Уравнения теплового баланса химических реакторов

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 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

Урок 112 (осн). Уравнение теплового баланса

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:

ПриходРасход
ВеществаN (кмоль/ч)G, (кг/ч)V, (м 3 /ч)Z, доля мольнаяN (кмоль/ч)G, (кг/ч)V, (м 3 /ч)Z, доля мольная
H2 (A)1534,3273068,65434368,9250,61046,7232093,44723446,5950,467
N2 (B)460,29812888,34410310,6750,18297,7648337,3926669,9140,133
NH3 (C)76,7161304,1721718,43840,03401,7856830,3458999,9840,18
CH4 (I)485,8717773,93610883,5100,19485,8707773,9210883,4880,219
ИТОГО:2557,21225035,10657281,5492232,14325035,104

Степень превращения водорода рассчитывают по формуле (3.4):

Уравнения теплового баланса химических реакторов= (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).

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

Урок 113 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса

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:

ВеществоΔH 0,обр. 298 кДж/мольGp 0 298 Дж/моль·КCp = f(T)
ab·10 -3c·10 -6cꞋ·10 5
C6H5NO215,91187,36,8975,95-22,7
H228,8327,283,260,5
H2O-285,8375,3039,0276,6411,96
C6H5NH255,09176,5546,51370,61220,69
C6H11NH2-86,6164,611,59373,7-142
C6H682,9381,67-21,1400,1-170
N229,1027,874,27

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:Решение задач на уравнение теплового баланса. Физика 8 классСкачать

Решение задач на уравнение теплового баланса. Физика 8 класс

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:Урок 175. Уравнение теплового балансаСкачать

Урок 175. Уравнение теплового баланса

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.

Уравнения теплового баланса химических реакторов

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

Результаты расчёта теплового баланса сведены в таблицу:

ВеличинаПриходВеличинаРасход
кДж/час%кДж/час%
QИСХ.58830,422,6QПРОД.164242,9263,2
QРЕАК.158,0QНАГР.12,7
QРЕАК.219,4QПОТЕРЬ15587,66,0
QF46934,8818,1
Итого259793,4Итого259793,4

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.

Уравнения теплового баланса химических реакторов

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

Теплообмен. Уравнение теплового баланса 8-10 класс | Физика TutorOnline

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.

Уравнения теплового баланса химических реакторовРис.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:89 НЕ ЗНАЮТ этого в Физике: Что такое Количество Теплоты, Теплоемкость, Уравнение Теплового БалансаСкачать

89 НЕ ЗНАЮТ этого в Физике: Что такое Количество Теплоты, Теплоемкость, Уравнение Теплового Баланса

10. Николаев Ю. Т., Якубсон А.М.. Анилин. М., Химия, 1984.

🎬 Видео

ЕГЭ физика. Уравнение теплового баланса (термодинамика)Скачать

ЕГЭ физика. Уравнение теплового баланса (термодинамика)

ИЗИ Физика. Уравнение теплового баланса. Фазовые переходыСкачать

ИЗИ Физика. Уравнение теплового баланса. Фазовые переходы

Задачи на ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ | Термохимические уравненияСкачать

Задачи на ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ | Термохимические уравнения

Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.Скачать

Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.

Закон сохранения превращения энергии в тепловых процессах. 8 класс.Скачать

Закон сохранения превращения энергии в тепловых процессах. 8 класс.

C-шки по физике #3 Уравнение теплового балансаСкачать

C-шки по физике #3 Уравнение теплового баланса

Экзо- и эндотермические реакции. Тепловой эффект химических реакций. 8 класс.Скачать

Экзо- и эндотермические реакции. Тепловой эффект химических реакций. 8 класс.

Урок 127 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса - 1Скачать

Урок 127 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса - 1

Как выучить Химию с нуля за 10 минут? Принцип Ле-ШательеСкачать

Как выучить Химию с нуля за 10 минут? Принцип Ле-Шателье

Уравнение теплового балансаСкачать

Уравнение теплового баланса

Химия | Тепловой эффект химической реакции (энтальпия)Скачать

Химия | Тепловой эффект химической реакции (энтальпия)

Тепловые явления - Урок 7 - Уравнение теплового балансаСкачать

Тепловые явления - Урок 7 - Уравнение теплового баланса

Урок 176. Задачи на уравнение теплового балансаСкачать

Урок 176. Задачи на уравнение теплового баланса

🔴 ЕГЭ-2022 по физике. Уравнение теплового балансаСкачать

🔴 ЕГЭ-2022 по физике. Уравнение теплового баланса
Поделиться или сохранить к себе: