СОСТАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО (ТЕПЛОВОГО) БАЛАНСА

И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход энергии (тепла) процесса (аппарата). Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Обычно для химико-технологических процессов составляется тепловой баланс. Уравнение теплового баланса:

S Q_пр = S Q_расх (3.12)

или

S Q_пр - S Q_расх = 0 (3.13)

Применительно к тепловому балансу закон сохранения энергии формулируется следующим образом: приход теплоты в данном аппарате (или производственной операции) должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате (или операции).

Для аппаратов (процессов) непрерывного действия тепловой баланс, как правило, составляют на единицу времени, а для аппаратов (процессов) периодического действия – на время цикла (или отдельного перехода) обработки.

Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов (экзотермических и эндотермических) химических реакций и физических превращений (испарение, конденсация и др.), происходящих в аппарате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции, а также через стенки аппарата.

Тепловой баланс подобно материальному выражают в виде таблиц и диаграмм, а для расчета используют следующее уравнение:

Q_т + Q_ж + Q_г + Q_ф + Q_р + Q_п = Q_т^/ + Q_ж^/ + Q_г^/ + Q_ф^/ + Q_р^/ + Q_п^/ (3.14)

где Q_т, Q_ж, Q_г – количество теплоты, вносимое в аппарат твердыми, жидкими и газообразными веществами соответственно; Q_т^/, Q_ж^/, Q_г^/ - количество теплоты, уносимое из аппарата выходящими продуктами и полупродуктами реакции и непрореагировавшими исходными веществами в твердом, жидком и газообразном виде; Q_ф, Q_ф^/ - теплота физических процессов, происходящих с выделением и поглощением (Q_ф^/) теплоты; Q_р и Q_р^/ - количество теплоты, выделяющееся в результате экзо- и эндотермических реакций (Q_р^/); Q_п – количество теплоты, подводимое в аппарат извне (в виде дымовых газов, нагретого воздуха, сжигания топлива, электроэнергии и т.п.); Q_п^/ - потери теплоты в окружающую среду, а также отвод ее через холодильники, помещенные внутри аппарата.

Величины Q_т, Q_ж, Q_г, Q_т^/, Q_ж^/ и Q_г^/ рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него по формуле:

Q = Gct (3.15)

где G – количество вещества; с – средняя теплоемкость этого вещества; t – температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 0⁰С).

Теплоемкости газов (в Дж/(кмоль × К)), участвующих в процессе, для данной температуры в ⁰С (или Т, К) можно подсчитать, пользуясь формулой:

с = а₀ + а₁Т + а₂Т² (3.16)

Чаще всего приходится иметь дело со смесями веществ. Поэтому в формулу (3.15) подставляют теплоемкость смеси с_см, которая может быть вычислина по закону аддитивности. Так, для смеси трех веществ в количестве G₁, G₂ и G₃, имеющих теплоемкости с₁, с₂ и с₃

(3.17)

Суммарная теплота физических процессов, происходящих в аппарате, может быть рассчитана по уравнению:

Q_ф = G₁r₁ + G₂r₂ + G₃r₃ (3.18)

Где G₁, G₂, G₃ – количества компонентов смеси, претерпевших фазовые переходы в данном аппарате; r₁, r₂, r₃ – теплота фазовых переходов (конденсация, кристаллизация, растворение и т.д.).