Тепловой баланс контактного аппарата

6.Тепловой баланс контактного  аппарата.

Условие теплового баланса:

                                                        Q_прих= Q_расх                                                          (6.1)

                                             Q_(прих)i= Q₁+ Q₂                                                                        (6.2)  

где: Q₁ – физическое тепло, поступающее в i–й слой контактного аппарата  с газами  

                при температуре Твх, кДж;

        Q₂- тепло экзотермической реакции в i-ом  слое при  окислении SО₂ в SО₃, кДж

                                           Q_(расх)i= Q₃ + Q₄                                                (6.3)

где: Q₃- потери тепла в окружающую среду, кДж;

        Q₄- физическое тепло, отходящих газов из i–го слой контактного аппарата при

               температуре Твых, кДж;.

6.1.Рассчет теплового баланса 1 слоя контактного аппарата

Расчет проведем на 1 т 100 % Н₂SO₄  с последующим пересчетом на часовую производительность 75,95 т/ч 100 % Н₂SO₄  

6.1.1. Приход тепловых потоков

1)  Q₁ – физическое тепло, поступающее в первый слой   с газами при температуре  

              410°С:

                                                              Q₁ = V_Г∙С∙T,     

          где     V_Г =1867,518 - объем газа, поступающего на первый слой катализатора ,( м³);                        

                      – средняя теплоемкость компонентов, кДж/(м³∙К);

                     Т- температура, К.

Теплоемкость компонентов в зависимости от температуры определим по формулам [26, 27] , кДж/(кмоль∙К):

Для N₂ (при 298-2500 К)

                                 =

Для О₂ (при 298-3000 К)

                                 =

Для SO₂ (298-2000 К)

                   =

Для SO₃ (298-1300 К)

                    =

                      При температуре Т=500⁰С                                                                                                

                                                                                                                          Таблица 6.1

Средние теплоемкости  компонентов газовой смеси

Компоненты	, кДж/(кмоль∙К)	, кДж/(м3∙К)
SO2,	47,062	2,101
О2	31,639	1,412
N2	30,167	1,347

Рассчитаем среднюю теплоёмкость газовой смеси по правилу аддитивности с учётом x_i.

                                      (6.2)

где x_i-объемная доля компонента в смеси на входе в слой.

                        

                            Q₁ = 1867,518∙1,443∙683=1840567,848 кДж                                                                              

2) Определим Q₂ – теплоту, выделяющуюся в результате экзотермической реакции  окис­ления SО₂ в SО₃.

                                              Q₂= ΔН ∙V(SO₂)i /0,0224

где: ΔН- тепловой эффект реакции, , кДж/моль;

       V(SO₂)i- объем окислившегося диоксида серы, м³.

Объем окислившегося диоксида серы определим по формуле:

                                                   V(SO₂)i =V(SO₂)∙ ∆Хi

∆Хi- степень превращения для i –го слоя, д.е.

 Рассчитаем энтальпии реакций, воспользовавшись справочными данными мольных энтальпий образования веществ [28]

                                           ΔН=∑n_i∙ΔH⁰_{298 кон} - ∑n_j∙ΔH⁰_{298 исх ,}                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

где ΔH⁰₂₉₈ – стандартная мольная энтальпия образования исходных вещества и конечных продуктов, кДж/моль[28].

         n_i,j – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции    для исходных и конечных  веществ

Для реакции:                                     

                                                         SO₂+0,5O₂ SO₃

                                                   ΔН= ΔH⁰ _(SO3) – (ΔH⁰ _(SO2)+ 0,5ΔH⁰ _(O2))

                               ΔН=[1∙(-395,7)] – [1∙ (-296,81)+0,5∙0]= -98,89кДж/моль 

                                    Q₂=(98,89∙141,184)/0,0224= 623289,543 кДж

Суммарный приход тепла составит:       

                             Q_1п∑ = 1840567,848+623289,543=2463857,391 кДж.

6.1.2. Расход тепловых потоков

1) Потери тепла в окружающую среду принимаем 2 % от общего  прихода :

                                                        Q₃=0,02∙ Q_1п∑

                                       Q₃=2463857,391∙0,02=49277,148  кДж.

2)Q₄-физическое тепло, выносимое  отходящими газами [25]:

Обозначим температуру газа, покидающего первый слой контактной массы, через Тх, получим количество тепла, уносимого с газами:

                                                          Q₄ = V_Г∙С∙Tх

С – средняя теплоемкость компонентов, кДж/(м³∙К)

                                      Q₄ =1796,926∙1,489 ∙Tх = 2675,623∙Tх

Составляем уравнение теплового баланса 1 слоя катализатора:

                                        2433245,036 =2675,623∙Tх+ 49277,148

Температура газа, выходящего из первого слоя будет:

                 Tх=(2463857,391-49277,148)/2675,623=898,44К или 625  ⁰С

Сходимость полученного значения температуры с найденной ранее (610⁰С) вполне удовлетворительна.

После первого слоя газ направляется в пароперегреватель  II  ступени. Охладившись там до 450° С, он возвращается во второй слой контактного аппарата.

3) Количество тепла, требуемое отвести в теплообменной аппаратуре, определим по формуле:

                                                 Q₅= Q₄- Q'₁

где: Q'₁- физическое тепло, поступающее на второй слой   с газами при температуре 

              450°С:

                              Q₅=2414580,243–1934475,429=469411,299 кДж

Суммарный расход тепла составит:

                             Q_1р∑= 2403886,728+49277,148=2463857,036 кДж

Таблица 6.2

           Тепловой баланс 1 ступени конверсии (1 слой)  на 1т 100% Н₂SO₄

Приход			Расход
Поток	МДж	%	Поток	МДж	%
где Q1 - физическое тепло поступающего на окисление газового потока;	1840,568	74,70	Q3   - потери	49,277	2,00
Q2 – теплота реакции	623,289	25,30	Q4 - физическое тепло отходящих газов	2414,580	98,00
Итого	2463,857	100	Итого	2463,857	100

6.1.3. Пересчет тепловых потоков на часовую производительность

Проведем перерасчет тепловых потоков  на часовую производительность 75,95 т/ч 100 % Н₂SO₄

 1) Q₁ – физическое тепло, поступающего в аппарат  с газами при температуре 410°С:

                                    Q₁=1840567,848∙75,95=139791128,100 кДж

2) Q₂ – теплота, выделяющаяся в результате экзотермической реакции  окис­ления SО₂ в SО₃.                                  

                                      Q₂=623289,543∙75,95=47338840,790 кДж

Суммарный приход тепла составит:

                            Q_1п∑ =139791128,100  +47338840,790 =187129968,900 кДж

3) Потери тепла в окружающую среду:

                                      Q₃=49277,148  ∙75,95=3742599,391 кДж

4)Q₄-физическое тепло, выносимое  отходящими газами: