4.2 Тепловой баланс

Количества исходных продуктов реакции приведены при расчете материального баланса:

m(CO₂)=1121 кг M(CO₂)=44 г/моль

m(NH₃)=1949 кг M(NH₃)=17 г/моль

m(NH₂COONH₄)=1987.2 кг M(NH₂COONH₄)=78 г/моль

m(NH₄OH)=642.2 кг M(NH₄OH)=35 г/моль

m(CO(NH₂)₂)=1070 кг M(CO(NH₂)₂)=60 г/моль

m(NH₃)_{изб.г.ф.}=779.6 кг

m(CO(NH₂)₂)_плава=3116.7 кг

Приход теплоты

1. Тепло поступающее с двуокисью углерода:

Q₁=m(CO₂)*C(CO₂)*T(CO₂)

C(CO₂)=1.026 кДж/кг*К (теплоемкость CO₂)

Q₁=1121*1.026*35=40255.11 кДж

2. Тепло, поступающее с жидким аммиаком:

Q₂=m(NH₃)* H(NH₃)_ж

Q₂=1949*553.1=1077991.9 кДж

3. Теплота образования карбамата аммония NH₂COONH₄

Q₃=

Q_обр.(NH2COONH4)=159350 кДж/кмоль (тепловой эффект реакции образования твердого NH₂COONH₄ из газообразного NH₃ и CO₂)

Q_плавл.(NH₂COONH₄)=77456 кДж/кмоль (теплота плавления NH₂COONH₄)

Q₃= кДж

4. Теплота образования NH₄OH:

Q₄=

Q_обр(NH₄OH)=10626 кДж/кмоль (тепловой эффект образования NH₄OH из NH₃ и H₂O)

Q₄= кДж

Суммарный приход теплоты:

Q_прих.=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄

Q_прих.=40255.11+1077991.9+2086407+189507.12=3394161.13 кДж

Расход теплоты

1. На образование мочевины CO(NH₂)₂ тратится теплоты:

Q₁=

Q_конв.(CO(NH₂)₂)=19008 кДж/кмоль (тепловой эффект конверсии карбамата при избытке аммиака 125% от стехиометрического количества)

Q₁= кДж

Расходуется:

2. На нагревание NH₃ жидкого от 105⁰С до критической температуры 132.9⁰С

Q₂=m(NH₃)*( H(NH₃)_ж132.9⁰С- H(NH₃)_ж105⁰С)

Q₂=1949(939.9-553.1)=753873.2 кДж

3. На нагревание CO₂ от 35⁰С до 132.9⁰С

Q₃=m(CO₂)*C(CO₂)(132.9-35)

Q₃=1121*1.026(132.9-35)=112599.3 кДж

4. На нагревание образующегося NH₂COONH₄ 132.9⁰С до 200⁰С

C(NH₂COONH₄)=1.951 кДж/кг*К (теплоемкость NH₂COONH₄)

Q₄=m(NH₂COONH4)*C(NH₂COONH₄)*(200-132.9)

Q₄=1987.2*1.951(200-132.9)=260148.5 кДж

5. На нагревание избыточного NH₃ газообразного 132.9⁰С до 200⁰С

Q₅=m(NH₃)_изб.*C(NH₃)_газ.*(200-132.9)

C(NH₃)_газ=2.470 кДж/кг*К (теплоемкость NH₃ газообразного)

Q₅=779.6*2.470*(200-132.9)=129208.6 кДж

6. На нагревание NH₄OH от 132.9⁰С до 200⁰С

Q₆=m(NH₄OH)*C(NH₄OH)*(200-132.9)

C(NH₄OH)=4.187 кДж/кг*К (теплоемкость NH₄OH)

Q₆=624.2*4.187*(200-132.9)=175367.6 кДж

7. Теплота, уходящая с плавом мочевины при 200⁰С

Q₇=m(CO(NH₂)₂)_плава*С_ср*200

С_ср=(С_моч*1.344+С_кар*1.951+С_ам*2.470+С_воды*4.187+С_ин.г.*0.921)/100

C_моч , С_карб , С_ам , С_воды ,С_ин.г. – концентрации мочевины, карбамата аммония, аммиака, воды, инертных газов из таблицы 1 в %.

1.344; 1.951; 2.470; 4.187; 0.921 – теплоемкости мочевины, карбамата аммония, аммиака, воды, инертных газов, кДж/кг*К

С_ср=(34.33*1.344+19.13*1.951+34.74*2.470+10.30*4.187+1.50*0.921)/100=2.138 кДж/кг*К

Количество теплоты уходящей со сплавом

Q₇=3116.7*2.138*200=1332701 кДж

Теплопотери в окружающую среду могут быть рассчитаны, как разность между приходом и расходом теплоты:

Q_расх= Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇

Q_расх=338976+753873.2+112599.3+260148.5+129208.6+175367.6+1332701=3102874.2 КдЖ

Q₈=Q_прих-Q_расх

Q₈=3394161.13-3102874.2=291286.93 кДж = Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇+Q₈

=3102874.2+291286.93=3394161.13 кДж

=

Таблица 3: Тепловой баланс синтеза мочевины

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Теплота поступающая с СО2, Q1	40255.11	1.2	Теплота на образование CO(NH2)2, Q1	338976	10
Теплота поступающая с NH3, Q2	1077991.9	31.7	Расход теплоты NH3 жидкого, Q2	753873.2	22.2
Теплота образующегося NH2COONH4, Q3	2086407	61.5	Расход теплоты с CO2, Q3	112599.3	3.3
Теплота образующегося NH4OH, Q4	189507.12	5.6	Теплота образования NH2COONH4, Q4	260148.5	7.7
			Теплота избыточного газообразного NH3, Q5	129208.6	3.8
			Теплота образования NH4OH, Q6	175367.6	5.2
			Теплота уходящая с плавом, Q7	1332701	39.2
			Теплопотери, Q8	291286.93	8.6
Итого:	3394161.13	100	Итого:	3394161.13	100

Заключение

В данной работе составили материальный и тепловой баланс синтеза мочевины, который осуществляется при абсолютном давлении в колоне синтеза 20.2 МПа и 200⁰С. Расчет велся на 1000 кг карбамида в виде готового продукта (сухого).

Список используемой литературы

1. Атрощенко В.И., Гелперин И.И. Методы расчетов по технологии синтеза связанного аммиака. 320с

2. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник/ Хисматуллин Е.Р., Королев Е.М., Лившиц В.И. и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

3. ГОСТ 25215-82: «Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчета на прочность».

4. Ложкин А.Ф., Рябчиков Н.М., Ведерников С.А.: Учебное пособие. Пермь. Пермский Политехнический институт, 1978 – 137с.

5. ГОСТ 26303-84: «Сосуды и аппараты высокого давления. Шпильки. Методы расчета на прочность».

6. ОСТ 26373-78 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений».

7. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И.: Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированиию – М: Химия, 1991 – 496с.

8. 51273-99: «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность».