Тепловий баланс

Енергетичний (тепловий) баланс будь-якого апарату може бути представлений у вигляді рівняння, що зв'язує прихід і витрату енергії (тепла) процесу (апарату). Енергетичний баланс складається на основі закону збереження енергії, відповідно до якого у замкненій системі сума всіх видів енергії постійна.

Стосовно до теплового балансу закон збереження енергії формулюється у такий спосіб: прихід теплоти до даного апарату (або виробничого процесу) повинен бути рівним витраті теплоти у тому ж апараті (або процесі).

Для апаратів (процесів) безперервної дії тепловий баланс, як правило, складають на одиницю часу, а для апаратів (процесів) періодичної дії - на час циклу (або окремого переходу) оброблення.

Тепловий баланс розраховують за даними матеріального балансу з обліком теплових ефектів (екзотермічних і ендотермічних), хімічних реакцій і фізичних перетворень (випаровування, конденсація та ін.), що відбуваються у апараті з урахуванням підведення теплоти ззовні та відведення її з продуктами реакції, а також через стінки апарата.

Тепловий баланс подібно матеріальному виражають у вигляді таблиць, діаграм, а для розрахунків використовують наступне рівняння

де Q_t, Q_p⅛, Q_γ - кількість теплоти, що підведена до апарату твердими, рідкими і газоподібними речовинами відповідно; Q'_t, Q'_p⅛, Q'_γ - кількість теплоти, відведена з апарату вихідними продуктами і напівпродуктами реакції, а також вихідними речовинами у твердому, рідкому і газоподібному стані, що не прореагували; Qφ і Q^ - теплота фізичних процесів, що відбуваються з виділенням і поглинанням теплоти; Q_i, і Qp - кількість теплоти, що виділяється у результаті екзо- і ендотермічних реакцій (Q'_p); Q_t1 - кількість теплоти, що підводиться у апарат ззовні (у вигляді димових газів, нагрітого повітря, спалювання палива, електроенергії та ін.); Q'_π - втрати тепла у навколишнє середовище, а також відведення тепла через холодильники, розташовані усередині апарата.

Аналогічно розраховується витрата теплоти на ті фізичні процеси, які перебігають з поглинанням теплоти (Q'φ): десорбція газів, пароутворення, плавлення, розчинення та ін.

Приклад розрахунку теплового балансу. Розрахувати тепловий баланс контактного апарату для часткового окиснення SO₂ продуктивністю 25000

м³/год, якщо склад газової суміші: SO₂ - 9% (об.), O₂ - 11% (об.), N₂ - 80% (об.). Ступінь окиснення 88%. Температура вхідного газу 460⁰С; вихідного - 580⁰С. Середня теплоємність суміші (умовно вважаємо її незмінною) с = 2,052 кДж/(м³/град). Втрати тепла у навколишнє середовище приймаємо рівними 5% від приходу теплоти.

Розв ’язання.

Рівняння реакції наступне:

SO₂ + 1∕2O₂ θ SO₃ + 94207 кДж.

Склад газу:

Прихід теплоти. Фізична теплота газу:

Qi = 25000∙2,052∙460 = 23598000 кДж

Теплоти реакції:

Q2 = 94207'(2250/22,4)'0,88 = 8290216 кДж

Усього Σq_lφ = 23598000 + 8290216 = 31888216 кДж

Витрата теплоти.

Q⅛_mp = 31888216∙0,05 = 1594400 кДЖ

Усього Σqвитр = 28564000 +1594400 = 30158400 кДж

Oтже, необхідно відвести теплоти:

Q⅛_b = Σq_пр - Σq_виτ_р = 31888216 - 30158400 = 1729816 кДж Дані теплового балансу:

Мета:

Навчитися розраховувати теплові (енергетичні) баланси хімічних процесів.

Завдання:

Скласти тепловий баланс реактора окиснення аміаку, у який поступає аміачно-повітряна суміш з витратою 60000 м³/год, яка містить 10% об. аміаку. Селективність за оксидом азоту складає 0,95 за умови повного перетворення аміаку. Приймаємо, що у якості єдиного побічного продукту утворюється азот: 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + 908 кДж 4NH₃ + 3O₂ = N₂ + 6H₂O + 1270 кДж

Прийняти наступні значення теплоємностей для газів, кДж/(моль^.град): аміак - 38,5; кисень - 30,2; азот - 29,2; водяна пара - 38; оксид азоту - 31,9. температура у реакторі 1150 К, загальний тиск 0,7 МПа.

6.2