Рівняння теплового балансу реактору в загальному вигляді :
Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 (2.3)
де Q1 – тепло, яке підводиться в реактор з вихідною речовиною, кДж/год;
Q2 – тепловий ефект реакції, кДж/год;
Q3 –тепло, яке відводиться (на виході з реактора) для забезпечення оптимальної температури процесу, кДж/год;
Q4 – тепло реакції, яке знімається за рахунок випаровування надлишкового циклогексану, кДж/год;
Q5 – теплові витрати через поверхню апарату, кДж/год.
Кількість тепла, яке вноситься з вихідними речовинами та виноситься з нього продуктами реакції, визначаємо за формулою:
Qі = Nі ∙ Cрі ∙ T (2.4)
де Qi – кількість тепла, яке вноситься в апарат або виноситься з нього, кДж/год;
Ni – мольна витрата компоненту потоку, кмоль/год;
Срі – теплоємність і – го компоненту потоку, Дж/моль*К;
Т – температура речовин реакційної маси, К
Температура газової суміші на вході в реактор Твх та температура газової суміші на виході з реактору Твих = 155° С або 428 К;
Таблиця 2.7 – Вихідні дані:
Речовини |
Cp 428 Дж/моль*К |
a
|
b*103
|
c*106 |
|
кДж/моль |
Циклогексан (г) |
162,43 |
-51,72 |
598,8 |
-230 |
|
-156,08 |
Циклогексанол |
163,33 |
19,58 |
280,67 |
128,97 |
|
-347,86 |
Циклогексанон |
83,53 |
31,96 |
143,64 |
-54,06 |
|
-272,12 |
Адипінова кислота |
29,32 |
71,12 |
-126,1 |
66,44 |
|
-988,57 |
Бутанол |
144,32 |
14,68 |
358,10 |
-129 |
|
-325,49 |
Оксид вуглецю |
29,91 |
28,41 |
4,1 |
|
-0,46 |
-110,5 |
Диоксид вуглецю |
43,35 |
44,14 |
9,04 |
|
-8,53 |
-393,51 |
Кисень |
30,85 |
31,46 |
3,39 |
|
-3,77 |
0 |
Вода |
34,76 |
30 |
10,71 |
|
0,33 |
-285,84 |
Азот |
28,84 |
27,88 |
4,27 |
|
-1,59 |
0 |
(ДЦГА) |
242,28 |
81,15 |
341,42 |
81,9 |
|
- |
*105
Теплоємність речовин визначається за формулою:
С = a + b*T + c* T2 - для органічних речовин (2.5)
C = a + b*T + c’/T2 - для неорганічних речовин (2.6)
Розраховуємо теплоємність для кожної речовини:
Сцг = -51,72 + 598,8∙10-3∙428 + (-230,0∙10-6)∙(428)2 = 162,43 Дж/(моль*К);
Санолу = 19,58 + 280,67∙10-3∙428 + 128,97∙10-6∙(428)2 = 163,33 Дж/(моль*К);
Санону = 31,96 + 143,64∙10-3∙428 + (-54,06∙10-6) ∙ (428)2 = 83,53 Дж/(моль*К);
САК = 71,12 + (-126,10∙10-3) ∙ 428 + 66,44∙10-6∙(428)2 = 29,32 Дж/(моль*К);
ДЦГА
= 81,15 + 341,42∙10-3∙428 + 81,90∙10-6∙(428)2
= 242,28 Дж/(моль*К);
= 44,14 + 9,04∙10-3∙428
+ (-8,53∙105)/(428)2 = 43,35 Дж/(моль*К);
ССО = 28,41 + 4,1∙10-3∙428 + (-0,46∙105)/(428)2 = 29,91 Дж/(моль*К);
= 31,46 + 3,39∙10-3∙428
+ (-3,77∙105) /(428)2 = 30,85 Дж/(моль*К);
= 30,0 + 10,71∙10-3∙428
+ 0,33∙105/(428)2 = 34,76 Дж/(моль*К);
= 27,88 + 4,27∙10-3∙428
+ (-1,59∙105)/(428)2 = 28,84 Дж/(моль*К).
де Ср – теплоємність речовин при постійному тиску, Дж/(моль*К)
a, b, c, c’ – коефіцієнти рівняння
Мольні витрати речовин, що надходять до реактору та виходять з нього наведені з матеріального балансу (потік 9 та потік 10) у таблиці 2.8:
Таблиця 2.8 – мольні витрати речовин, що надходять до реактору та виходять з нього.
Найменування речовин |
Зайшли до реактору |
Вийшли з реактору |
кмоль/год |
кмоль/год |
|
Циклогексан (г) |
1560,365 |
1466,743 |
Циклогексанол |
|
54,113 |
Циклогексанон |
|
28,087 |
Адипінова кислота |
- |
3,651 |
Дициклогексиладипінат(ДЦГА) |
- |
1,030 |
Вода |
79,638 |
114,466 |
Кисень |
795,48 |
722,923 |
Азот |
2094,131 |
2094,131 |
Оксид вуглецю |
0,472 |
0,472 |
Діоксид вуглецю |
1.264 |
1,264 |
Знаходимо кількість тепла, яке вноситься у реактор з вхідними речовинами за формулою :
Q1
= QЦГ
+
+
(2.7)
QЦГ
= 1560,365∙162,43∙ 428 =
кДж/год;
QСО
= 0,472∙29,91 ∙ 428 =0,604
кДж/год;
=
1,264∙ 43,35 ∙ 428 =
кДж/год;
795,48
∙30,85∙ 428 =
кДж/год;
79,638∙34,76∙
428 =
кДж/год;
=2094,131∙28,84∙
428 =
кДж/год;
Q1
= 10847,663
14604,428
кДж/год.
Q1 =14604,428 кДж/год
Знаходимо кількість тепла, яке виноситься із реактора з вихідними продуктами за формулою :
Q3
= QЦГ + Qанол
+ Qанон+QАК
+ Qсо+
+
+ Qвода +
+QДЦГА (2.8)
QЦГ =1466,743∙ 162,43 ∙ 428 =10197 кДж/год;
Qанол = 54,113∙ 163,33 ∙ 428 =378,28 кДж/год;
Qанон = 28,087∙ 83,53 ∙ 428 =100,41 кДж/год;
QАК =3,651∙ 29,32 ∙ 428 =4,58 кДж/год;
QСО =0,472∙ 29,91 ∙ 428 = 0,604кДж/год;
QСО2 =1,264 ∙ 43,35 ∙ 428 = 2,345 кДж/год;
=722,923∙ 30,85 ∙ 428 = 954,5 кДж/год;
Qвода =114,466∙ 34,76 ∙ 428 = 170,29 кДж/год;
=2094,131∙ 28,84 ∙ 428 =2585 кДж/год;
QДЦГА =1,030 ∙242,28* 428 = 10,68 кДж/год;
Q3
=
кДж/год.
В реакторі окиснення здійснюються такі реакції:
Q2 = G ∙ ∆Н (2.9)
де G − продуктивність апарату, кг/год;
∆Н − тепловий ефект реакцій, кДж/моль;[13]
H1 р-ции = -138.27 кДж/моль
H2 р-ции = -227,52 кДж/моль
H3 р-ции = - 425,36 кДж/моль
H4 р-ции = -612,16 кДж/моль
H5 р-ции = -1163,96 кДж/моль
Q1 р-ции =-(-138,27)*23,35 = 2283,913*103 кДж/год
Q2 р-ции = -(-227,52)*11,67 = 2655,161*103 кДж/год
Q3 р-ции = -(-425,36)*2,16 = 918,771*103 кДж/год
Q4 р-ции = -(-612,16)*2,16= 1322,281*103 кДж/год
Q5 р-ции = -(-1163,96)*2,16=2514,16*103 кДж/год
Q2 =(2283,913+2655,161+918,771+1322,281+2514,16)*103 =
= 969,43*104 кДж/год
Приймаємо тепловтрати близько 1 % від загального тепла, яке надходить у реактор
Q5 = 0,01 ∙ (Q1 + Q2) (2.10)
Q5 = 0,01 ∙ (14604,428 +969,43*104 ) = 155,73 кДж/год.
Q5 =155,73 кДж/год.
Визначаємо тепло, яке потрібно знімати у реакторі для забезпечення оптимального температурного режиму:
Q4 = Q1 + Q2 − Q3 − Q5 (2.11)
Q4
= (14604,428+969,43-
-155,73)*104
=
кДж/год;
Q4 = кДж/год;