книги / Справочное пособие по теплотехнологическому оборудованию промышленных предприятий

верхностный слой материала описываются уравнением

— - = £>у2р.

(4.1)

тде р — концентрация

вещества

на поверхности

материала,

кг/м2;

D — коэффи­

циент диффузии, м2/с.

расчетов

величины D при

насыщении

углеродом

решетки

Для" практических

7 -железа в диапазоне

температур 750— 1250 °С

и концентрации углерода 0,1 —

1,0 % может быть использовано выражение

/

32 000 N

,

(4.2)

D = (0,07 + 0,0бсп) ехр {

-

]

где сп — поверхностная концентрация углерода, % вес.

(4.2)

до­

Для получения однозначного решения уравнение массопроводности

полняется условиями

однозначности — краевыми

условиями,

которые наряду

со

значениями физических параметров включают начальное и граничные условия.

За начальное условие однозначности в большинстве случаев принимают

p(.v, 0 )= р о = const.

При граничном условии первого рода задается закон

изменения

концентра­

ции насыщающего компонента в поверхностном слое твердой фазы:

Р п (т)= /(т),

(4.3)

/п (т) — а м [Рпрсд — Р (0.

т)];

—D

= ам ^ ПРСД ~ Р

ТН»

где а м — коэффициент поверхностной массоотдачи, см/с.

слое

Применительно к термодиффузни насыщающего компонента в поверхностном

металлической

садки (пластина произвольной формы) решение уравнения

(4.1) имеет следующий вид.

Граничные условия первого рода:

Рп — Ро

- e r f e f —

От

(4.4)

\ 2

)

где

ро — начальная

концентрация

насыщающего

компонента (например, угле­

рода) в нагреваемой твердой фазе;

рп — концентрация насыщающего компонента

Р(*. т) — Ро

/

1

(4.5)

Рпред

Ро

у

2

— exp (Bi - f Ti2) erfc

4

Fo

2 ] /T £

где Bi — критерий Био (диффузионный):

Bi =

D

’*

x — расчетная толщина

диффузионного

слоя,

м; Ti — критерий Тихонова:

Ti = Bi fP o

=

a>' ! l T ;

(4.6)

V D

a M— коэффициент

массообмеиа (фазограннчный коэффициент),

см/с

(см,

табл. 4.1);

рпред — равновесная концентрация насыщающего компонента

на

по­

верхности, соответствующая потенциалу (углеродному) среды.

твердой

В соответствии

с

формулой (4.5) концентрация на поверхности

фазы р (0 , т) молсет быть записана в виде

Р (0,

т ) - р 0

Рпред

1 — exp [Ti2 — erfc (Ti)].

Ро

тален

можно воспользоваться выражениями (граничное

условие третьего

рода)

[82]:

для деталей, имеющих форму шара, и поверхности, образованной сфериче­

ской полостью,

Р (0 , т) — р0

(4.7)

= / (Ti) + - g r / (Ti):

Табл. 4.1. Коэффициент поверхностного массообмена при насыщении

поверхности

углеродом

Источник

Температура

Состав атмосферы, % Значение, см/с

Примечание

информации

[71]

850

СО

1,23-10—7

Прн повыше­

900

с о

1,44-10—7

нии

скорости

950

с о

1,8 2 -1 0 -»

возрастает

1000

с о

1,80-10—7

[120]

850-980

СО =

23;

Н2 =

31

ы о - 6

Определено

и остальное No

эксперименталь­

Расчеты

вы­

930

'С О =

19; Н2 =

39;

но

М О - 5 — 4 Х

Ориентиро­

полнены

исхо­

СН4 = 2—3

и

ос­

X 10 — °

вочно

дя

из времени

тальное N 2

процесса в

про­

мышленных

пе­

чах

газовой

це­

ментации

918-925

СН4 =

1,36— 1,62;

1,09-10 —7

Определено

[118]

Н2 =

40 и

осталь­

1,41 -10 —7

эксперименталь­

ное No

но

для цилиндрических деталей

Р(0 > т) — р0

= / (Ti) +

' 2Bi

•/( T i) ;

(4.8)

Рлред

Ро

для поверхности,

образованной круглым

отверстием,

р(0, т) — р0

Рпред

Ро

= / сто —

/ (Ti> М

Значения коэффициента f в форму­

лах (4.8) н (4.9) выбираются

в соответ­

ствии с рис. 4.1.

4.2.

Длительность процесса тепловой обработки

в огнетехнических установках с нейтральной

или окислительной атмосферой

Длительность

пребывания

садки в

огнстехннческой

установке

зависит от

бывания садки в установке вначале выполняется ее классификация

с учетом

того, что все

тела

по

характеру

нагрева

разделяются на тонкие

и

массивные.

