Чиллер для химического реактора: расчёт охлаждения

Чиллер для химического реактора рассчитывают по теплу, которое нужно снять с загрузки за заданное время, плюс тепло реакции и мешалки. Главные исходные данные — масса и теплоёмкость среды, начальная и конечная температуры и время охлаждения. Калькулятор посчитает холодопроизводительность, температуру хладоносителя на входе в рубашку и его расход.

Расчёт чиллера для реактора

Загрузка, кг Среда Водный раствор Спирты, гликоли Масла, смолы, растворители

Начальная, °C Конечная, °C

Время охлаждения, ч Реакция и мешалка, кВт

Выносной конденсатор

Требуемый чиллер

79,9

кВт

Охлаждение массы, кВт

64,0

Реакция и мешалка, кВт

5,5

На входе в рубашку, °C

15

Расход, м³/ч

13,7

Подобрать чиллер на 79,9 кВт

Подбор модели откроется на сайте производителя xiron.ru

Откуда берётся тепло

• Охлаждение загрузки. Реакционную массу после нагрева или синтеза охлаждают до температуры выгрузки или следующей стадии. Чем короче время охлаждения, тем больше нужная холодопроизводительность.
• Теплота реакции. Экзотермическая реакция выделяет тепло, пока идёт дозирование реагента, и его надо снимать, чтобы температура не ушла выше допустимой.
• Мешалка. Почти вся мощность на валу мешалки переходит в тепло в продукте.
• Металл реактора. Корпус и рубашку охлаждают вместе с загрузкой; для тяжёлых аппаратов и сред с низкой теплоёмкостью это заметная добавка.

Формула

Тепло на охлаждение загрузки:

Q_охл = m × c × (t₁ − t₂) / (3600 × τ)

Q_охл — средняя нагрузка на охлаждение, кВт; m — масса загрузки, кг; c — теплоёмкость среды, кДж/(кг·°C); t₁ и t₂ — начальная и конечная температуры, °C; τ — время охлаждения, ч.

Тепло реакции, если известен тепловой эффект на килограмм дозируемого реагента:

Q_р = m_р × ΔH / (3600 × τ_д)

m_р — масса реагента, кг; ΔH — тепловой эффект, кДж/кг; τ_д — время дозирования, ч. К нему добавляют мощность мешалки N_м, кВт, и получают дополнительное тепло Q_д = Q_р + N_м.

Q = (Q_охл + Q_д) × 1,15

Q — холодопроизводительность чиллера с запасом 15 %, кВт. Хладоноситель на входе в рубашку берут на 10 °C холоднее конечной температуры продукта, но не холоднее, чем нужно: если продукт охлаждают выше 25 °C, хватает воды 15 °C. Если хладоноситель должен быть холоднее 5 °C, контур заполняют раствором гликоля. Расход считают при нагреве хладоносителя в рубашке на 5 °C: G = Q / (c_V × 5), где c_V — 1,163 кВт·ч/(м³·°C) для воды и 1,04 для гликоля.

В калькуляторе для водных растворов принято 4,19, для спиртов и гликолей — 2,5, для масел, смол и растворителей — 2,0 кДж/(кг·°C). Небольшие стеклянные реакторы в лаборатории вместе с ротационными испарителями и приборами считают в задаче о лабораторном чиллере. Ферментеры и биореакторы, где тепло выделяет сама культура, считают в задаче об охлаждении ферментера.

Пример расчёта

Реактор с загрузкой 2000 кг водного раствора охлаждают с 80 до 25 °C за 2 часа. Мешалка 5,5 кВт, реакция на этой стадии не идёт.

1. Охлаждение загрузки: Q_охл = 2000 × 4,19 × (80 − 25) / (3600 × 2) = 64,01 кВт, округлённо 64,0 кВт.
2. Дополнительное тепло: Q_д = 5,5 кВт (мешалка).
3. Холодопроизводительность: Q = (64,01 + 5,5) × 1,15 = 79,9 кВт.
4. Хладоноситель на входе в рубашку: 25 − 10 = 15 °C — вода, серийный чиллер.
5. Расход воды: G = 79,94 / (1,163 × 5) = 13,7 м³/ч.

Как выглядит установка на 79,9 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 80 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Горячая обратка прямо в чиллер. В начале охлаждения вода из рубашки выходит с температурой, близкой к 80 °C, а чиллер рассчитан на обратку обычно не теплее 25–30 °C и уходит в аварию. Нужен трёхходовой смесительный клапан или буферный бак, который сглаживает пик.
• Расчёт только по средней нагрузке. В начале цикла разница температур большая, и рубашка снимает больше среднего, в конце — меньше. Без буферного бака чиллер в начале перегружен, а время охлаждения растягивается. Вакуумные насосы, которые откачивают реактор, охлаждают отдельно — задача о чиллере для вакуумного насоса.
• Забыт металл реактора. Тяжёлый стальной аппарат охлаждается вместе с загрузкой. Его учитывают, добавив к массе загрузки m_мет × 0,5 / c, где m_мет — масса металла, кг. Дефлегматор колонны при отгонке считают отдельно — задача о чиллере для ректификационной колонны.
• Вода, когда нужен гликоль. Если продукт охлаждают ниже 15 °C, хладоноситель должен быть ниже 5 °C. На воде испаритель замёрзнет; концентрацию раствора считают в расчёте концентрации гликоля.