Суммарный тепловой эффект при хлорировании 1т бензола

Q_сумм = 193,593 · · 1000 + 286,833 · · 1000 =

= 774372 + 22946 = 797318 кДж

Пример 3.12.Подсчитать температуру горения мазута, имеющего состав [в % (масс.)]: С – 87%; Н₂ – 10,8%; О₂ – 1,0%; S – 0,7% и N₂ – 0,5%. Воздух для горения, содержащий V = 0,015 м³ Н₂О/м³ воздуха, подается с избытком α = 1,36. Мазут и воздух поступают в топку с температурой t = 20°C. Общие теплопотери (стенками топки и факелом) равны w = 6,5% от общего прихода теплоты.

Решение.Горение идет полностью по следующим реакциям:

С + О₂ → СО₂ (1)

Н₂ + ½О₂ → Н₂О (2)

S + О₂ → SO₂ (3)

Расчет ведем на 1 кг мазута. По формуле Менделеева низшая теплота сгорания мазута:

= 393,3 · 87 + 1256 · 10,8 – 109(1 – 0,7) – 25,2(9 · 10,8) =

= 34200 + 13580 – 32,7 – 2450 = 45297,3 кДж/кг или 10800 ккал/кг

При средней теплоемкости мазута с = 2,5 кДж/(кг·°C) в 1 кг мазута при 20°C будет сt = 2,5 · 20 = 50 кДж/кг.

Определим расход воздуха. Сперва подсчитаем количество О₂.

По реакции (1)……… G₁ = = 2320 г

По реакции (2)……… G₂ = = 864 г

По реакции (3)……… G₃ = = 7 г

______________________________________

Итого: 3191 г

С учетом имеющегося в мазуте О₂ (10 г) необходимое количество кислорода составит:

3,191 – 0,01 = 3,181 кг; V = = 2,22 м³

С учетом α = 1,36 расход кислорода 2,22 · 1,36 = 3,02 м³, азота 3,02 · 3,76 = 11,38 м³ и всего воздуха 14,4 м³ или по массе 1,44 · 1,2928 = 18,62 кг. Влагосодержание 1 кг воздуха:

х = = 0,0093 кг Н₂О на 1 кг воздуха

Определим количество теплоты, вносимого в топку с сухим воздухом Q₁ (с = 28,35 кДж/кмоль при 20°C) и влагой воздуха (с = 33,71 кДж/кмоль) -Q₂,

Q₁ = · 28,35 · 20 = 364,5 кДж

Q₂ = 0,0093 · 33,71 · 20 = 60,7 кДж

Следовательно, весь приход теплоты:

Q = 45297,3 + 50 + 364,5 + 60,7 = 45772,5 кДж

Подсчитаем потери теплоты:

Q_пот = 45772,5 · 0,065 = 2975 кДж

Тогда уносится с поточными газами:

45772,2 – 2975 = 42797,2 кДж

Определим состав (в кмоль) продуктов сгорания 1 кг мазута заданного состава:

Составная часть топлива и воздуха	Продукты сгорания, кмоль
продукт	кмоль	СО2	Н2О	SО2	N2	О2
С   Н2   S   N2 (мазута)   N2 (воздуха)   О2 (избыток) 3,02–2,22=0,8 Влага воздуха	= 0,075 = 0,054 = 0,0002 = 0,00018 = 0,508 = 0,0357 =0,0096	0,075	0,054   0,0096	0,0002	0,00018   0,508	0,0357
Итого:		0,075	0,0636	0,0002	0,50818	0,0357

Следовательно, газы, выходящие из топки, содержат:

СО₂ …………………… 0,075 кмоль или 10,94%

Н₂О …………………… 0,0636 кмоль или 9,3%

О₂ ……………………... 0,0002 кмоль или 0,02%

N₂ ……………………... 0,5082 кмоль или 74,5%

О₂ ……………………... 0,0357 кмоль или 5,24%

_____________________________________________

Итого: 0,6827 кмоль или 100%

Энтальпия этих газов в кДж/кмоль:

1700°C 1800°C

СО₂ …………………… 90800 96500

Н₂О …………………… 71700 76700

О₂ ……………………... 91100 96500

N₂ ……………………... 55700 59600

О₂ ……………………... 58400 59600

Для расчета температуры горения мазута принимаем 1700°C. Тогда количество теплоты выходящих из топки газов составит:

Q' = 0,075·90800 + 0,636·71700 + 0,0002·91100 +

+ 0,5082·55700 + 0,0357·58400 = 41758 кДж

Следовательно, Q' < Q. Поэтому принимаем t = 1800°C и тогда

Q'' = 0,075·96500 + 0,636·76700 + 0,0002·96500 +

+ 0,5082·59600 + 0,0357· 59600 = 44669 кДж

Значит Q'' > Q.

