книги / Расчеты химико-технологических процессов
..pdfрежиме, для чего используют дисковые мешалки с развитой поверхностью. Не которые параметры процесса;
|
|
*нач’ °с |
?кон* °с |
Степень поли |
Время пребы |
|
|
меризации, % |
вания, ч |
||
Полимеризатор |
I |
50 |
145 |
48 |
2 |
« |
II |
145 |
160 |
75 |
2 |
« |
III |
160 |
180 |
90 |
2 |
Реакция полимеризации мономера — стирола |
— с образованием полистирола; |
|
nCgHs—СН=СН* -—► / —-СН—СН2—\ |
68 700 кДж/кмоль |
|
v с,н, |
Л |
|
(тепловой эффект взят на основе опытных данных из расчета на мономер, моле кулярная масса которого 104).
Объем полимеризатора:
*п - - *.8/0,65 = 2,77 м3
Тепловой |
эффект полимеризации: 68700/104 = 661 кДж/кг. |
|
Приход теплоты (кДж): |
||
со стиролом |
1000 • 1,742 ■50 = 87 089 |
|
по реакции |
480 • 661 == 317 280 |
|
Всего 404369 кДж. Расход теплоты (кДж): |
||
с полистиролом |
3,119* 145*480 «в 217082 |
|
со стиролом |
2,479 * 145 • 520 = 186 916 |
|
Всего 403 998 кДж. Процесс идет с выделением 371 кДж теплоты. Пример 25. Подсчитать тепловой баланс контактного аппарата
для частичного окисления |
S 02 производительностью 25000 м3/ч. |
Газовая смесь содержит [% |
(об.)]: S 0 2— 9; 0 2— И; N2— 80. Сте |
пень окисления 88%. Температура входящего газа 460°С; выхо
дящего— 580 °С. |
Средняя теплоемкость смеси |
(условно |
считаем |
|||||
ее неизменной) |
2,052 кДж /(м3*°С). Потери теплоты |
в окружаю |
||||||
щую среду 5% от прихода теплоты. |
94207 |
кДж. |
Состав (м3) |
|||||
Р е ш е н и е . |
SO2+ V 2O2 |
SO3+ |
||||||
газа: |
|
Исходный |
|
После аппарата |
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
S02 |
|
2250 |
S 0 3 |
2250*0,88*1980 |
||||
N2 |
|
20000 |
SO* |
2250—1980 * |
270 |
|||
02 |
|
2 750 |
N, |
|
20 000 |
1760 |
||
|
|
|
|
о . |
2750—1980/2 * |
|||
|
Итого; |
25 000 |
Итого: |
|
24010 |
|
||
Приход теплоты (кДж): |
|
|
|
|
|
|||
с газом |
Q, |
25 000 •2,052 • 460 = |
23 598 000 |
|
|
|
|
|
по реакции |
Q2 ^ 94 207 *2250/ (22,4 • 0,88} = 8 290 2! 6 |
|
|
|
||||
Всего 31888216 кДж. Расход теплоты (кДж): |
|
|
|
|||||
с отходящими газами Q3 = 24 010*2,052*580 == 28 564000 |
|
|
|
|||||
потерн |
Qfl = |
31 888216*0,05 = 1 594 400 |
|
|
|
|
||
61
Всего 30158400 кДж. Следовательно, необходимо отвести QOTQ®» 1729816 кДж теплоты.
Тепловой баланс:
Приход |
хДж |
% |
Расход |
хДж |
% |
Qi |
23598000 |
73,9 |
Qa |
28564 000 |
89,6 |
QJ |
8 290216 |
26,1 |
Qn |
1594 400 |
5,0 |
|
|
|
QOTD |
1729 816 |
5,4 |
Итого: |
31888216 |
100 |
Итого: |
31888 216 |
100 |
Пример 26. Составить тепловой баланс (на 1 ч работы) стадии пиролиза при производстве уксусного ангидрида из ацетона и рассчитать количество природного газа, содержащего [% (об.)]: СН4— 98; N2— 2. Производительность по уксусному ангидриду 24 т/сутки. Температура пиролиза 800 °С. Степень превращения ацетона в кетен за один цикл 0,25.
Теплота испарения ацетона 553,5 кДж/кг. Теплоемкость [кДж/(кг*°С)]| ацетона при 20 °С 2,09, реакционной смеси при 800 °С 2,26. Теплотворная спо* собность чистого метана 890310 кДж/кмоль.
Р е ш е н и е . Стадии производства уксусного ангидрида из аде* тона описываются реакциями:
пиролиз
(СНз)аСО-------—►СН, = СО*+- СН4 - 83,7 кДж/моль
СН*=СО+СНаСООН s?=±: (СНэСО),0
Расход |
(кг/ч) ацетона: |
|
|
|
по реакции 58-1000/102 = |
568 |
|
|
|
с учетом степени превращения 568/0,25 = 2270 |
|
|||
Приход теплоты: |
|
|
|
|
|
Qnp =* 2,09 • 2270 • 20 * |
94 886 кДж |
||
Расход теплоты (кДж): |
|
|
||
с ацетоном |
Qi — 2270-553,5 = 1 256440 |
|
|
|
по реакции |
Q* ■* 568-83,7• 10758 = 819 683 |
|
|
|
с отходящими газами Q$ = 2,26-2270-800 = |
4 104 160 |
|
||
Суммарный расход |
Qpacx = 6180283 |
кДж; |
Q = C W — QnP = |
|
— 6085397 |
кДж. Следовательно, количество |
метана, необходимое |
||
для сжигания в зоне реакции 6085397/890310= 6,84 кмоль или в пересчете на природный газ: 6,84-22,4/0,98= 156,5 м3.
Тепловой баланс установки:
Приход |
кДж |
% |
|
Расход |
кДж |
% |
Qnp |
94886 |
1,53 |
Oi |
|
1256440 |
20,1 |
Q |
6 085 397 |
98,47 |
Q2 |
|
819 683 |
13,1 |
|
|
|
Qa |
|
4 1 0 4 1 6 0 |
66,8 |
Итого: |
6 180 283 |
100,0 |
|
Итого: |
618 0 2 8 3 |
100,0 |
Пример 27. Составить тепловой баланс реактора для получения водорода каталитической конверсией метана. Потери теплоты в
62
окружающую |
среду |
6% от прихода |
теплоты. |
Отношение |
||
СН4: Н2О = 1:2. Температура |
поступающих |
в реактор |
реагентов |
|||
105 °С; температура в зоне реакции 900 °С. |
|
|
||||
Теплоемкость |
[кДж/ (кмоль • °С)]: |
|
|
|
|
|
|
|
сн« |
н2о |
со |
н2 |
|
|
100 °С |
36,72 |
33,29 |
28,97 |
29,10 |
|
|
900 °С |
— |
38,14 |
31,36 |
29,90 |
|
Расчет вести на 1000 м8 Н2.
