Побудова графіка залежності температури ведення процесу від часу і визначення температурних зон - Розробка технології виробництва туалетного мила

У реакторах періодичної дії процес, як правило проходить при перемінних температурах у часі. Відповідно до графіка зміни температури весь тепловий процес розбивають на ряд зон, кожна з яких відповідає визначеному етапу в проведенні технологічного процесу технологічного процесу (рис. 9.1).

Рівняння теплового балансу для кожної температурної зони:

І зона Q1 + Q2 = Q4 + Q5 + Q6

II зона Q2 + Q3 = Q6

Розрахунок 1-ї зони:

Q1 + Q2 = Q4 + Q5 + Q6

Розраховуємо кількість тепла, що утримується у вихідних компонентах і в кінцевих продуктах Q1 і Q4. Фізичне тепло, що утримується у вихідних компонентах Q1 або в кінцевих продуктах реакційної маси Q4, знаходять з виразу:

, (9.2)

Де Gi - вага кожного з компонентів початкових або кінцевих сполук, кг;

Ci - питома теплоємність речовини, кДж / кг-К;

Ti - температура речовини, оС.

Вагові кількості речовин Gі беруть за даними завантажень на операцію (по технологічному регламенту).

Значення теплоємностей різних речовин можна знайти в довідковій літературі:

С(суміші жирів ) = 2,3045 кДж / кг-К

С(соняшникової олії) = 1,7 кДж / кг-К

С(водного розчину каустичної соди 15%) = 3,67 кДж / кг-К

С(вода) = 4,19 кДж/кг-К.

Фізичне тепло, що утримується у вихідних компонентах Q1:

Q1 = (2,3045?6172,09+1,7 ? 3371,45+4,19? 603,11) ? 20 + (2128,56 ? 3,67?80) = = 10925866,6 кДж

Фізичне тепло, що утримується у кінцевих компонентах Q4:

Q4 = (2,3045?6172,09+1,7 ? 3371,45+4,19? 603,11 + 2128,56 ? 3,67) ? 80 = = 2423510,4 кДж

Розрахунок тепла, що витрачається на нагрівання реактора Q5

У ході протікання процесу частина тепла витрачається на нагрівання корпуса реактора Q'5 і на нагрівання ізоляції реактора Q''5. Загальна кількість тепла, що витрачається на нагрівання частин реактора:

(9.3)

Кількість тепла, що витрачається на нагрівання корпуса реактора:

, (9.4)

Де G - вага корпуса або окремих його частин, кг;

C - питома теплоємність матеріалу корпуса або окремої його частини, кДж/кг-К;

TWcpк - середня температура стінки реактора, що відповідає закінченню нагрівання у даній зоні, оС;

Tн - початкова температура стінки реактора у даній зоні, оС.

Середня температура tWcpк дорівнює середньому арифметичному між температурою стінки з боку теплоносія tW1к та температурою стінки з боку реакційної маси, до моменту закінчення нагрівання у даній зоні tW2к :

°С

Кількість тепла, що витрачається на нагрівання корпуса реактора:

Q'5 = 32760 ? 0,5 (81,45 - 20) = 1006551 кДж

Для теплового процесу, в якому реактор нагрівається теплоносієм через оболонку протягом декількох температурних зон з періодичним східчастим підвищенням температури, кількість тепла, що витрачається на нагрівання ізоляції Q5", розраховується тільки для першої зони, в якій почалося нагрівання. Для випадків нагрівання реакційної маси шляхом подачі в оболонку апарата теплоносія з невисокою температурою або охолодження маси шляхом подачі холодоагента в оболонку апарата Q5" взагалі не розраховується.

