлаждающим воздухом
Всего		Всего

Приложение 1

Плотность некоторых веществ

Наименование вещества	Плотность	Наименование вещества	Плотность
1.Твердые тела, кг/м3
Алюминий		Огнеупоры	1900-2900
Медь		Бетон
Чугун		Древесный уголь	500-800
Сталь		Апатит
Колчедан		Стекло оконное
Известняк		Стекло органическое
Песок		Полиэтилен
Глина(каолин)		Пенопласт
Каменный уголь		Пробка
Кокс		Платина
2. Жидкости, кг/м3
Вода (40С)		Толуол
Нефть		Ртуть(00С)
Бензин		Спирт этиловый
Керосин		Глицерин
Бензол		Эфир
3. Газы, кг/м3 при н.у. Плотность сжиженного газа, кг / л
азот	1,25/ 0,81	окись углерода	1,25/0,8
аммиак	0,77/ 0,66	сернистый газ	2,93/1,46
воздух	1,29/0,86	сероводород	1,54/0,96
кислород	1,43/1,14	углекислый газ	1,98/1,19
водород	0,99/0,07	хлор	3,21/1,47

ЗАДАНИЕ

по теме «Расчет материального баланса»

Вариант	Производительность печи, т/ч (G H2SO4)	Степень использования серы, т (β)	Расход сухого колчедана, т (β)	Содержание,%	Содержание в воздухе,%	Относительная влажность воздуха,% (φ)
Серы в колчедане (Cs)	Влаги в колчедане (Cвл)	Серы в огарке (Cs(ог))	SO2 в сухом обжиговом газе (C SO2)	SO3 в сухом обжиговом газе(C SO3)	O2 (n)	N2(CN2)
	20,88	0,815	0,79			1,0	12,0	0,1
	21,16	0,910	0,79			1,2	13,0	0,1
	22,00	0,765	0,81			1,4	13,2	0,1
	25,10	0,750	0,82			1,6	13,4	0,1
	19,60	0,630	0,83			1,0	13,6	0,1
	18,38	0,815	0,84			1,2	13,8	0,1
	20,91	0,910	0,79			1,4	14,0	0,1
	21,16	0,765	0,81			1,6	14,1	0,1
	22,00	0,883	0,82			1,0	14,2	0,1
	25,10	0,885	0,83			1,2	14,3	0,1
	19,60	0,885	0,84			1,4	14,4	0,1
	15,00	0,885	0,79			1,6	14,5	0,1
	20,10	0,885	0,81			1,0	14,6	0,1
	21,30	0,815	0,82			1,2	14,0	0,1
	24,00	0,910	0,84			1,4	14,1	0,1
	20,00	0,765	0,78			1,6	14,2	0,1
	21,60	0,750	0,79			1,0	14,3	0,1
	22,00	0,630	0,82			1,2	14,4	0,1
	20,82	0,970	0,81			1,4	14,0	0,1
	25,10	0,630	0,84			1,6	14,3	0,1

ЗАДАНИЕ

по теме «Расчет теплового баланса»

Вариант	Теплоемкость	Теплопотери, %	Теплота обжига колчедана, ккал	Температура,0С
Ккал/кг град	Ккал/м3град	колчедана	воздуха	огарка	обжигового газа
колчедана	огарка	воздуха	SO2	SO3	O2	N2
	0,13	0,36	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,14	0,37	0,31	0,342	0,342	0,34	0,342
	0,15	0,38	0,31	0,342	0,342	0,34	0,342
	0,16	0,39	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,17	0,40	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,173	0,36	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,174	0,37	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,13	0,38	0,31	0,342	0,342	0,34	0,342
	0,14	0,39	0,31	0,342	0,342	0,34	0,342
	0,15	0,40	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,16	0,36	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,17	0,37	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,12	0,38	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,13	0,39	0,31	0,342	0,342	0,34	0,342
	0,14	0,40	0,31	0,342	0,342	0,34	0,342
	0,15	0,36	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,16	0,37	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,17	0,38	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,13	0,39	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341
	0,14	0,40	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341

Приложение 2

Атомные массы некоторых элементов

Прядковый номер (заряд ядра)	Название элемента	Символ	Атомная масса	Прядковый номер (заряд ядра)	Название элемента	Символ	Атомная масса
	Азот	N	14,00		Марганец	Mn	54,9
	Алюминий	Al	26,98		Медь	Cu	63,55
	Аргон	Ar	39,95		Молибден	Mo	95,94
	Барий	Ba	137,34		Мышьяк	As	74,92
	Бор	В	10,81		Натрий	Na	22,99
	Бром	Br	79,90		Никель	Ni	58,71
	Ванадий	V	50,94		Олово	Sn	118,69
	Висмут	Bi	208,98		Платина	Pt	195,09
	Водород	Н	1,008		Ртуть	Hg	200,59
	Вольфрам	W	183,85		Свинец	Pb	207,19
	Гелий	He	4,003		Сера	S	32,06
	Железо	Fe	55,85		Серебро	Ag	107,87
	Иод	I	126,90		Стронций	Sr	87,62
	Калий	K	39,10		Углерод	С	12,01
	Кальций	Са	40,08		Фосфор	Р	30,97
	Кислород	О	16,00		Фтор	F	19,00
	Кобальт	Со	58,93		Хлор	Cl	35,45
	Кремний	Si	28,09		Хром	Cr	52,00
	Литий	Li	6,94		Цинк	Zn	65,37
	Магний	Mg	24,31		Селен	Se	78,96

Приложение 3

Мольный объем некоторых газов

Наименование газа	Объем, м3/кмоль	Наименование газа	Объем, м3/кмоль
Азот	22,40	Окись азота	22,39
Аммиак	22,09	Кислород	22,39
Аргон	22,40	Метан	22,37
Ацетилен	22,14	Окись углерода	22,40
Воздух	22,40	Сернистый газ	21,89
Водород	22,43	Сероводород	22,16
Водяные пары	22,12	Углекислый газ	22,26
Двуокись азота	22,37	Хлор	22,37

Приложение 4

Средняя теплоемкость некоторых газов от 0 до 1100 ⁰С

при нормальном давлении

Температура, оС	Значение средней молекулярной теплоемкости, кДж/кмоль град
H2	O2	N2	CO2	CH4	H2O H2S	NH3	NO	SO2	воздух
	28.8	29.3	28.4	37.7	33.4	32.5	34.7	28.5	41,2	28,6
	29.0	29.6	28.7	39.2	36.6	33.2	36.2	29.0	42,4	29,0
	29.1	30.1	29.0	40.6	39.8	33.8	37.8	29.5	43,5	29,3
30,0300	29.15	30.5	29.4	41.9	42.0	34.5	39.4	29.9	44,7	29,7
	29.2	30.9	29.6	43.2	45.5	35.1	40.8	30.3	45,8	30,0
	29.3	31.3	30.0	44.4	48.3	35.6	42.3	30.6	46,6	30,3
	29.4	31.8	30.3	45.5	50.9	36.0	43.7	31,0	47,5	30,6
	29.5	32.0	30.6	46.5	53.5	36.6	45.1	31,3	48,5	30,9
	29.6	32.3	30.8	47.5	55.8	37.5	46.4	31,6	49,3	31,2
	29.7	32.7	31.1	48.5	58.1	38.0	47.6	31,9	50,0	31,4
	29.8	33.0	31.4	49.3	60.2	38.6	48.8	32,2	50,6	31,7
	29.9	33.4	31.6	50.1	62.4	39.1	-	32,5	50,9	31,9

Приложение 5

Средняя теплоемкость некоторых газов (м³ газа^, приведенного к нормальным условиям) от 0 до 1000 ⁰С

Температура, 00С	Теплоемкость, ккал/м3 град
N2	O2	H2O (пар)	Сухой воздух	CO2	SO2
	0,310	0,312	0,356	0,311	0,387	0,414
	0,311	0,315	0,359	0,312	0,411	0,433
	0,312	0,324	0,367	0,315	0,449	0,467
	0,318	0,335	0,378	0,321	0,479	0,494
	0,324	0,347	0,390	0,328	0,503	0,514
	0,327	0,350	0,397	0,331	0,514	0,521
	0,330	0,354	0,403	0,334	0,523	0,529
	0,333	0,356	0,409	0,337	0,532	0,531

Приложение 6

Средняя теплоемкость некоторых газов, ккал/моль град, при Р =1 атм

Температура, 00С	Азот	Водород	Кислород	Воздух	Аммиак	Окись азота
	6,85	6,93	7,07	6,88	8,95	6,97
	7,01	6,96	7,28	6,95	9,72	7,17
	7,15	7,00	7,47	7,02	10,45	7,34
	7,22	7,02	7,56	7,06	10,80	7,43
	7,35	7,06	7,72	7,13	11,45	7,58
	7,41	7,09	7,79	7,18	11,76	7,65
	7,74	7,12	7,86	7,22	12,06	7,72

Список использованных источников

1. Основы химической технологии/ Под ред. проф. И.П. Мухленова.- М.: Высшая школа, 1991.- 463 с.
2. Соколов Р.С. Химическая технология. Том 1.- М.: Владос, 2000.- 363 с
3. Соколов Р.С. Химическая технология. Том 2.- М.: Владос, 2000.- 442 с
4. Общая химическая технология. Часть 1/ Под ред. проф. И.П. Мухленова.- М.: Высшая школа, 1977.- 285с.
5. Общая химическая технология. Часть 2/ Под ред. проф. И.П. Мухленова.- М.: Высшая школа, 1977.-261с.
6. Решетников П.А., Н.Я. Логинов. Сборник примеров и задач по основам химической технологии.- М.: Просвещение, 1973.- 207с.

Содержание

Содержание курсовой работы……………………………..
Материальный баланс……………………………………..
Тепловой баланс…………………………………………...
Задание по теме «Расчет материального баланса»……...
Задание по теме «Расчет теплового баланса»…………...
Приложение 1. Плотность некоторых веществ………….
Приложение 2. Атомные массы некоторых элементов…
Приложение 3. Мольный объем некоторых газов………
Приложение 4. Средняя теплоемкость некоторых газов от 0 до 1100 0С при нормальном давлении………………
Приложение 5. Средняя теплоемкость некоторых газов (м3 газа, приведенного к нормальным условиям) от 0 до 1000 0С……………………………………………………...
Приложение 6. Средняя теплоемкость некоторых газов, ккал/моль град, при Р =1 атм…………………………………
Список использованных источников…………………….

Подписано в печать 29.11.2006. Формат 60 х 84 1/16.

Усл.п. л. 1,86. Тираж 40 экз. Заказ № 183

Издательство ВСГТУ. 670013. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40,в