Уравнения теплового баланса химических реакторов (7 видео)

Тепловой баланс реактора

Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход энергии процесса. Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Обычно для химико-технологических процессов составляется тепловой баланс. Для аппаратов непрерывного действия тепловой баланс составляют на единицу времени, а для аппаратов периодического действия — на время цикла обработки.

Применительно к тепловому балансу закон сохранения энергии формулируется следующим образом: приход теплоты в данном аппарате должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате.

т.е. тепловые потоки, увеличивающие количество тепла внутри системы, берутся со знаком плюс и относятся к статьям прихода. Соответственно тепловые потоки, которые уменьшают количество тепла внутри системы, относятся к статьям расхода. При составлении теплового баланса учитывается теплота, поступающая с потоком исходного сырья Q₀₁; теплота химической реакции Q_х.р; теплота подводимая или отводимая с помощью теплообменных устройств Q_т.о; теплота, уходящая с потоком продуктов Q₀₂; теплота фазовых переходов Q_ф.п; потери тепла в окружающую среду Q_п; положительное или отрицательное накопление теплоты в объеме аппарата Q_нак.

Для стационарного режима работы аппарата Q_нак равно нулю, т.е. уравнение теплового баланса можно записать следующим образом:

Теплоту, поступающую с потоком сырья и уходящую с потоком продуктов, рассчитывают следующим образом:

где N₀₁, N₀₂ – суммарные мольные потоки на входе и выходе из реактора (кмоль/ч);

Ср₁, Ср₂ – средняя мольная теплоемкость смеси на входе и выходе из реактора (кДж/(кмоль·К); Т₁, Т₂ – температура смеси на входе и выходе из реактора (К).

Среднюю теплоемкость для реакции (3.2) можно рассчитать по уравнениям:

Ср_А, Ср_B, Ср_C, Ср_D, Ср_I – мольные теплоемкости веществ, приведены в справочниках термодинамических величин.

Из расчета материального баланса Q₀₁ и Q₀₂ можно также определить, используя мольные потоки компонентов смеси:

Теплота химической реакции определяется по формуле:

где ΔН (кДж/кмоль) – изменение энтальпии реакции, численно равное тепловому эффекту реакции, взятому с обратным знаком. ΔН находят как разность энтальпии продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

Значения энтальпии образования веществ, приведены в справочниках термодинамических величин.

Потери тепла в окружающую среду определяются обычно в процентах от теплоты прихода.

При решении задач, с целью упрощения расчетов, теплоемкость и энтальпия образования веществ берутся из справочника при 298 К.

Пример расчета материального и теплового баланса

Составить материальный баланс колонны синтеза аммиака, если известно, что в исходной смеси концентрация водорода составляет 60 % (об.), азота 18 %(об.), аммиака 3 %(об.) (смесь циркулирует по замкнутому контуру и поэтому в исходной смеси присутствует продукт реакции аммиак). Кроме того, известно, что в конечной смеси концентрация аммиака составляет 18 %(об.), расход конечной смеси при нормальных условиях 50000 м 3 /ч. В смесях присутствует инертное вещество — метан. Дополнительно рассчитать степень превращения водорода.

Рассчитать количество теплоты, которое необходимо отвести из реактора, чтобы температура на выходе составляла 600 0 С. Температура входной смеси 400 0 С, потери тепла в окружающую среду составляют 3% от теплоты, поступающей с потоком исходных веществ.

Составим уравнение реакции в обычном виде, с учетом стехиометрических коэффициентов. Определим количество веществ, которые надо принять в расчет (включая инертное) и кратко обозначим их латинскими буквами. Определим их молекулярные массы, используя таблицу Д.И.Менделеева. Объемные (мольные) проценты веществ переведем в доли единицы (разделив на 100%) и запишем исходные данные:

Видео:Урок 112 (осн). Уравнение теплового балансаСкачать

Целью расчета материального баланса является определение количества молей, массы, объема и мольных долей всех веществ в начальной и конечной смеси. Для этого необходимо выразить все неизвестные через известные величины. Так как в условии задачи больше данных об аммиаке, обозначим за Y количество молей NH₃, которое образовалось в ходе реакции (ΔN_C), и запишем приращения остальных веществ через соотношения (4.1.12), используя величину Y.

Составим балансовые уравнения по каждому веществу и суммарное уравнение мольных потоков:

Преобразуем уравнение (III), выразив количество молей аммиака в начальной и конечной смеси через мольную (объемную долю) и суммарные мольные потоки.

из уравнения (VI) следует

подставим (VIII) в (VII) и выразим Y:

Рассчитаем Y, подставив исходные данные:

Y = 50000/22,4∙(0,18 – 0,03)/( 0,03 + 1) = 325,069 кмоль/ч.

Определим суммарный мольный поток исходной смеси по уравнению (VIII)

N₀₁ = 50000/22,4 + 325,069 = 2557,212 кмоль/ч.

Количество молей каждого вещества в исходной смеси:

Количество инертного вещества можно рассчитать по уравнению

Количество веществ в конечной смеси рассчитывают из уравнений (I- IV), соответственно:

N_В2 = N_В1 – 1/2∙Y = 460,298 — 1/2∙325,069 = 297,764 кмоль/ч;

N_С2 = N_С1 + Y = 76,716 + 325,069 = 401,785 кмоль/ч;

для проверки правильности расчета определим количество инерта в конечной смеси по формуле:

Таким образом, известны количества всех веществ в начальной и конечной смеси (кмоль/ч), теперь рассчитаем массы, объемы и мольные доли используя формулы (4.1.1 – 4.1.3).

Результаты расчетов удобно представить в виде таблицы:

Приход	Расход
Вещества	N (кмоль/ч)	G, (кг/ч)	V, (м 3 /ч)	Z, доля мольная	N (кмоль/ч)	G, (кг/ч)	V, (м 3 /ч)	Z, доля мольная
H₂ (A)	1534,327	3068,654	34368,925	0,6	1046,723	2093,447	23446,595	0,467
N₂ (B)	460,298	12888,344	10310,675	0,18	297,764	8337,392	6669,914	0,133
NH₃ (C)	76,716	1304,172	1718,4384	0,03	401,785	6830,345	8999,984	0,18
CH₄ (I)	485,871	7773,936	10883,510	0,19	485,870	7773,92	10883,488	0,219
ИТОГО:	2557,212	25035,106	57281,549	2232,143	25035,104

Степень превращения водорода рассчитывают по формуле (3.4):

= (1534,327-1046,723)/ 1534,327=0,318

Для расчета теплового баланса найдем в справочнике теплоемкости и энтальпии образования всех компонентов смеси (при 298 0 С).

Вещества	Ср при 298 0 С Дж/(моль∙К)	ΔН при 298 0 С кДж/моль
H₂ (A)	28,93
N₂ (B)	29,10
NH₃ (C)	35,65	-46,19
CH₄ (I)	35,79	—

Определим теплоту, поступающую с потоком сырья по формуле (4.2.7), для этого рассчитаем количество теплоты, вносимое каждым компонентом:

Чтобы соблюсти размерности, кмоли переводим в моли, а температуру записываем в Кельвинах (t 0 С+273).

Q₀₁ = 298,7·10 8 + 90,1·10 8 +18,4·10 8 +117,0·10 8 = 524,2 ·10 8 Дж/ч.

Рассчитаем теплоту потерь:

Видео:Решение задач на уравнение теплового баланса. Физика 8 классСкачать

Q_п =0,03· Q₀₁ = 0,03· 524,2 ·10 8 = 15,726·10 8 Дж/ч.

Определим теплоту химической реакции по формуле(4.2.11), для этого рассчитаем изменение энтальпии:

ΔН = -46,19 -0 -0 = -46,19 кДж/моль = -46,19·10 3 Дж/моль.

Т.к. ΔН имеет знак минус, то реакция экзотермическая, идет с выделением тепла.

Q_х.р = 46,19·10 3 ·(401,785 — 76,716) ·10 3 = 150,2·10 8 Дж/ч.

Определим теплоту, уходящую с потоком продуктов по формуле (4.2.9), для этого рассчитаем количество теплоты, уносимое каждым компонентом:

Q₀₂ = 264,4·10 8 + 75,6·10 8 +125·10 8 +151,8·10 8 = 616,8 ·10 8 Дж/ч.

