Физико-хімічні процеси у виробництві 3,5- ДНБК проводяться за суворо певних, заданих виробничим регламентом температурних умов, вимагають підведення або відведення тепла.

9 Тепловий розрахунок

Физико-хімічні процеси у виробництві 3,5- ДНБК проводяться за суворо певних, заданих виробничим регламентом температурних умов, вимагають підведення або відведення тепла.

Основною метою теплового розрахунку є перевірка поверхні теплообміну для вибраного апарату, а також визначення витрати енергоносія, необхідного для проведення технологічного процесу в ньому.

Тепловий баланс складається на основі закону збереження енергії, відповідно до якого в замкнутій системі сума всіх видів енергії постійна [8].

Для проведення теплового розрахунку спочатку будуємо графік температурного режиму стадії відновлення, який приведений на малюнку 9.1.

Рис.9.1 Графік температурного режиму

І Огляд апарата, Тн=Тк=293К, τ=15хв.;

ІІ Завантаження нітратної кислоти, Тн=Тк=293К, τ=30хв.;

ІІІ Нагрівання Тн=293К, Тк= 303К, τ=30хв.;

IV Завантаження бензойної кислоти Тн=Тк=303К, τ=2години;

V Нагрівання Тн=303К, Тк=318К, τ=15хв.;

VI Витримка Тн=Тк=318К, τ=30 хв.;

VII Охолодження Тн=318К, Тк=293К, τ=30хв.;

VIII Видалення маси з апарата Тн=Тк=293К, τ=15хв.;

Рівняння (9.1) теплового балансу має вигляд [8]:

∑Q_пр= ∑Q_расх или Q₁+Q₂ = Q₃+Q₄+Q₅+Q₆, (9.1)

де Q₁ - тепло, що вноситься з речовинами, що переробляються, кДж;

Q₂ - тепло, що віддається теплоносієм апарату і речовинам, що переробляються, кДж;

Q₃ - тепловий ефект процесу, кДж;

Q₄ - тепло, що відноситься з апарату з продуктами реакції, кДж;

Q₅ - тепло, що витрачається на нагрів апарату і його частин, кДж;

Q₆ - тепло, що втрачається апаратом в оточуюче середовище, кДж.

Для розрахунків обираємо найбільш напружені зону в якіх перебігають хімічні перетворення ІV.

Розрахунок зони ІІ.

Тепло, що вноситься в апарат з речовинами, що переробляються, Q₁, кДж, визначають по формулі (9.2):

Q₁ = ∑G_i · C_i (T_Н – Т_О), (9.2)

де G_i - маса речовин, завантажених на одну операцію, кг, що переробляються, визначається по формулі (9.3):

Gi =

(9.3)

С_і – питома теплоємність речовин кДж, що переробляються кДж/(кг^. К), визначається по формулі (9.4) [8]:

С = ∑ Сі ·Х, (9.4)

Для визначення питомих теплоємкостей твердих і рідких речовин скористуємось формулою (9.5) [8]:

(9.5)

Визначаємо питому теплоємність бензойної кислоти по формулі (9.5)

:

Визначаємо питому теплоємність нітробензойних кислот по формулі (9.5):

Питома теплоємність органічних домішок:

С_орг.пр. = 1,6 кДж/(кг^. К) [9]

Питома теплоємність води:

С_води= 4,18 кДж/(кг^. К) [9]

Питома теплоємність нітратної кислоти:

С_HNO3=1,93 кДж/(кг^. К) [9]

Питома теплоємність оксиду нітрогену (IV):

С_N2O=3,72 кДж/(кг^. К) [9]

Т_н – початкова температура речовини, що переробляється, 288 К;

Т_о = 273 К.

Q₁ = (2246,07*1,93+35,24*4,19+3,46*3,72+440,36*1,12+0,05*1,6) · (303 – 273) = 149661,75 кДж

Тепло що відноситься з апарату разом з продуктами реакції визначається по формулі (9.3)

Склад реакційної маси після окиснення:

М-НБК: 1273,73·0,3986=507,71кг

Вода: 296,73 = 118,28кг

Бензойна кислота: 10,05*0,3986= 4,01кг

Домішки: 0,11*0,3986 =0,04 кг

О-НБК: 224,78·0,3986=89,60кг.

Т_к. =303 К;

Т₀ = 273 К.

Q₄ = (507,71*1,12+118,28*4,19+4,01*1,12+0,04*1,6+89,60*1,12) (303 – 273) = 35074,07 кДж

Тепло, що витрачається на нагрівання апарату і його частин, Q₅, кДж, визначають по формулі (9.6) [8]:

Q₅ = Q^ап₅ + Q^из₅, (9.6)

де Q^ап₅ – тепло, що витрачається на нагрівання апарату, кДж;

Q^из₅ - тепло, що витрачається на нагрівання ізоляції, кДж.