Определяем разность:

Q'' – Q' = 44669 – 41758 = 2911 кДж

Δt₁= 1800 – 1700 = 100°C

Q – Q' = 42675 – 41758 = 917 кДж

Δt = t – 1700°C

Следовательно: Δt = = 32°C

Итак, температура горения мазута t = 1700+32 = 1732°C.

Пример 3.13. Плотность стирола = 0,906. Теплоемкость стирола при 20°C 1,742 кДж/(кг·°C), при 145°C 2,479 кДж/(кг·°C). Теплоемкость полистирола при 20°C 1,457 кДж/(кг·°C), при 145°C 3,119 кДж/(кг·°C).

Рассчитать объем полимеризатора и составить тепловой баланс первого полимеризатора в кДж на 1т исходного стирола при коэффициенте заполнения реактора φ₃ = 0,65 и рабочем объеме аппарата на 1т V = 1,8 м³.

Решение. При производстве пластической массы – блочного полистирола в каскаде аппаратов с мешалками, процесс проводят при изотермическом режиме, для чего используют дисковые мешалки с развитой поверхностью. Приведем некоторые параметры процесса:

t _нач , °C t_кон,°C Степень Время

полимеризации пребывания, ч

Полимеризатор I 50 145 48 2

II 145 160 75 2

III 160 180 90 2

Реакция полимеризации мономера – стирола – с образованием полистирола имеет вид:

пС₆Н₆ – СН = СН₂ → (- СН – СН₂ -)_п + 68700 кДж/кмоль

|

С₆Н₆

(тепловой эффект взят на основе опытных данных из расчета на маномер, мол. масса которого 104).

Определяем вместимость полимеризатора: φ₃ = , откуда υ_п = .

Тогда

= 2,77 м³

Тепловой эффект полимеризации

= 661 кДж/кг

Подсчитаем приход теплоты:

Q_физ = 1000·1,742·50 = 87089 кДж

Q_пр.пол = 480·661 = 317280 кДж

______________________________

Итого: 404369 кДж

Расход теплоты:

с полистиролом

Q = 3,119·145·480 = 217082 кДж

со стиролом

Q = 2,479·145·520 = 186916 кДж

____________________________

Всего: 403998 кДж

Процесс идет с небольшим выделением теплоты: 404369 – 403998 = =371 кДж.

Пример 3.14. Составить тепловой баланс (на 1 ч работы) стадии пиролиза при производстве уксусного ангидрида из ацетона. Исходные данные: стадии производства уксусного ангидрида из ацетона описываются реакциями:

пиролиз

(СН₃)₂СО → СН₂ = СО + СН₄ – 83,7 кДж/моль

СН₂ = СО + СН₃СООН ⇄ (СН₃СО)₂О

Производительность по уксусному ангидриду 24 т/сутки, температура пиролиза 800°C. Степень превращения ацетона в кетон за один проход х = 0,25. Теплота испарения ацетона 553,5 кДж/кг. Теплоемкость: ацетона при 20°C 2,09 кДж/кг, реакционной смеси при 800°C – 2,26 кДж/кг.

Рассчитать количество природного газа (с содержанием СН₄ w₁ = 98% и N₂ w₂ = 2%) с теплотворной способностью для чистого метана 890310 кДж/кмоль.