Загальна кількість тепла, що витрачає на нагрівання частин реактора:

Q5 = Q'5 = 1006551 кДж

Розрахунок втрат тепла в навколишнє середовище Q6

У зв'язку з тим, що ізольована поверхня реактора і його неізольована частина мають, як правило, різні значення температури, втрати тепла в навколишнє середовище обчислюють роздільно для ізольованої й неізольованої частини реактора й знаходять їхню суму за формулою 9.5:

, (9.5)

Де Fн - поверхня неізольованої частини реактора, м2;

Fиз - поверхня ізольованої частини реактора, м2;

Бн - коефіцієнт тепловіддачі від неізольованої поверхні реактора в навколишню середу, Вт / м2-К;

Біз - коефіцієнт тепловіддачі від ізольованої частини реактора в навколишню середу, Вт / м2-К;

Ф - тривалість процесу в даній зоні, година;

Tнст - середня температура зовнішньої поверхні неізольованої частини реактора за період часу, оС;

Tізст - середня температура зовнішньої поверхні ізольованої частини реактора за період часу, яка дорівнює 40 оС;

Tв - температура навколишнього повітря, яка дорівнює 20 оС.

Значення бн і біз можуть бути визначені з наступних виразів:

(9.6)

(9.7)

,

Де t1 і t2 - початкова і кінцева температури реакційної маси в даній зоні, оС.

Загальна кількість тепла, що йде у навколишнє середовище:

Q6 = (4,9-18,6-(34,5?20)+6,5-11,14-(40-20))-1,5-3,6 = 14956,54 кДж

Кількість тепла, що підводиться з теплоносієм Q2

2423510 + 1006551 + 14956,54 ?1092586,6 = 2352430,9 кДж

Розрахунок 2-ї зони:

Q2 + Q3 = Q6

Розрахунок теплового ефекту процесу Q3

Кількість тепла, що виділяється в результаті хімічної реакції, визначають за формулою:

, (9.8)

Де G - 100%-на вага одного з компонентів, що беруть участь у реакторі, кг;

M - його молекулярна маса;

Qр - тепловий ефект хімічної реакції, кДж / моль;

З - вихід від теоретичного по даній реакції в сотих долях.

Тепловий ефект хімічних реакцій обчислюють відповідно до закону Геса:

, (9.9)

Де Уqєк - сума теплот утворення сполук, отриманих у результаті хімічної реакції, кДж;

Уqєн - сума теплот утворення сполук, що вступили до хімічної реакції, кДж.

Теплоти утворення деяких реагуючих речовин та сполук, можуть бути знайдені в довідниках фізико-хімічних величин, де наведені стандартні мольні ентальпії утворення речовин. Ентальпія утворення речовини однакова за величиною і протилежна за знаком теплоті утворення.

Для суміші жирів :

Теплота утворення сполуки у рідкому стані:

Для карбонату натрія теплота утворення сполуки у твердому стані:

Для гліцирину теплота утворення сполуки у рідкому стані:

Для NaHCO3 теплота утворення у твердому стані:

Для RCOONa теплота утворення у твердому стані:

Для води: теплота утворення сполуки у рідкому стані:

Тепловий ефект хімічної реакції:

Qp = (835,5 + (-1131) + (-286)) ? ((-710,4) + 660,96 + (-947,7)) =

= 418,8 кДж / моль

Кількість тепла, що виділяється в результаті хімічної реакції:

Q3 = (3364,98 - 1000 - 418,8 - 0,9995) / 274 = 5140689,77 кДж

Розрахунок втрат тепла в навколишнє середовище Q6.

Втрати тепла в навколишнє середовище обчислюють за формулою 9.5:

,

Де Fн - поверхня неізольованої частини реактора, м2;

Fиз - поверхня ізольованої частини реактора, м2;

Бн - коефіцієнт тепловіддачі від неізольованої поверхні реактора в навколишню середу, Вт / м2-К;

Біз - коефіцієнт тепловіддачі від ізольованої частини реактора в навколишню середу, Вт / м2-К;

Ф - тривалість процесу в даній зоні, година;

Tнст - середня температура зовнішньої поверхні неізольованої частини реактора за період часу, оС;

Tізст - середня температура зовнішньої поверхні ізольованої частини реактора за період часу, яка дорівнює 40 оС;

Tв - температура навколишнього повітря, яка дорівнює 20 оС.

Значення бн і біз можуть бути визначені з виразів 9.6 та 9.7:

,

Де t1 і t2 - початкова і кінцева температури реакційної маси в даній зоні, оС.