Тепло, що витрачається на нагрівання апарату, Q^ап₅, кДж, визначаємо по формулі (9.7) [8]:

Q^ап₅ = G_а · С_а · (Т_к – Т_н), (9.7)

де G_а – маса апарату, кг G_а = 7005 кг;

С_а – питома теплоємність матеріалу, з якого виготовлений апарат, кДж/(кг^. К). С_а = 0,5 кДж/(кг^. К) для сталі;

Т_к, Т_н – кінцева і початкова температура в апараті, відповідно, К.

Т_к = 308 К; Т_н = 288 К.

Q^ап₅ = 1790 · 0,5 · (303 – 303) =0 кДж

Тепло, що витрачається на нагрів ізоляції, Q^из₅, кДж, визначаємо по формулі (9.8) [8]:

Q^из₅ = G_из · С_из · (Т_к^’ – Т_н^’), (9.8)

де G_из – маса ізоляції, кг;

С_из – питома теплоємність ізоляції, кДж/(кг^. К);

Т_к ^’, Т_н^’ – середня кінцева і початкова температура ізоляції, відповідно, К.

Т_к = 323 К; Т_н = 293 К.

Приймаємо як ізолюючий матеріал азбест, для якого:

С = 0,84 кДж/(кг^. К); ρ = 600 кг/м³; λ = 0,151 Вт/(м ^. К) [9]

Масу ізоляції G_из, кг, визначаємо по формулі (9.9) [8]:

G_из = F ^. δ ^. ρ, (9.9)

де F_из – площа поверхні ізоляції, м². Приймаємо рівній площі поверхні теплообміну. Для апарату місткістю 10 м³ площа поверхні теплообміну F = 16,4 м²;

ρ – густина ізоляції, кг/м³;

δ – товщина ізоляції, м;

Товщину ізоляції δ, м, визначаємо по формулі (9.10) [8]:

δ = λ (Т_1из – Т_2из) / α (Т_2из – Т_в), (9.10)

де λ – теплопровідність ізоляції, Вт/( м ^{2 .} К);

α – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/( м ^{2 .} К);

Т_1из - температура внутрішньої стінки ізоляції °С. Приймаємо рівній температурі розсолу в сорочці апарату, Т_1из = 273К;

Т_2из – температура зовнішньої стінки ізоляції °С. Приймаємо згідно техніки безпеки Т_2из = 303К;

Т_в – температура навколишнього повітря °С, Т_в = 293К.

Коефіцієнт тепловіддачі α, Вт/(м^2.К), визначаємо по формулі Лінчевського (9.11):

α = 9,74 + 0,07^. (Т_2из – Т_в), (9.11)

α = 9,74 + 0,07^. (303-293) = 10,44 Вт/(м^2.К)

δ = 0,151^. (273-303) / 10,44^. (303-293) = 0,043м

G_из = 6,0 ^. 0,043 ^. 600 = 154,80 кг

Середня кінцева температура ізоляції визначається по формулі (9.12):

Т_к^’ = (9.12)

де Т_к – кінцева температура в апараті, К;

Т_к^’ = = 303 К

Середня початкова температура ізоляції визначається по формулі (9.13):

Т_н^’ = (9.13)

где Т_н – початкова температура внутрішньої стінки ізоляції °С; Т_н = 288К;

Т_в – температура повітря °С;

Т_н^’ = = 298К

Q^из₅ = 154,80 ^. 0,84 ^. (303-298) = 650,16 кДж

Загальна кількість тепла, що витрачається на нагрів апарату і ізоляції, складає:

Q₅ = 0 + 650,16 = 650,16 кДж

Тепло, що втрачається через ізольовану поверхню, визначаємо по формулі:

Q₆ = α ^. F_из ^. τ ^. (Т_2из – Т_в) ^. 10^-3, (9.14)

де τ - тривалість зони, с. τ =1800с.

Q₆ = 10,44 ^. 6 ^. 2 ·3600 ^. (303 – 293) ^. 10^-3 = 4510,08 кДж

Тепловий ефект процесу Q₃ є сумарною кількістю тепла, яке виділяється або поглинається при протіканні хімічних реакцій, що супроводжується їх физико-хімічними процесами. Тепловий ефект процесу визначаємо по формулі (9.15) [8]:

Q₃ = Q₃^х + Q₃^ф, (9.15)

де Q₃^ф – тепло, яке виділяється або поглинається в результаті проходження фізичних процесів (випаровування, плавлення, розчинення), кДж;

Q₃^х – теплота, яка виділяється або поглинається в результаті хімічної реакції, кДж;

Q₃^ф =0, оскільки немає фізичних процесів, що супроводжуються виділенням або поглинанням тепла.

Теплота, яка виділяється або поглинається в результаті хімічної реакції, визначається по формулі (9.16) [8]:

Q₃^х = + (9.16)

де ΔH_p – тепловий ефект хімічної реакції, кДж/моль;

Згідно з законом Гесcа та його наслідками, тепловий ефект хімічної реакції визначається з використанням:

- теплот утворень сполук;

- теплот згорання сполук;

- енергії зв' язків в молекулах реагуючих з'єднань.

Теплота утворення з'єднань визначається за формулою (9.17) [8]:

ΔH_p = (∑ν_і ^. ΔH_і⁰)_к – (∑ν_j ^. ΔH_j⁰) _н, (9.17)

Теплота згорання рідких органічних з'єднань визначається за формулою Кароша (9.18) [8]:

ΔH^с = - 109,15 ^. n + ∑Δ ^. ξ, (9.18)

Число переміщення електронів визначається за формулою (9.19):

n = C ^. 4 + C ^. 3 + C ^. 2 + C ^. 1 + H ^. 1, (9.19)

де n – число переміщення електронів;

С - число атомів вуглецю, у яких при даній реакції переміщаються в сторону гетероатома відповідно 4, 3, 2, 1-електрон;

Н - число атомів водню, у яких переміщається електрон;

Δ - теплова поправка, відповідна даному заступнику;

ξ - число однойменних заступників.

Розрахунок теплового ефекту основної реакції – нітрування бензойної кислоти нітратною.

Визначаємо число електронів нітробензойної кислоти, що переміщуються, за формулою (9.19):

n = 7^. 4 + 6^. 3 = 46

Визначаємо поправки, що відповідають даним заступникам та число однойменних заступників:

Δсоон = -27,2 ξ = 1 [4]

Визначаємо теплоту згорання нітробензойної кислоти за формулою (9.18):

ΔH^с = - 109,15 ^. 46 - 27,21 = 1420,32 кДж/моль

Визначаємо теплоту утворення за формулою (9.20):

ΔH⁰ = - ∑ n_i ^. ΔH^с_a - ΔH^с , (9.20)

де ΔH⁰ - питома теплота утворення з'єднань, кДж/моль;

n_i – число однойменних атомів в молекулі;

ΔH^с_a – теплота згорання одного грам-атома елементу, кДж;

ΔH^с – теплота згорання речовини, кДж/моль.

Визначаємо теплоту утворення нітробензойних кислот за формулою (9.20):

ΔH⁰ = - (395,45 ^. 7 + 143,26 ^. 6 +2·0) – 1420,32 =-5066,03 кДж/моль

Теплота утворення води:

ΔH_обр = -286кДж/моль

Теплота утворення бензойної кислоти:

ΔH_обр = -3227,54 Дж/моль

Теплота утворення нітратної кислоти:

ΔH_обр = -814,2кДж/моль

Теплота утворення діоксиду мангану:

ΔH_обр = -521,5кДж/моль

Визначаємо тепловий ефект хімічної реакції за формулою (9.17):

ΔH_р = (-5066,03-286)-(-3227,54-174,1)=-1950,39 кДж/моль

Визначаємо теплоту, яка виділяється або поглинається в результаті хімічної реакції за формулою (9.16):

Q₃^х = = -69535118,53 кДж

З рівняння (9.1) визначаємо тепло, що віддає теплоносій апарату та переробляючим речовинам:

Q₂ = -69535118,53+35074+650,16+4510,08-149661,75=-696634546 кДж

Поверхня теплообміну F, м², визначаємо за формулою (9.15):

F = (9.15)

де ΔT_ср – середній температурний напір, К.

К – коефіцієнт теплопередачи, Вт/м^2.К.

Середній температурний напір ΔT_ср, °С для охолодження рідиною, визначаємо за формулою (9.16):

, (9.16)

де A = (Т₃ – Т_пх) / (Т₃ – Т_кх);

Т₄ - кінцева температура охолоджуваної рідини, К;

Т₃ - початкова температура охолоджуваної рідини, К;

Т_пх.- початкова температура хладоагента, К;

Т_кх.- кінцева температура хладоагента, К.

А=

Коефіцієнт теплопередачі приймаємо 1700 Вт/(м×К)

Розрахована поверхня теплообміну дозволяє вести режим в даному температурному режимі (поверхня теплообміну в апараті складає сорочка – 6,0 м² та змійовик – 4,65 м²).

Дата добавления: 2015-08-28