Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 128
Скачиваний: 0
Как видим, мольную внутреннюю энергию любого веще ства можно рассматривать как сумму двух слагаемых —
стандартной мольной внутренней энергии |
Uf |
при |
температу |
|
ре Т\ и изохорного теплосодержания AUj° |
(Т) |
с базисом |
Т ь |
|
Всякое j-e вещество можно считать |
образовавшимся |
из |
||
элементов, взятых в стандартных состояниях |
при |
стандарт |
ных условиях. Обозначая соответствующую энергию реакции
синтеза |
A U°f. |
или |
в |
справочниках |
Д ^ > 2 9 8 , / |
(f о т |
а н г л - |
|||
formation |
— образование) и используя |
(V.2), получаем |
выра |
|||||||
жение для |
стандартной внутренней энергии /-го вещества: |
|||||||||
|
V] = 2 |
"тК |
+ |
А Щ, = 2 пт1Га |
+ А W 2 9 8 і |
, |
(Ѵ.4) |
|||
|
|
' m |
|
|
" |
m |
|
|
' |
|
где пт |
— число грамм-атомов |
т - го элемента, |
требуемых для |
|||||||
получения моля /'-го вещества. |
|
|
|
|
|
|||||
В изобарных |
условиях, когда единственным |
видом |
работы |
является работа против сил внешнего давления, энергетику
процессов |
в |
реакторах |
можно |
охарактеризовать |
энтальпией |
|||||||||||||
Я , |
связанной |
с внутренней |
энергией |
U, |
соотношением |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Я = U + pV, |
|
|
|
|
|
(Ѵ.5) |
||||||
где р — давление; |
V — объем |
системы. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Учитывая, что слагаемое рѴ в (Ѵ.4) обозначает работу, |
|||||||||||||||||
уравнение |
энергетического |
баланса |
реактора |
(V.1) |
|
для |
изо |
|||||||||||
барных условий записывается следующим образом: |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
Е- |
+ |
Я - |
= |
Е+ + Н+, |
|
|
|
|
(Ѵ.6) |
||||
где |
Н~~ — энтальпия |
системы |
в начале реакции или на |
вхо |
||||||||||||||
де реактора; |
Я + — энтальпия |
системы |
в конце реакции или |
|||||||||||||||
на выходе |
реактора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Энтальпией процесса |
|
называют |
величину |
АЯ |
= |
Я + — |
|||||||||||
— |
Н~. |
Известно, |
что |
|
в |
изобарных |
процессах |
энтальпия |
||||||||||
обладает |
|
свойствами |
потенциала. |
|
В |
соответствии |
с |
этим |
||||||||||
аналогично |
(V.2—Ѵ.4) |
получаем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
А Я |
|
=k |
2А Я ( 0 ; |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
я; (Г) = |
н° |
+ |
А я; (Т)- |
|
|
|
|
(ѵ.7) |
|||||
|
|
|
|
|
я; = |
2 л т |
я ; + |
Ая;;, |
|
|
|
|
(ѵ.8) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
А Я<'> — энтальпия |
і-й |
стадии |
^-стадийного |
процесса; |
|||||||||||||
Н,° |
— |
мольная |
стандартная |
энтальпия |
/-го |
вещества; |
62
А Н° (Г) — энтальпия нагревания моля /-го вещества от температуры Т\ до Т, мольное изобарное теплосодержание /'-го вещества при температуре Т с базисом Т{; nm — число грамм-атомов т - го элемента, требуемых для получения моля /-го вещества; Н°т —• стандартная энтальпия т - го элемента, входящего в формулу /-го вещества; ^Щ,- ~ стандартная энтальпия /-го вещества, энтальпия реакции синтеза /-го ве щества из элементов при стандартных условиях. Величину АЯ^. нередко обозначают А ^
Величины |
U°m |
в |
(Ѵ.4) |
и |
|
Н°т |
в |
(Ѵ.8) |
связаны |
соотно |
||||||||
шением (Ѵ.5). Для всех элементов |
в |
стандартном |
состоянии |
|||||||||||||||
принимают значения |
Н°т |
=0 . |
Следовательно, первое |
слагае |
||||||||||||||
мое в (Ѵ.8) может быть отброшено. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
В дальнейшем в уравнениях (Ѵ.7) и (Ѵ.8) мольное изо |
||||||||||||||||||
барное теплосодержание Д#,-° (Т) |
при температуре |
Т |
с ба |
|||||||||||||||
зисом |
7,1 = 298,15°К |
обозначаем |
/,• |
или I , (Г). |
Если |
вместо |
||||||||||||
базиса |
Т\ используется |
базис |
7ѵ і = 273,15°К, |
то |
соответствую |
|||||||||||||
щее |
теплосодержание |
обозначаем |
|
I'j, |
или |
/'; - |
(7), |
или |
||||||||||
I/(t) |
(t — температура по шкале Цельсия). |
|
|
|
|
|
||||||||||||
С |
учетом |
изложенного |
|
вместо |
|
(V.7) |
и |
(V.8) |
получаем |
|||||||||
|
|
|
|
я; (Г) |
= |
я; + |
і,.(п |
|
|
|
|
|
(ѵ.9) |
|||||
|
|
|
я; = А Я ; . = А Я ; 2 9 8 / . |
|
|
|
|
|
(ѵ.ю) |
|||||||||
При переходе от базиса Ті к T\ |
учитываем |
связь |
|
|
|
|||||||||||||
|
/,. (Т) = /; (7) - |
/: (Tj |
= |
/;. (t) - |
/; (25°). |
|
|
(ѵ.іі) |
Принимая во внимание, что наиболее распространенным видом подводимой или отводимой энергии при осуществлении химико-технологических процессов является теплота, получа ем вместо (V.6) развернутое уравнение теплового баланса реактора, работающего в изобарных условиях:
9г-2 У' <° +2 |
т |
т- |
<£+ 2 |
|
î |
|
t • |
< |
> |
|||
|
АЯ |
|
п 1 |
|
|
|
n |
|
l |
|
ѴЛ2 |
|
j=i |
І=І |
|
|
|
/=і |
|
|
|
|
|
|
|
где Q~ — подведенное |
тепло; |
Q+' — |
отведенное |
тепло; |
||||||||
Уі — экстенсивная полнота і-й |
реакции; |
А Яг ° |
— стандарт |
ная энтальпия t-й реакции (при общем числе реакций R); п~ и nf — число молей /-го вещества в начале и конце
процесса (на входе и выходе реактора); Іт и If — моль ные теплосодержания /-го вещества с базисом Ти заданные
63
для условий начала и конца процесса (на входе и выходе реактора).
Слагаемые уравнения (V. 12) называют статьями теплово го баланса.
Если вещества реагируют в растворенном состоянии, то должна учитываться энтальпия растворения каждого веще ства (с учетом знака), что находит отражение в величине теплосодержания /,-, являющейся в общем случае не только функцией температуры, но также функцией давления и со става растворов.
Переходим к более подробному рассмотрению методов расчета статей теплового баланса реактора.
§ У.2. Теплопередача в химических реакторах
Потоки теплоты Q~ или Q+ в (V. 12) обусловлены теп лообменом реактора с окружающей средой и обеспечиваются с помощью теплопередачи от внешней среды к реактору или, наоборот, за счет теплопередачи от реактора к внешней среде. В первом случае осуществляется подогрев содержимого реак тора (теплоподвод), а во втором— охлаждение (теплоотвод).
Теплоподвод и теплоотвод в реакторах подразделяют по их инженерному оформлению на организованный, или конт ролируемый, и неорганизованный, или неконтролируемый. Неконтролируемый теплоотвод называют теплопотерями, а неконтролируемый теплоподвод — потерями холода. Для уменьшения величины неконтролируемого потока теплоты че рез стенку аппарата необходимо применить эффективную теплоизоляцию.
Потери тепла (или холода) могут происходить и за счет негерметичности аппаратов, когда нагретые (охлажденные) газы имеют возможность просачиваться в окружающую ат мосферу. В некоторых случаях значительные потери тепла обусловлены испарением воды из нагретых водных раство ров. Указанные теплопотери устраняют путем герметизации аппаратуры.
Контролируемую теплопередачу в химической промыш ленности осуществляют чаще всего с помощью теплообмен ников. Различают теплообменники внутреннего и внешнего теплообмена.
Теплообменники внутреннего теплообмена устраивают в виде змеевиков, трубчатых теплообменников, горелок по
гружного горения |
и т.. д. |
(рис. V.1), причем |
теплоноситель |
|||
или |
хладоагент поступает |
обычно |
внутрь |
трубчатки. |
||
|
В теплообменниках наружного |
теплообмена |
теплопереда |
|||
ча |
осуществляется |
аналогично тому, как |
показано на рис. |
64
VA,а и ѴЛ,б, с той лишь разницей, что внутри трубчатки движутся реактанты и греющий агент (обычно газ) омывает ее снаружи. При этом нередко в пространстве, занятом грею щим газом, устанавливают горелки и устраивают топку. Та-
Газ
\
Воздух МѴіГ~~ Жидкости
\
Рис. V . l . Конструкции теплообменников внутреннего теплообмена:
а— змеевиковый; б — трубчатый; s — горелка погружного горения
кую теплопередачу применяют, например, при осуществлении процессов конверсии метана, крекинга нефтепродуктов и дру гих эндотермических процессов.
Нередки случаи, когда осуществляется экзотермическая реакция, но для ее начала требуется подогрев реактантов. Тогда в качестве греющего агента используют разогретые продукты реакции, а подогреваемым агентом являются исход ные вещества. Обычно теплопередачу в этом случае осуще
ствляют через стенку с помощью устройства, |
изображенного |
|
на рис. V.2, а |
и называемого двойной теплообменной трубкой |
|
или трубкой |
Фильда. На рис. V.2, б показано |
изменение тем |
пературы реактантов по мере прохождения их через трубку Фильда.
5 Зак . 143 |
65 |
Надо отметить, что реакционное пространство трубки Фильда (заштрихованная часть) относительно невелико, по этому нередко подогрев реактантов осуществляют через стен ку не внутренней, а внешней трубки, помещая снаружи труб ки Фильда катализатор. Использование тепла реакций для подогрева холодных реактантов называют рекуперацией тепла.
Рис. V.2. Схема а — двойной теплообменной трубки-г б — распределение температуры по длине трубки
Основным способом теплопередачи в химических реакто рах является конвективная теплопередача, сочетаемая с кондуктивной теплопередачей через стенку. Общее уравнение конвективно-кондуктивного теплообмена
|
Q = KFMx, |
(V.13) |
где |
К — коэффициент теплопередачи, |
ккал/м2 • час • град; |
F — |
поверхность теплопередачи, м2 ; M |
— движущая сила, |
эффективная разность температур теплопередачи; т — время. Из (V. 13) следует, что тепловая производительность теп лообменника возрастает при увеличении поверхности тепло передачи F. Обычно это достигается либо применением тру бок малого диаметра, либо оребрением теплопередающих поверхностей. При этом действует правило, что теплопередающие ребра следует направлять в сторону среды с мень
шим коэффициентом конвективной теплопередачи. Коэффициент теплопередачи К рассчитывают по формуле
*
(V.14)
66
где ai, ct2 — коэффициенты конвективной теплоотдачи от на ружной конвективной среды (I) к теплообменной поверхности и от теплообменной поверхности к внутренней среде (II) соответственно; Яі Х2 и т. д. — коэффициенты теплопровод ности различных слоев теплообменной поверхности, соответ ственно имеющих" толщину бі, 62 и т. д.
Требуемые для расчета К, |
согласно (V.14), значения он |
||
и (Х2 зависят от физико-химических |
свойств |
конвективных |
|
сред и от гидродинамической |
картины |
вблизи |
теплообменной |
поверхности. Общая тенденция такова: чем выше скорость движения среды I , тем выше ai, и чем выше скорость движе ния среды I I , тем выше а^.
Коэффициенты теплоотдачи ai и аг увеличиваются и при интенсификации перемешивания сред. Особенно велики ука занные коэффициенты при конденсации паров или кипении жидкостей. Подробно методы расчета коэффициентов тепло отдачи рассматриваются в курсах теплотехники и процессов и аппаратов химической технологии.
Из (V.14) также следует, что коэффициент теплопереда чи тем выше, чем тоньше теплопередающая стенка и чем больше ее коэффициент теплопроводности. Требуемая тол щина стенки определяется обычно по условиям прочности материала. Наилучшими материалами для теплообменников являются металлы и графит. В некоторых случаях применяют пластмассы. Используя материалы в теплообменниках, необ
ходимо |
учитывать их |
коррозионную стойкость, |
жаропроч |
|
ность |
и технологию |
изготовления самого |
теплообменника. |
|
Теплопередача через |
стенку ухудшается |
при |
образовании |
накипи или слоя осадка солей (инкрустация), что в соответ ствующих случаях требует мероприятий по удалению инкру стации.
В некоторых случаях допустим подогрев реактантов с по мощью острого пара, т. е. пара, подаваемого непосредствен но в подогреваемый раствор. Такая теплопередача настолько интенсивна, что достаточно небольшой глубины погружения паропровода в жидкость, чтобы обеспечить полную конденса цию пара и смешение конденсата с подогреваемым раство ром. В этом случае не требуется производить расчета тепло передачи, но необходимо определить расход пара по тепло вому балансу.
Если t(l) и Лп> — температура наружной и внутренней конвективных сред, причем вблизи разных участков тепло-
обменной поверхности F указанные |
температуры постоянны, |
то M в (V. 10) рассчитывается как |
обычная разность темпе |
ратур: |
|
Д* = / О ) - * < " > . . |
|
5* |
67 |