Общее уравнение теплового баланса для стационарного режима (все реагирующие вещества – газы, поэтому нет теплоты фазовых переходов):

Q_то =524,2 ·10 8 + 150,2·10 8 — 616,8 ·10 8 — 15,726·10 8 = 41,874 ·10 8 Дж/ч.

Тепловой баланс стадии синтеза

Цель теплового баланса – определение количества тепла, которое необходимо подвести (или отвести) из зоны реакции для поддержания постоянной температуры, т.е. определить тепловую нагрузку на реактор.

Тепловой баланс рассчитывается по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов (экзо- и эндотермических) химических реакций и фазовых превращений (испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, возгонка), происходящих в реакторе, подвода тепла с исходными реагентами и отвода тепла с продуктами реакции тепловых потерь.

Тепловой баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым: левая часть уравнения составляет тепло всех входящих потоков в реактор, а правая – тепло выходящих потоков из реактора и энергетических потерь.

Термодинамические свойства веществ:

Вещество	ΔH 0,обр. ₂₉₈ кДж/моль	G_p 0 ₂₉₈ Дж/моль·К	C_p = f(T)
a	b·10 -3	c·10 -6	cꞋ·10 5
C₆H₅NO₂	15,91	187,3	6,89	75,95	-22,7	—
H₂	28,83	27,28	3,26	—	0,5
H₂O	-285,83	75,30	39,02	76,64	—	11,96
C₆H₅NH₂	55,09	176,55	46,51	370,61	220,69	—
C₆H₁₁NH₂	-86,6	164,6	11,59	373,7	-142	—
C₆H₆	82,93	81,67	-21,1	400,1	-170	—
N₂	29,10	27,87	4,27	—	—

Температура исходных реагентов 50°C или 323К

Температура продуктов реакции 250°C или 523 К

Тепловые потери от прихода тепла 6%

Уравнение теплового баланса реакции:

Теплоемкость исходных веществ и продуктов реакции на входе и выходе из реактора:

Cp = a + bT + cT -2 – для органических веществ

Cp = a + bT + cꞋT 2 – для неорганических веществ

C_p 323 _H₂ = 27,28+3,26·10 -3 ·323+0,5·10 5 ·323 -2 = 28,81 Дж/моль·К

Видео:Урок 113 (осн). Задачи на уравнение теплового балансаСкачать

C_p 523 _H₂_O = 39,02+76,64·10 -3 ·523+11,96·10 5 ·523 -2 = 83,47 Дж/моль·К

C_p 523 _H₂ = 27,28+3,26·10 -3 ·523+0,5·10 5 ·523 -2 = 29,16 Дж/моль·К

Cp 523 _N₂ = 27,28+4,27·10 -3 ·523 = 30,07 Дж/моль·К

1)Тепло приходящее с исходными веществами:

Q_ИСХ = (29,12·509+28,81·5090+29,24·336+90,4·120) ·323 = 58830425,42Дж/ч = 58830,4 кДж/ч

0,509кмоль/час ·1000 = 509 моль/час

2)Тепло химической реакции:

Для основной реакции:

Δa = (46,51+2·39,02)- (6,89+3·27,28) = 35,82

Δb = 370,61·10 -3 +2·76,64·10 -3 )-(75,95·10 -3 +3·3,26·10 -3 ) = 433·10 -3

Δc = (220,69·10 -6 )-(-27,7·10 -6 ) = 243,39·10 -6

ΔcꞋ = (2·11,96·10 5 )-(3·0,5·10 5 ) = 22,42·10 5

ΔH°_r_{, 298} = (55,09-285,83·2)-15,91 = -532,48 кДж/моль

ΔH_r_,523 = -532,48·10 3 +(35,82) ·(523-298)+433·10 -3 /2· (523 2 -298 2 )+(243,39·10 -6 /3) ·(523 3 -298 3 )-22,42·10 5 ·(1/523-1/298) = -472107 Дж/моль

Q_{РЕАКЦИИ} = -(-472107) ·0,352·10 3 = 150768771Дж/моль = 150769кДж/моль

Для побочной реакции:

Δa = (11,59+2·39,02)-(6,89+6·27,28) = -80,58

Δb = (37,3·10 -3 +2·76,64·10 -3 )-(75,95·10 -3 +6·3,26·10 -3 ) = 433·10 -3

Δc = (-142·10 -6 )-(-22,7·10 -6 ) = -116·10 -6

ΔcꞋ = (2·11,96·10 5 )-(6·0,5·10 5 ) = 20·10 5

ΔH_r_,523 = -674,2·10 3 +(80,58) ·(523-298)+433·10 -3 /2· (523 2 -298 2 )+(-119·10 -6 /3) ·(523 3 -298 3 )-20·10 5 (1/523-1/298) = -627428Дж/моль

Видео:ЕГЭ физика. Уравнение теплового баланса (термодинамика)Скачать

Q_{РЕАКЦИИ} = -(-627428) ·0,08·10 3 = 50194 кДж/моль

3)Тепло фазовых переходов Q_Ф = 0

Q_{ПРИХОДА}= 58830,4+150769+50194 = 259793,4кДж/ч

4)Количество тепла уходящее с продуктами

+0,066·40,4+3,521·29,16) ·523·10 3 = 164242920 Дж/ч = 164242,92 кДж/ч

5)Тепло требующееся для нагрева реагентов до температуры реакции:

Q_НАГР. = (0,509·29,12+0,120·90,4+0,336·29,24+5,09·28,81) ·(523-323) ·10 3 = =33028000 Дж/ч = 33028кДж/ч

6)Тепловые потери составят 6% от прихода

Q_ПОТЕРЬ = Q_ПРИХ. ·0,06 = 259793,4·0,06 = 15587,6 кДж/ч

7)Расход тепла составит:

Q_РАСХ.= 164242,92+33028+15587,6 = 212858,52кЖд/ч

8)Тогда тепловая нагрузка на реактор Q_F = Q_РАСХ.— Q_ПРИХ.

Q_F = 212858,52-259793,4 = -46934,88 кДж/ч

Результаты расчёта теплового баланса сведены в таблицу:

Величина	Приход	Величина	Расход
кДж/час	%	кДж/час	%
Q_ИСХ.	58830,4	22,6	Q_ПРОД.	164242,92	63,2
Q_РЕАК.1	58,0	Q_НАГР.	12,7
Q_РЕАК.2	19,4	Q_ПОТЕРЬ	15587,6	6,0
Q_F	46934,88	18,1
Итого	259793,4	Итого	259793,4

5.Определение технологической схемы синтеза и её описание.

Мной был выбран способ получения анилина восстановлением нитробензола водородом в газовой фазе по методу фирмы IG Farbenindustrie.

Рис.1. Схема получения анилина по методу фирмы IG Farbenindustry:

1—гидравлический затвор; 2 — газодувка; 3, 4, 5 — теплообменники; 6—испаритель; 7, 8—реакторы; 9, 10 — холодильники-конденсаторы; 11 — фазоразделитель; 12—сборник; 13 — насос; 14 — сепаратор.

Фирма IG Farbenindustrie для установки в г. Людвигсхафене мощностью 3 тыс. т анилина в год использовала адиабатический реактор.

Схема установки представлена на рис.1 . Нитробензол подают в испаритель 6 с падающей пленкой жидкости; сюда же поступает нагретый водород. Чтобы не отравлять медный катализатор, в водороде не должно быть оксида углерода.

Смесь водорода и паров нитробензола при 170°С поступает в первый реактор 7; из реактора 8 контактные газы выходят при 350—370 °С. Реакторы работают при небольшом избыточном давлении (0, 035 МПа). Температуру в реакторе 7 регулируют, подавая относительно холодный водород в циркуляционный контур, минуя подогреватели 3 и 4. Расход водорода регулируют специальным клапаном в зависимости от температуры в реакторе 7. По мере дезактивирования катализатора повышают температуру поступающей в реактор смеси нитробензола и водорода.

Когда температура на входе в реактор 7 достигнет 280°С, прекращают подачу нитробензола и переводят реактор на режим регенерации. Она состоит в том, что катализатор сначала продувают воздухом, тщательно контролируя температуру, а затем восстанавливают водородом. Обычно регенерацию проводят через 2000 ч работы катализатора. После 4—5 регенераций проводят допропитку катализатора, пропуская через реакторы медноаммиачный раствор. Через 6700 ч работы (т. е. после переработки около 4000 т нитробензола) катализатор подлежит замене. Расход меди составляет примерно 0, 7 кг на 1000 кг анилина.