Решение. Расход ацетона в соответствии с реакцией

(СН₃)₂СО ⇄ СН₂ = СО → (СН₃СО)₂О

G = = 568 кг/ч

С учетом степени превращения:

G = 568 : 0,25 = 2270 кг/ч

Приход теплоты:

Q₁ = 2,09 · 2270 · 20 = 94886 кДж

Расход теплоты:

с ацетоном

Q₂ = 2270 · 553,5 = 1256440 кДж

Q_р = = 818560 кДж

с отходящими газами

Q₃ = 2,26 · 2270 · 800 = 4104160 кДж

∑Q_расх = 1256440 + 818560 + 4104160 = 6179160 кДж

Следовательно, количество метана, необходимое для сжигания в зоне реакции

= 6,84 моль

или в перерасчете на природный газ:

= 156,5 м³

Тепловой баланс установки пиролиза ацетона приведен в таблице:

Пример 3.15. Подсчитать тепловой баланс реактора для получения водорода каталитической конверсией метана. Расчет вести на V = 1000 м³ Н₂. Потери теплоты в окружающую среду принять w = 6% от прихода теплоты. Расчет ведется по реакции:

СН₄ + Н₂О ⇄ СО + 3Н₂ – 206200 кДж

Исходные данные: СН₄ : Н₂О = 1 : 2. Температура поступающих в реактор реагентов t₁ = 105°C; температура в зоне реакции t₂ = 900°C. Теплоемкости в кДж/(кмоль·°C):

СН₄ Н₂О СО Н₂

100°C 36,72 33,29 28,97 29,10

900°C - 38,14 31,36 29,90

Решение. В соответствии с условием задачи (СН₄ : Н₂О = 1 : 2) на 1000 м³ Н₂ объем исходных реагентов и полученных продуктов будет составлять:

Приход теплоты:

= = 58180 кДж

= 104130 кДж

________________________________

162310 кДж

Расход теплоты:

Теплота, уносимая продуктами реакции из реактора при 900°C:

Q_СО = = 419500 кДж

= 1201700 кДж

= 511825 кДж

_______________________________

2133025 кДж

Q_р = = 3065400 кДж

Всего: 5198425 кДж

Q_п = 162310·0,06 = 9738 кДж

Тепловой баланс конверсии приведен в таблице:

Приход	кДж	Расход	кДж
………………………. ……………………….		Qсо …………………………. ………………………… ………………………… Qп ………………………….. Qр …………………………..
Итого:		Итого:

Подвод теплоты в зону реакции осуществляется за счет сжигания части метана природного газа (98% СН₄; 2% N₂);

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О + 890950 кДж/кмоль

Для покрытия образовавшегося дефицита теплоты ΔQ необходимо сжечь метана

= 5,66 кмоль

или

5,66 · 22,4 = 127 м³ СН₄

т.е. 129,5 м³ природного газа.

Пример 3.16. При производстве ацетилена термоокислительным крекингом природного газа, содержащего: 98% СН₄; 0,5% СО₂ и 1,5% N₂, в конечном газе содержится 9% С₂Н₂; 26% СО; 54% Н₂; 0,5% С₂Н₄; 4,5% СО₂; 6% СН₄.

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + 890310 кДж/кмоль (1)

СН₄ + 1,5О₂ = СО + 2Н₂О + 687000 кДж/кмоль (2)

СН₄ + 0,5О₂ = СО₂ + 2Н₂ + 35650 кДж/кмоль (3)

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О + 285840 кДж/кмоль (4)

2СН₄ = С₂Н₂ + 3Н₂ – 376450 кДж/кмоль (5)

2СН₄ = С₂Н₄ + 2Н₂ – 201980 кДж/кмоль (6)

По реакции (1) сжигается w₁ = 11,6% метана, по (2) w₂ = 42,4% и по (3) w₃ = 46%.

Исходные реагенты: метан и технический кислород, содержащий w_а = 1% азота, поступают в печь, подогретые до 800°C, и выходят из реакционной зоны на закалку с t = 1500°C.

Определить количество природного газа, подаваемое для достижения температуры крекинга (1500°C).

Решение. Рассчитать количество метана, необходимое для получения 1т С₂Н₂ по реакции (5):

= 862 м³

(26 – мол.масса С₂Н₂).

Тогда объем конечного газа

= 9600 м³

м³

Поступило метана по реакции (1) ……… 337

Поступило метана по реакции (2) ……… 1200

Поступило метана по реакции (3) ……… 1300

Поступило метана по реакции (5) ……… 1724

Поступило метана по реакции (6) ……… 96

Осталось непрореагировавшего………… 673

_________________________________________

Итого: 5330 м³

Всего израсходовано природного газа с учетом содержания метана:

5330 : 0,98 = 5450 м³

В природном газе содержится СО₂ – 28 м³, N₂ – 85 м³.

