2015-03-08
1461
Рассчитать тепловой баланс контактного аппарата для реакции SO2 + 0,5O2 Û SO3+qxpT0; объемный расход газовой смеси на входе V0 = 25000 м3/ч; состав: nSO2- 0,09; nO2 – 0,11; nN2 – 0,80. ХSO2=0,88; Температура входящего газа Tвх=4500С. Потери в окружающую среду - 5% от прихода теплоты. Расчет провести для политермического, изотермического и адиабатического режимов при условиях:
1. Политермический режим (принять коэффициент теплопередачи через стенку реактора kто=0,03 кДж/м2*град*с; температуру теплоносителя Тх=14 ˚С):
• рассчитать поверхность трубчатого теплообменника Fто, если температура выходящей смеси Твых.=450 ˚С;
• определить температуру на выходе из реактора Твых., если известна поверхность трубчатого теплообменника (Fто=100 м2).
2. Изотермический режим:
• рассчитать поверхность трубчатого теплообменника Fто;
3. Адиабатический режим:
• рассчитать температуру газа на выходе из реактора.
Составим материальный баланс процесса:
Таблица 2.3
Теплофизические характеристики веществ
| В-во | ni,0 | ni | ט'j | ט''j | A | b 10-3 | c 10-6 | c' 105 | d 10-9 | ΔH298 | сp кал/моль*К | |
| кал/моль | 693 К | 723 К | ||||||||||
| SO2 | 0,2 | 0,021978022 | 6,157 | 13,84 | -9,103 | 2,057 | -70960 | 10,894 | 10,975 | |||
| O2 | 0,1 | 0,010989011 | 0,5 | 8,643 | 0,202 | -1,03 | 7,402 | 7,435 | ||||
| SO3 | 0,1 | 0,307692308 | 13,7 | 6,42 | -3,12 | -94450 | 13,86 | 13,965 | ||||
| N2 | 0,6 | 0,659340659 | 6,903 | -0,375 | 1,93 | -0,686 | 7,102 | 7,12 |
1. По данным табл.2.3 рассчитаем среднюю мольную теплоемкость газовой смеси:
|
|
|
| На входе: | сp= 10,89×0,2+7,402×0,1+13,86×0,1+7,102×0,6= | 8,5662 | кал/моль×К |
Пересчитаем в Дж/моль×К: сp=8,5662×4,186= 35,8581132 Дж/моль×К
2. Q мп прих. = 35,8581132×2941,176471×1000×693 = 73087271905 Дж/ч
3. По уравнению (2.11) тепловой эффект химической реакции при 693 К:
| Δа= | 3,2215 | Δа(Т1-Т0)= | 1272,4925 | ΔН= -23490 кал/моль= 4,186*-23490= -98329,1 Дж/моль | q 693 x.p.= 22376,2631 кал/моль = 4,186 × 22376,2631= 93667,0371 Дж/моль |
| Δb= | -0,007521 | Δb/2(T12-T02)= | -1472,028923 | ||
| Δc= | 0,000009103 | Δc/3(T13-T03)= | 929,5648761 | ||
| Δc'= | -260500 | Δc'*(1/T1-1/T0)= | 498,2591979 | ||
| Δd= | - 2×10-9 | Δd/4*(T14-T04)= | -114,5507054 |
4. По (2.13)
Q693 x.p.= q693 x.p×NSO2×XSO2=93667,0371×588,2352941×1000×0,9 = 49588431429 Дж/ч
Так как реакция экзотермическая, относим эту величину в приход.
5. Суммарное тепло в приходной части баланса составит:
Qприх.= 73087271905+ 49588431429 = 122676000000 Дж/ч
6. Потери тепла всегда относят к расходной части баланса:
Qт.потерь= Qприх×0,05 = 122676000000×0,05 = 6133785167 Дж/ч;
Для политермического режима при температуре на выходе реактора 450˚С:
· теплоемкость смеси сp=10,975×0,021978022+7,435×0,010989011+13,965× 0,307692308+7,12×0,659340659=9,31434066 кал/моль×К = 9,31434066×4,186 = 38,98983 Дж/моль×К;
Qмп расх.= 9,31434066×2676,47059×1000×723 = 18024000 ккал/ч = 75448761329 Дж/ч.
