2. Основы теплового баланса процессов химической технологии топлива и получения углеродных материалов

Для расчета затрат энергии на производство составляют энергетический баланс, учитывающий расходы электроэнергии, технологического пара и воды на получение продукта. Энергетический баланс составляют на основе закона сохранения энергии.

Обычно в химико-технологических процессах составляют тепловой баланс. При этом должна быть учтена вся теплота, подводимая в аппарат и выделяющаяся (поглощающаяся) в результате химической реакции или физического превращения; теплота, вносимая каждым компонентом как входящим в процесс или аппарат, так и выходящим из него, а также теплообмен с окружающей средой, в общем случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Q_вх + Q_ф´ + Q_р ´+ Q_нагр. = Q_вых + Q_ф ´´ + Q_р ´´+ Q_охл (1)

Qвх и Qвых	-	соответственно количество теплоты, вносимое в аппарат или выносимое из него жидкими и газообраз­ными веществами;
Qф´ и Qф ´´	-	теплота физических процессов, происходящих с выделением (') и поглощением (") теплоты;
Qр ´ и Qр ´´	-	теплота экзотермических (') и эндотермических (") химических реакций;
Qнагр. и Qохл	-	соответственно количество теплоты, подводимое в аппарат извне для нагрева реакционной смеси и отводимое через холодильники для поддержания заданного температурного режима.

где

Определение каждой из величин уравнения (1) является одной из главных задач при расчете технологического процесса и проектировании химической аппаратуры.

Величины Q_вх и Q_вых рассчитывают по уравнениям;

(2)

m,m	- масса (объем, количество) исходных реагентов и продуктов реакции, прошедших через аппарат в единицу времени кг/с, ( м^3/с, кмоль/с);
c..c,	- средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж/(кг ^.К), кДж/(м^3.К), - кДж/кмоль ^.К) К ;
tвх, tвых	- температура входного и выходного потоков;
рвх,рвых	- число компонентов, участвующих в процессе.

где

Теплоты фазовых переходов реагентов в ходе процесса Q_ф´ и Q_ф ´´, которые в зависимости от знака теплового эффекта фазового перехода учитываются в приходной или расходной частях баланса, рассчитывают по равнению :

(3)

тфi	- масса (объем, количество) i- реагента, участвующего в фазовом переходе, кг/с (м^3/с, кмоль/с);
	- тепловой эффект фазового перехода i- компонента. кДж/кг (кДж/м^3, кДж/кмоль).

где

Теплоту реакции определяют по уравнению ;

(4)

mp	- масса (объем, количество) i -реагента, вступившего в реакцию или образовавшегося в ходе реакции, кг/с (м^3/с, кмоль/с);
qp		- тепловой эффект реакции, кДж/кг (кДж/м^3, кДж/моль).

где

Расчет Q_нагр. и Q_охл ведут по основному уравнению теплопередачи, согласно которому количество переделанной теплоты Q равно :

Q=К_ТF∆Т, (5)

КТ	- коэффициент теплопередачи, Вт/ (м^2 . К);
F	- площадь поверхности теплообмена, м^2;
∆T	- разность температур теплоносителя и реакционной зоны (движущая сила процесса теплопередачи).

где

Из уравнения теплового баланса можно рассчитать любой из параметров при известных остальных. Технолога чаще всего интересуют t_вх, t_вых, F.

Решение типовой задачи

Задача. Определить количество тепли Q_a , которые несут с собой 200 m^j газа (приведенных к нормальным условиям), состоящего из 25 % N₂ и 75 % Н₂, при 400°С. Если средние объемные теплоемкости Н₂ и N₂ при этой температуре составляют :

c_H2 = 1,301 кДж/м3; c_N2 = 1.320 кДж/м³ .

Решение. В 200 м³ содержится

Получим: Q = 400(50-1,320+150- 1,301) = 104400 кДж

или Q =200 ^.400^.(0,25 .1,320 + 0,75 . 1,301) = 104400 кДж.

Задачи для самостоятельного решения Задача 1. Определить количество тепла Q, которое несут с собой 400 м³ газа ( приведенных к нормальным условиям), состоящего из 50 % N2, и 50 % H2, при 400 °С, если средние объемные теплоемкости Н₂ и N₂ при этой температуре составляют: с_н2 1,301 кДж/м³; с_N2= 1,320 кДж/м³.

Ответ: 209680 кДж

Задача 2. Определить количество тепла , которое несут с собой 800 м³ газа (приведенных к нормальным условиям), состоящего из 30 % N₂, и 70 % H₂, при 400 °С, если средние объемные теплоемкости Н₂ и N₂ при этой температуре составляют:

cH2 = 1,301 кДж/м³; c_N2 = 1,320 кДж/м³.

Ответ: 418144 кДж/м³

Литература: [3, с. 42-44].