м³

По реакции (1) ……… 337 · 2 = 674

По реакции (2) ……… 1200 · 1,5 = 1800

По реакции (3) ……… 1300 · 0,5 = 650

По реакции (4) ……… 102 · 0,5 = 51

______________________________________

Итого: 3175 м³

С техническим кислородом поступает азота: 3175 · 0,01 = 32 м³.

Состав газа и теплоемкости компонентов приведены в таблице:

Водорода выделяется:

м³

По реакции (3) ……… 2600

По реакции (5) ……… 2586

По реакции (6) ……… 96

__________________________

Итого: 5282 м³

Из них 5180 м³ находятся в отходящих газах, а 102 м³ сгорает по реакции (4), выделяя 102 м³ Н₂О (пар).

Вода в виде пара выделяется:

По реакции (1) ………… 674 м³

По реакции (2) ………… 2400 м³

По реакции (3) ………… 102 м³

_____________________________

Итого: 3176 м³

Определим количество теплоты, вносимого в печь:

= 6490000 кДж

= 3660000 кДж

азотом

= 128800 кДж

двуокисью углерода

= 47500 кДж

Q_физ = 6490000 + 3660000 + 128800 + 47500 = 10326300 кДж

Подсчитаем количество теплоты, выделяемой в ходе реакций:

Q₁ = = 13400000 кДж

Q₂ = ·687000 = 36800000 кДж

Q₃ = ·35650 = 2070000 кДж

Q₄ = ·285840 = 1300000 кДж

_______________________________

Итого: 53570000 кДж

Подсчитаем количество теплоты, уносимое продуктами реакции:

·69,5·1500 = 3126000 кДж

·30,6·1500 = 10600000 кДж

·32,9·1500 = 5500000 кДж

·52,6·1500 = 1280000 кДж

·66,0·1500 = 3760000 кДж

·94,6·1500 = 340000 кДж

·32,4·1500 = 254000 кДж

·41,2·1500 = 8750000 кДж

___________________________________

Итого: 33610000 кДж

Подсчитаем количество теплоты, необходимое для эндотермических реакций:

Q₅ = ·376450 = 29000000 кДж

Q₆ = ·201980 = 860000 кДж

Тепловой баланс производства ацетилена на 1т С₂Н₂ следующий:

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Qфиз ………………. Qр …………………		16,1 83,9	……………… Qр ………………..		52,6 47,4
Итого:		100%	Итого:		100%

Неувязка баланса:

Процесс идет, как и рекомендуется, с небольшим положительным тепловым эффектом реакции.

Пример 3.17.Жидкость, состоящая из смеси трех компонентов w₁ = 30% бензола, w₂ = 45% толуола и w₃ = 25% о-ксилола, нагрета до t = 100°C.

Найти равновесный состав пара над жидкостью, если известно, что при этой температуре давление паров чистого бензола составляет 71,8·10⁵ Па (1340 мм рт.ст.), толуола 0,75·10⁵ Па (560 мм рт.ст.) и о-ксилола 0,29·10⁵ Па (210 мм рт.ст.)

Решение.По закону Рауля

где р_А – парциальное давление компонента А в парах; - мольная доля этого компонента в растворе; р_о – давление паров чистого компонента А.

Расчет ведем на 100 кг раствора, в котором содержится:

Бензол………… = 0,384 кмоль

Толуол………… = 0,490 кмоль

о-Ксилола……... = 0,236 кмоль

_________________________________

Итого: 1,110 кмоль

Следовательно, мольная доля каждого компонента в растворе равна:

Бензол ………… = 0,346 или 34,6% (мол.)

Толуол ………... = 0,441 или 44,1% (мол.)

о-Ксилола …….. = 0,213 или 21,3% (мол.)

_____________________________________________

Итого: 1,000 или 100,0% (мол.)

Парциальное давление каждого компонента в паровой фазе по уравнению составляет:

Р_бенз = 0,346·1340·133,3 = 0,618·10⁵ Па

р_тол = 0,441·560·133,3 = 0,33·10⁵ Па

р_ксил = 0,213·210·133,3 = 0,059·10⁵ Па

__________________________________

р = 1,007·10⁵ Па (при 100°C)

Паровая фаза содержит:

Бензол ………… = 61,3%

Толуол ………... = 32,8%

о-Ксилола …….. = 5,9%

___________________________________

Итого: 100%

Пример 3.18.При t = 20°C давление паров воды равно Р = 2340 Па (107,54 мм рт.ст.)

Подсчитать, какое давление пара будет над водой, содержащей w = 15% (масс.) глицерина.

Решение. Согласно закону Рауля имеем

где р_о – давление пара чистого растворителя; р – давление пара растворителя над раствором данной концентрации; п – число молей растворенного вещества в данном растворе; п_раст – число молей растворителя в растворе.

Молекулярная масса воды равна 18,0; глицерина – 92,0, т.е. мольная доля глицерина в растворе составит:

По уравнению получаем:

=0,0332 или =0,0332

Определяем из этого уравнения величину давления пара над 15% раствором глицерина при 20°C:

Р = 2340 – 0,0332·2340 = 2262 Па (17 мм рт.ст.)

Пример 3.19.Давление паров (р_о) чистого этанола при t = 20°C равно Р₁ = 5925 Па, а метанола Р₂ = 11860 Па.

Рассчитать процентный состав (по массе) паров этанола и метанола над их смесью, состоящей из равного количества (по массе) того и другого вещества.

Решение.Возьмем смесь из 1г С₂Н₅ОН и 1г СН₃ОН. Произведем следующие подсчеты:

С₂Н₅ОН СН₃ОН

Количество…………………. 1 1

Молекулярная масса М_i …… 46 32

Число молей в жидкой смеси

Мольная доля в смеси

…………….. 0,410 0,590

Парциальное давление над

жидкостью, Па р_i = N_i p_o 0,410·5925=2430 0,590·4860 = 7000

Мольная доля в паровой фазе

N'_i = …………………… = 0,258 =0,742

Эти расчеты показывают, что паровая фаза содержит 25,8% (мол.) С₂Н₅ОН и 74,2% СН₃ОН. Выразим этот результат в % (масс.). Для этого обозначим через g₁ массу этанола в 100 г паров. Тогда масса паров метанола в том же количестве паров составит g₂ = 100 – g₁. В пересчете на мольные доли:

моль или мол.доли С₂Н₅ОН

моль или мол.доли СН₃ОН

Приравнивая эти количества к полученным выше числовым значениям N'₁ и N'₂, имеем

=0,258 или =0,742

Решив любое из этих уравнений, получим: g₁ = 33,3% С₂Н₅ОН и g₂ = =100 – g₁ = 66,7% СН₃ОН.

Пример 3.20.Определить степень превращения (степень извлечения) при абсорбции (адсорбции), если известны объемные концентрации извлекаемого компонента до и после проведения процесса: С_нач и С_кон.

Решение.Степень извлечения в % можно рассчитать по формуле

где G – количество передаваемого компонента в начале и конце процесса.

Эту формулу обычно упрощают

где С – концентрации (по анализу), в процентах (объемных) или в единицах массы, приходящихся на единицу объема всей газовой смеси.

Последняя формула справедлива лишь при постоянстве объема несущей фазы. Если в процессе объем меняется существенно, то это изменение надо учитывать.

Выведем формулу, учитывающую изменение объема несущей фазы. Пусть объем несущей фазы в начале процесса равен V_нач при процентной концентрации передаваемого компонента С_нач, а в конце процесса имеем, соответственно, V_кон и С_кон. Тогда степень извлечения равна:

Поскольку начальный и конечный объемы не известны, выразим V_кон через V_нач. С некоторым допущением (пренебрегая влиянием изменения объема на количество поглощаемого компонента) можно записать

V_кон = V_нач -

Тогда:

=

При более точном выводе получаем:

Откуда:

Обе формулы дают практически одинаковые результаты.

Пусть: С_нач = 50%; С_кон = 5% (об.), т.е. в результате извлечения объем газа сильно меняется. Найти х.

По формуле:

По формуле:

Значения х, рассчитанные по этим формулам, совпадают. А по формуле

получается существенная погрешность. Она уменьшается по мере снижения разницы между С_нач и С_кон.