Загальна кількість тепла, що йде у навколишнє середовище:

Q6 = [4,9-18,6-(80?20) + 6,5-11,14-(40?20)]-6-3,6 = 149787,36 кДж

Кількість тепла, що підводиться з теплоносієм або відводиться з холодоагентом Q2:

Q2 = Q3 + Q6 = 5140689,77 + 149787,36 = 5290477,13 кДж

Визначення найбільш теплонапруженої зони процесу

Найбільш теплонапружена зона процесу визначається за максимальним значенням питомого теплового навантаження (кДж), яке можна знайти по формулі:

, (9.10)

Де - кількість тепла, що підводиться або відводиться у даній температурній зоні, кДж;

- тривалість нагрівання або охолодження в розрахунковій зоні, год.

Найбільш теплонапруженою зоною є перша, за її температурними параметрами розраховується необхідна для даного теплового навантаження поверхня теплообміну, м2:

, (9.11)

Де gмах - максимальне значення питомого теплового навантаження, кДж;

К - коефіцієнт теплопередачі від теплоносія до реакційної маси, Вт / м2-К;

3,6 - коефіцієнт перерахунку Вт в кДж;

Дt - середній температурний напір, єС.

Значення Дt обчислюють як середню логарифмічну різницю температур:

, (9.12)

Де

Дtб = Т1 - t1; Дtм = Т2 - t2;

Т1 і Т2 - початкова і кінцева температури теплоносія, єС;

T1 і t2 - початкова і кінцева температури реакційної маси, єС.

,

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі та теплопередачі

Значення коефіцієнта теплопередачі від теплоносія до реакційної маси через стінку реактора визначається за формулою:

, (9.13)

Де - коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія до стінки реактора, Вт / м2-К;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки до реакційної маси, Вт / м2-К;

- сума термічних опорів усіх прошарків, з яких складається стінка, Вт / м2 -К.

Коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації насиченої пари на вертикальних стінках розраховується за формулою Нусельта:

, (9.14)

Де - питома теплота паротворення, Дж / кг;

- густина конденсату, кг / м3;

- прискорення вільного падіння, м / с2;

- коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт / м-К;

- динамічний коефіцієнт в'язкості конденсату, Па-с.

Коефіцієнт тепловіддачі :

Для визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до реакційної маси, що розмішується усередині реактора мішалкою, використовують вираз:

, (9.15)

Де - критерій Нусельта;

- коефіцієнт теплопровідності реакційної маси при її середній температурі, що визначається як середнє арифметичне між початковою та кінцевою температурами у даній зоні, Вт / м-К;

- внутрішній діаметр реактора, м.

Критерій Нусельта в цьому випадку має залежність:

, (9.16)

, (9.17)

;

, (9.18)

Де - константа, що дорівнює 0,36 для реакторів з оболонками;

- показник ступеня, що дорівнює 0,66 для реакторів з оболонками;

- динамічний коефіцієнт в'язкості реакційної маси, Па-с;

- динамічний коефіцієнт в'язкості реакційної маси при середній температурі стінки з боку маси, що з деяким припущенням можна прийняти рівною середньому арифметичному між середньою температурою теплоносія і кінцевою температурою реакційної маси, Па-с;

- питома теплоємність реакційної маси, кДж / кг К;

- густина реакційної маси, кг / м3;

- діаметр лопасті мішалки реактора, м;

- швидкість обертання мішалки, об/с.

Коефіцієнт тепловіддачі :

Коефіцієнт теплопередачі від теплоносія до реакційної маси через стінку реактора:

Необхідна для даного теплового навантаження поверхня теплообміну, м2:

Для даного процесу необхідна поверхня теплообміну 34,8 м2, що менше за стандартну поверхню 55 м2.

Визначення витрати теплоносіїв та холодоагентів

Витрати теплоносіїв або холодоагентів визначають по кожній температурній зоні, виходячи з розрахованої кількості тепла, що підводиться або відводиться.

Витрата "острої" насиченої водяної пари на підігрів, кг:

кг; (9.18)

Де r - питома теплота пароутворення, кДж/кг.

Похожие статьи




Побудова графіка залежності температури ведення процесу від часу і визначення температурних зон - Розробка технології виробництва туалетного мила

Предыдущая | Следующая