Видео:Урок 175. Уравнение теплового балансаСкачать

Продукты реакции после теплообменников 4 и 3 отделяют от циркулирующего водорода в двух охлаждаемых водой трубчатых холодильниках-конденсаторах 9 и 10. Анилин-сырец и анилиновую воду разделяют в сепараторе 14 и направляют на дальнейшую переработку. Из воды экстрагируют растворенный анилин нитробензолом, а органический слой ректифицируют, получая в итоге товарный анилин. Выход в целом по процессу составляет 98 % от теоретического (в расчете на товарный анилин). В кубовых остатках содержится около 0, 3 % о-аминофенола.

Основной аппарат.

В качестве основного аппарата мной выбран адиабатический реактор.

Рис.2. Схема адиабатического реактора: 1–зона реакции; 2–корпус реактора; 3–теплоизоляция.

Адиабатический реактор представляет собой две последовательно соединенные башни емкостью по 50 м 3 , засыпанные катализатором. В качестве катализатора применены куски пемзы, пропитанные карбонатом меди и 50 %-ным раствором силиката натрия. Перед началом процесса восстанавливают катализатор, продувая его циркулирующим водородом при 190—200 °С.

Адиабатические Реакторы при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, так как снабжены хорошей теплоизоляцией. Вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ.

К достоинствам адиабатических реакторов относится: полнота использования объема реактора; сравнительная простота конструкции и удобство в эксплуатации, относительно не большой удельной расход металла. Серьезным недостатком адиабатического реактора является то, что в нем невозможно обеспечить высокую производительность катализатора. Съем анилина с 1 л катализатора в процессе фирмы IG Farbenindustrie составляет всего 5—8 г/ч.

Анили́н (фениламин) — органическое соединение с формулой

C6H5NH2, простейший ароматический амин. Получают анилин из толуола и хлорбензола, аммонолизом фенола и бензола, замещением сульфогруппы аминогруппой, восстановлением нитробензола чугунной стружкой в кислой среде (метод Бешана) и каталитическим восстановлением нитробензола в жидкофазной и газофазной средах. Достаточного внимания заслуживает метод газофазного каталитического восстановления. Он является достаточно экономичным способом получения анилина: в процессе участвует меньше аппаратов, что сокращает энергозатраты, практически отсутствуют побочные продукты, в процессе производства не образуются отходы, а выход готового продукта составляет 98%. При данном способе получения анилина получаются низкие энергетические затраты, так как выделяющееся тепло утилизируется для получения водяного пара и сокращается количество отходов.

Из расчётов материального баланса можно сделать вывод, что для получения 32,736 кг/час анилина требуется 71,942кг/час нитробензола и 19,577 кг/час водорода, при этом технологические потери составляют 1,023 кг/час.

Из расчётов теплового баланса можно сделать вывод, что заданная реакция с заданными условиями является экзотермической.(ΔH°_r_{, 298} = -532,48 кДж/моль), идёт с выделением тепла.

В данной курсовой была представлена технологическая схема получения анилина по методу фирмы IG Farbenindustrie, которая в качестве основного аппарата использовала адиабатический реактор, представляющий собой две последовательно соединенные башни емкостью по 50 м 3 , засыпанные катализатором.

Список литературы.

1. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М., Химия, 1981.

2. Беркман Б. Е. Промышленный синтез ароматических нитросоединений и аминов. М., Химия, 1964.

3. Карпов В.В. — Хим. пром.,1981

4. Сталл Д., Вестрам Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органических соединений. пер. с англ. М., Мир,1971.

5. Минченко Б.П. – В кн.: Теоритические основы химической технологии. Л., Наука, 1976.

6. Ирмин А. А.- анилинокрас. пром., 1933.

7. Сокольский Д. В. Оптимальные катализаторы гидрирования в растворах. Алма-Ата, Наука, 1970.

8. Анисимов И. В. Основы автоматического управления технологическими процессами нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Л., Химия,1967.

9. Берман Б. Е. Основы технологического проектирования производств органического синтеза. М., Химия, 1970.

Видео:ИЗИ Физика. Уравнение теплового баланса. Фазовые переходыСкачать