Рассчитываем Qто по разности между суммой прихода и расхода:
|
|
|
| Статья | ПРИХОД | РАСХОД | ||
| Q,кДж/ч | Q,кДж/ч | |||
| Q м.п. | 73087271,9 | 75448761,33 | kтo, Дж/м2×град×с= | 0,03 |
| Q х.р. | 49588431,43 | Тх,, К= | ||
| Q т.потерь | 6133785,167 | Твых, К= | ||
| ВСЕГО | 122675703,3 | 81582546,5 |
Qто = ΔQ = Qприх - Qрасх = 122675703,3 - 81582546,5 = 41093156,84 кДж/ч
· Расчет поверхности теплообмена
Из уравнения ΔQ = Qто = Fто× kто(Tвых-Tx) рассчитаем Fто:
Fто=Qто/(kто(Tвых-Tx)) = 41093156,84 /(0,03×3600 ×(723-287)) = 872,6885159 м2
Сводная таблица теплового баланса:
| Статья | ПРИХОД | РАСХОД |
| Q,кДж/ч | Q,кДж/ч | |
| Q м.п. | 73087271,9 | 75448761,33 |
| Q х.р. | 49588431,43 | |
| Q т.потерь | 6133785,167 | |
| Q то | 41093156,84 | |
| ВСЕГО | 122675703,3 | 122675703,3 |
· Расчет температуры на выходе из реактора
При заданной поверхности теплообмена (Fто =100 м2) для расчета температуры на выходе из реактора необходимо решить систему из двух уравнений:
Qто=kтоFто(Tвых-Tх);
Qто=Qрасх-Qприх=cр,вых×Nрасх×Tвых-Qприх.
Отсюда cр,вых×Nрасх×Tвых-Qприх=kтоFто(Tвых-Tх);
cр,вых×Nрасх×Tвых-Qприх=kтоFтоTвых-kтоFтоTх;
Твых=(Qприх-kтоFтоTх)/(Cр,выхNвых-kтоFто)=(122675703,3-0,03×3600×100×287)/ (38,98983×2676,47-0,03×3600×100) = 1278,13514 К.
Для изотермического режима Твх=Твых
Рассчитываем Qто по разности между суммой приходной и расходной частями баланса:
| Статья | ПРИХОД | РАСХОД |
| Q,кДж/ч | Q,кДж/ч | |
| Qм.п. | 73087271,9 | |
| Qх.р. | 49588431,43 | |
| Qт.потерь | 6133785,167 | |
| ВСЕГО | 122675703,3 |
Qто= 72324241117- 122675703,3 = 72201565414 кДж/ч
Fто=Qто/(kто(Tвых-Tх))= 72201565414 / (0,03*3600(723-287)) = 1533332,599 м2
Окончательная таблица теплового баланса:
| Статья | ПРИХОД | РАСХОД |
| Q,кДж/ч | Q,кДж/ч | |
| Qм.п. | 73087271,9 | |
| Qх.р. | 49588431,43 | |
| Qт.потерь | 6133785,167 | |
| Qто | -72201565414 | |
| ВСЕГО | 122675703,3 | 122675703,3 |
Для адиабатического режима Qто=0
Для расчета Твых необходимо определить Qм.п. в расходной части баланса:
| Статья | ПРИХОД | РАСХОД |
| Q,кДж/ч | Q,кДж/ч | |
| Qм.п. | 73087271,9 | ? |
| Qх.р. | 49588431,43 | |
| Qт.потерь | 6133785,167 | |
| Qто | ||
| ВСЕГО | 122675703,3 | 6133785,167 |
Qм.п.= Qприх - Qт.потерь = 122675703,3 - 6133785,167 = 116541918,2 кДж/ч.
Отсюда Твых=Qм.п.расх/cр*Nрасх.
Принимаем усредненное значение теплоемкости выходной смеси:
cр,ср=(35,8581132+38,98983) / 2 = 37,4239716 Дж/моль×К,а
Твых = 116541918,2 / (37,4299716 × 2676,4706) = 1163,509173 К.
