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 Qх.р; теплота подводимая или отводимая с помощью теплообменных устройств Qт.о; теплота, уходящая с потоком продуктов Q02; теплота фазовых переходов Qф.п; потери тепла в окружающую среду Qп; положительное или отрицательное накопление теплоты в объеме аппарата Qнак.
Для стационарного режима работы аппарата Qнак 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:
СрА, СрB, СрC, СрD, СрI – 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 (ΔNC), 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:
NВ2 = NВ1 – 1/2∙Y = 460,298 — 1/2∙325,069 = 297,764 кмоль/ч;
NС2 = NС1 + 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
Qп =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.
Qх.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):
Qто =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 | Gp 0 298 Дж/моль·К | Cp = 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
Cp 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
Cp 523 H2O = 39,02+76,64·10 -3 ·523+11,96·10 5 ·523 -2 = 83,47 Дж/моль·К
Cp 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:
QИСХ = (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
ΔHr,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
QРЕАКЦИИ = -(-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
ΔHr,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:89 НЕ ЗНАЮТ этого в Физике: Что такое Количество Теплоты, Теплоемкость, Уравнение Теплового БалансаСкачать
QРЕАКЦИИ = -(-627428) ·0,08·10 3 = 50194 кДж/моль
3)Тепло фазовых переходов QФ = 0
QПРИХОДА= 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:
QНАГР. = (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
QПОТЕРЬ = QПРИХ. ·0,06 = 259793,4·0,06 = 15587,6 кДж/ч
7)Расход тепла составит:
QРАСХ.= 164242,92+33028+15587,6 = 212858,52кЖд/ч
8)Тогда тепловая нагрузка на реактор QF = QРАСХ.— QПРИХ.
QF = 212858,52-259793,4 = -46934,88 кДж/ч
Результаты расчёта теплового баланса сведены в таблицу:
| Величина | Приход | Величина | Расход | ||
| кДж/час | % | кДж/час | % | ||
| QИСХ. | 58830,4 | 22,6 | QПРОД. | 164242,92 | 63,2 |
| QРЕАК.1 | 58,0 | QНАГР. | 12,7 | ||
| QРЕАК.2 | 19,4 | QПОТЕРЬ | 15587,6 | 6,0 | |
| QF | 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:Теплообмен. Уравнение теплового баланса 8-10 класс | Физика TutorOnlineСкачать
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
10. Николаев Ю. Т., Якубсон А.М.. Анилин. М., Химия, 1984.
🎬 Видео
ЕГЭ физика. Уравнение теплового баланса (термодинамика)Скачать
Урок 175. Уравнение теплового балансаСкачать
Задачи на ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ | Термохимические уравненияСкачать
Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.Скачать
C-шки по физике #3 Уравнение теплового балансаСкачать
Закон сохранения превращения энергии в тепловых процессах. 8 класс.Скачать
Экзо- и эндотермические реакции. Тепловой эффект химических реакций. 8 класс.Скачать
Уравнение теплового балансаСкачать
Как выучить Химию с нуля за 10 минут? Принцип Ле-ШательеСкачать
Химия | Тепловой эффект химической реакции (энтальпия)Скачать
Тепловые явления - Урок 7 - Уравнение теплового балансаСкачать
Урок 127 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса - 1Скачать
Урок 176. Задачи на уравнение теплового балансаСкачать
🔴 ЕГЭ-2022 по физике. Уравнение теплового балансаСкачать