В массивных

телах

в

отличие от

тонких

(B i> B iKp) наблюдается

значительная

В

со о т в ет ст в и и со ск а за н н ы м

в сам о м общ ем сл у ч а е

вы р аж ени е д л я

оп реде­

л ен и я в р ем ен и

п р ебы в ан и я са д к и в

печи и м еет вид

л—1

Т = 2 т < + т выд+ т техн,

(4.10)

где

2

т- — время основного нагрева, по истечении которого на поверхности ме-

i=i

входит

талла будет достигнута температура операции, заданная технологией (сюда

время нагрева

в первой зоне, а также в последующих зонах форсированного нагре­

ва),

с:

Д

Л < = . ; и + Л + 1 . . . + т ^ ; ;

(4.11)

п — общее число зон; п — 1

— число-зон, не считая зоны выдержки, где

темпера­

тура садки на

поверхности и в ее середине выравнивается;

твыд — время

выдерж­

Формулы (4.9)

и

(4.10) используются

при расчете

массивных тел

(Bi^s

^sB iKp). В случае тонкого тела

(BiCBiup)

могут быть предложены

следующие

выражения:

если теплопередача к поверхности садки совершается в основном за счет

тепловой конвекции,

где

а 0 — эффективное значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2 • К);

6 — коэф­

фициент формы (для

неограниченных пластины и цилиндра

соответственно

k = 1

и

6 = 2;

для

других

случаев

значения даются в работе [61]); Тг — температура

греющих

газов,

К;

а 0,

Ср, р — соответственно

коэффициент теплоотдачи,

весовая

изобарная теплоемкость садки и

ее плотность;

д: — характерный размер

садки;

-температура садки в начальный момент времени т0;

5. Зак. 2571

65

Ч

Гг ’

Ф

,

1

,

'То

+

—

агс‘е —

;

Сп — приведеннымденный коэффициент излучения,

Вт/(м2 ■К4).

ф

J

Ч - ')

ф ^ j /

J объясняются в литературе [61].

Функции ф y —ji— / и

Приведенные

формулы

пригодны

для

расчета времени

нагрева

материала

T =G /P,

где

G — количество высушиваемого

материала,

которое

находится

в

кипящем

слое сушильной камеры:

с _

,

6 аД£

*

Q — количество

тепла,

передаваемого

от

сушильного

агента

к

материалу,

кДж/ч; рм — плотность

материала,

кг/м3; d — средний диаметр частиц,

м; а —

эффективный коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м2 -К ); At — средняя

логарифмиче­

ская разность температур газов и

материала в

активной

зоне,

°С;

Р — про­

изводительность сушила, кг/с.

нахождения

времени

Пневматические трубы и распылительные сушила. Д ля

сушки используется выражение [81]

3600Q

aFAtCp

где

Q — расход

тепла на

нагрев частиц и испарение влаги,

кДж/с;

AtCp— сред­

Gr — часовая производительность

по сушильному агенту, кг/с;

dCp — средний

диаметр частиц материала, м.

прохождения частиц материала

через бара­

Барабанные сушила. Время

бан [81]

т =

__________ U __________

(4.14)

Dnc (a tg а

± - 7 - —

v4

\

а

рч

где Lo,

D — соответственно

длина н диаметр

сушильного

барабана, м; л — ско­

рость вращения барабана:

л =0,5— 8 об/мин;

а — угол наклона

барабана;

d —

диаметр

(средний) частиц

материала,

м; о — скорость

газов

в сушиле,

м/с;

Рг, рч — соответственно плотности газа

и частиц,

кг/м3; с, a, b, q — коэффициен­

при прямоточном движении газов и материала,

знак минус — при

протнво-

точном.

Табл. 4.2. Значения опытных коэффициентов для

барабанных сушил

Тип насадки барабана

|

а

1 »

1 *

1 ч

Периферийная*

3,80

0,1940

0 65

1,7

Секторная

1,95

0,0336

0,70

1,6

Секторная с внутренним кольцом

2,35

0,0224

0,60

1,6

Панельная

0 ,0 2

0,0116

0,75

1,8

Панельная с ребрами

0,72

0,00664

0,83

1,8

Панельная с сообщающимися секторами

1,35

0,0451

0 ,6 8

1,8

Крестообразная

6,90

0,0268

0,60

1,8

lOOGc

№

) - < m

5 ,67Fe;

где

G — производительность сушила, кг/с;

с — теплоемкость изделий (материа­

ла),

кД ж /(кг• К); F — тепловоспринимающая поверхность, м2; е„ — приведенная

Оценка тепловой мощности является основой для

выбора

технологического

и энергетического оборудования, а также составления

схемы

энергоснабжения

производства.

баланса включает приходные и расходные статьи [61]:

Уравнение теплового

Qi+Q2+Qz=Q4+Qs+Qe,

где Qi — теплота,

вносимая в аппарат

теплоносителем

или отводимая хладаген­

том, кДж/с; Q2 — теплота, вносимая в аппарат с исходным сырьем, кДж/с; Q3 —

теплота,

уносимая

из

аппарата

с продуктами

реакции,

кДж/с;

Q4— тепловой

эффект реакции,

кДж/с;

Q5 — теплота, расходуемая

на

нагревание

(охлажде­

ние) отдельных

элементов аппарата,

кДж/с; (?б — теплопотери

в

окружающую

среду, кДж/с.

Рассмотрим отдельные составляющие теплового баланса. Теплоту, использо­

ванную в аппарате для

нагревания материала, можно представить в виде

Qi ~ Q3 =

2

” ; ^ ; ~ Д

m;V / -

(5Л >

с,-, ti

— соответственно масса,

теплоемкость

и температура

i-ro

компонента

исходных

продуктов, перерабатываемых в аппарате; mh

Cj, tj — соответственно

Реакция

Тепловой эф­

фект,

Примечание

кДж/моль

Нитрование бензола до

нитробензо-

1 2 2 , 1

Бензол жидкий

Нитрование нитробензола до

дини­

106,5

Нитробензол жидкий

тробензола

Нитрование толуола до моионнтро-

112,3

Толуол жидкий

толуола

мононитротолуола

до

95,7

Нитротолуол жидкий

Нитрование

днннтротолуола

543,7

Нитробензол жидкий

Восстановление нитробензола в ани­

лин чугунной стружкой

в

ам­

466

Нитробензол в виде пара

Восстановление нитробензола

миак в паровой фазе водородом

с

11,65

_

Аминироваиие

фенола аммиаком

образованием анилина

Хлорирование

бензола

с

получе­

124,8

Бензол жидкий

нием монохлорбенэола

Сульфирование

бензола

на

моно­

14,6

Бензол в виде пара

сульфокислоту

(в

расчете

на

1

моль

серной кислоты)

457,6

Алкилбензол жидкий

Сульфирование алкилбеизола

где <7р — теплота

реакции,

кДж/моль; 2

суммарная теплота веществ, вступа­

ющих в

химическое взаимодействие,

кДж/моль;

2 <7к — суммарная теплота обра­

зования соединений, полученных при химическом взаимодействии, кДж/моль.

При отсутствии в справочной литературе значений для теплоты образования

реагирующих и образующихся соединений их

определяют по теплоте сгорания

(разность

между теплотой сгорания

элементов, входящих в состав соединения, и

<70 = 2 я <7а — <7с»

п — число одноименных

где

<7е— теплота

образования соединений, кДж/моль;

атомов в молекуле;

qa — теплота сгорания

элемента (см. табл. 5.2), кДж/г-атом;

<7с — теплота сгорания соединения, кДж/моль.

Теплоту сгорания qc органических соединений в газообразном состоянии опре­

деляют по формуле Коновалова:

48,8п +

Ю,6т

х

где

п — число молей образующейся воды;

т — поправка

(термическая характе­

правку, учитывающую теплоту плавления, испарения

или растворения

(см. табл.

5.4).

для периодически

Расход тепла на нагрев (охлаждение) оценивается только

работающего оборудования. Определяют Q5 по уравнению

Q b= 'Sm c (/к — 1„),

где т — масса отдельных элементов аппарата, кг;

с — теплоемкости

этих эле­

ментов аппарата, кД ж /(кг-К ); /к, /п — конечная и

начальная

температуры, К.

Исходный элемент

Конечный продукт

Яа •

кДж/моль

Углерод

С02

392,62

Водород

Н20

142,23

Бром

Вг2

(водный

раствор)

0

НВг

23,5

Хлор

С12

(водный

раствор)

0

НС1

21,72

Азот

N j

0

HN03 (водный раствор)

64,94

Кислород

о 2

раствор)

0

Фтор

HF (водный

172,22

Сера

S 0 2

288,28

H0SO4 (водный раствор)

578,66

Табл. 5.3, Термическая характеристика для различных типов

органических соединений [24]

1

Соединения

Предельные углеводороды

- С - С -

0

Этиленовые

-с=с—

2 1

Ацетиленовые

- С = С —

51

Алкилбензолы

R—СвН5

24

Спирты

R-CHoOH

1 2

Одноосновные кислоты

R -CO OH

0

Двуосновные кислоты

НООС—R—СООН

3

Кетоны

R—СО—R

1 2

Простые эфиры

R - 0 - R

2 1

Табл. 5.4. Тепловые поправки даг на агрегатное состояние

веществ [24]

Агрегатное состояние

Поправка для конечных продуктов

твердое

вещества

газ (пар)

жидкость

вещество