Р е ш е н и е * . Расчет ведется по реакции:
СН4 + Н2О |
Sj=fc СО = ЗН2 — 206 200 кДж |
В соответствии с |
условием задачи (СН4: Н20 = 1 : 2) на |
1000 ма Н2 объем исходных реагентов и полученных продуктов бу дет составлять:
|
|
|
Приход |
м3 |
Расход |
мэ |
|
|
|
СН4 |
|
333 |
СО |
333 |
|
|
|
НаО |
|
667 |
НаО |
334 |
|
|
|
|
|
|
|
На |
1000 |
|
|
Итого: |
1000 |
Итого: |
1667 |
||
Приход теплоты (кДж ): |
|
|
|
|
|||
с |
СН< |
Q, = |
333 '36,72 • 105/22,4 = |
57 318 |
|
|
|
с |
Н20 |
Qa = |
667*33,29 • 105/22,4 = |
104 083 |
|
|
|
Всего 161401 кДж. Расход теплоты (при 900 °С), кДж: |
|
||||||
с |
СО |
Q$ = |
333 • 31,36 • 900/22,4 = |
419 579 |
|
|
|
с |
На |
Q$ = |
1000-29,90 * 900/22/4 *= 1201 330 |
|
|||
с |
НаО |
=»* 334 • 900 •38,14/22,4 = |
511 825 |
|
|
||
Теплота |
реакции |
= 333 • 206 200/22,4 = |
3 065 384 кДж, потери |
||
теплоты Qn = 161401 *0,06 = 9684 кДж. |
|
|
|||
Тепловой баланс: |
|
|
|
|
|
|
Приход |
кДж |
|
Расход |
хДис |
Qi |
|
57318 |
Q* |
|
419579 |
Qt |
|
104083 |
в |
|
1 201 339 |
|
|
|
Qi |
|
|
|
|
|
Q5 |
|
511 825 |
|
|
|
|
9684 |
|
|
|
|
On |
|
|
|
|
|
|
|
3065384 |
Итого: |
161 401 |
Итого: |
5207 811 |
||
Таким |
образом, |
дефицит |
теплоты |
AQ = 520781! — 161401 — |
|
*=5046410 кДж. Подвод теплоты в зону реакции осуществляют путем сжигания части метана природного газа (98% СН4; 2% N2):
* Сведения о конверсии метана см. в гл. 11, пример 3,
63
СН4 + 202 С 0 2 + 2Н20 4- 890950 кДж/кмоль. |
Для |
покрытия |
|||
образовавшегося |
дефицита |
теплоты |
необходимо |
сжечь |
|
5046410/890950 = |
5,66 кмоль или |
5,66-22,4=127 |
м3 СН4, т. е. |
||
129,5 м3 природного газа.
Пример 28. Составить тепловой баланс генератора водяного
газа при газификации 1 т кокса, содержащего |
[% |
(масс.)]: С — 93, |
|||
золы — 4 и Н20 — 3, — и подаче 1575 кг водяного пара на |
1 т кок |
||||
са. Образовавшиеся 2190 кг водяного газа содержат [% |
(масс.)]: |
||||
СО — 89,9, |
С02— 1,94 и Н2 — 8,16. Температура |
водяного |
газа на |
||
выходе из |
генератора |
1000°С, температура |
подаваемого кокса |
||
25 °С и водяного пара 100 °С. |
|
|
|
||
|
Молекулярная |
Теплота образсюа- |
|
Теплоемкость, |
|
|
иня, |
Дж/(моль-вС) (при |
|||
|
масса |
кДж/кмоль (при |
указанной темпера* |
||
С |
12 |
25 °С) |
|
туре |
|
241840 |
|
8,53 |
|
||
н*о |
18 |
|
33,2 |
|
|
с о |
28 |
110500 |
|
31,7 |
|
н* |
2 |
— |
|
29,8 |
|
со* |
44 |
393510 |
|
49,3 |
|
Р еш ен ие . Процес с газификации протекает по реакциям:
|
С + Н,0 ч=* СО+ Н2 - |
|
(2) |
|
|
|
-Я, (I)' СО+ Н.О :< ^ COa -f- Н* + |
||
|
Состав водяного газа: |
|
|
|
СО |
2190-89.9/100 — 1969 |
кг яли 1969-22,4/28 * |
1575 м» |
|
СО* |
2190-1,94/100 — 42,5 |
кг или 22,4-42,4/44 = |
21,6 мя |
|
Н* |
2190-8,16/100 — 178,7 кг или 22,4-178,6/2 = |
2000 м* |
|
|
Приход теплоты (условно считаем теплоемкость золы равной теплоемкости кокса, содержание которого составляет: 93% С 4- + 4% золы), кДж:
с коксом Qi — 1000-0,97-8,51-25/12 = 17237
с влагой кокса в золы |
Q* = 1000-0,03-4,187-25 = 3140 |
|||
с водяным паром |
Q* “ |
1575-33,2-100/18 = 290 500 |
||
всего |
Qnp *» 310 877 |
|
||
Определим расход теплоты. Тепловой эффект (кДж/кмоль): |
||||
реакции (1) |
qt = |
ДЯ^о — АЯн,о — 110 500 — 241 840 — 131 340 |
||
» |
(2) |
д7= |
ДЯ°СОг - (Д Я с о + А Я н а0) — 393 510 - 352 340 * 41 170 |
|
Количество (кДж) теплоты:
по |
реакции |
(1) |
<2$ * 131 340 * 930/12 — 10 178 850 |
|
» |
> |
(2) |
Qs — 41 170 • 21,6/22,4 = |
39 700 |
обеих реакций |
Q6 =* Q 4 — Q 5 «» Ю 139 |
150 |
||
Количество (кДж) теплоты, уносимое с продуктами реакции;
с |
CO* |
Qf — 49,3 |
-21,6-1000/22,4 — 47639 |
|
с |
СО |
0^ = |
31,7 -1575 • 1000/22,4 — 2 228 906 |
|
с Н* |
Q$ = |
29,8 |
• 2000 • 1000/22,4 = 2660 714 |
|
всего |
Q[о =*Q£ + |
QS + Q3' “ 4 937 159 |
||
64
Общий расход теплоты: QpaC3l— Q64-vQ;o=15076309 кДж и, та*
ким образом, при газификации 1 т кокса в генератор необходимо ввести
Qu = Qpacx - Qnp = 15 076 309 — 310 877 = 14 765 432 кДж
Это количество теплоты подводится в систему в результате экзо* термической реакции
2С 4- О* ** 2СО +• 221000 кДж (на 1 кмоль СО — U0 500 кДж)
Масса кокса GKl необходимая для указанного процесса:
Ю |
«тепл тт |
GK= |
14 765432*12 |
12 кг |
кокса — 110 500 кДж; |
"IIQ500/O93 ^ 1724 КГ |
|
GK• 0,93 кг |
» — 14 843 630 кДж |
|
|
(0,93 — для пересчета на сухой чистый кокс). Для сжигания 1724 кг требуется (м3) :
кислорода 11,2*1724/12 = 1609 азота 1609*3,76 = 6053 всего воздуха 1609*100/21 — 7662
Тепловой баланс процесса:
Приход |
|
кДж |
|
% |
Расход |
|
*Дж |
чь |
Qi |
|
17237 |
0,115 |
Qe |
|
10 139 150 |
67,7 |
|
Q 2 |
|
3 140 |
0,015 |
Qio |
|
4937 159 |
35,3 |
|
Qs |
'• |
290500 |
1,97 |
|
|
|
|
|
Qu |
14 765 432 |
97,9 |
|
|
|
|
||
Итого: |
15076309 |
100 |
Итого: |
15076309 |
100 |
|||
Пример 29. Составить тепловой баланс печи КС-200 по данным |
||||||||
таблицы |
материального баланса |
(см. гл. I, пример 19). Темпера |
||||||
тура в кипящем |
слое 800 °С. Потери теплоты 4% |
от прихода. |
|
|||||
Теплоемкость [кДж/(м3*К)1 при 20°С: колчедана — 0,538 кДж/(кг*К); |
воз |
|||||||
духа— 1,3097 [1,0119 |
кДж/(кг*К)]; |
НаО — 2,006; |
при |
800°С: огарка — |
||||
0,883 кДж/(кг*К); |
S 02— 4,187 (0,437 + |
0,0000847 7) — 2,428; О * - 1,571; |
N2 — |
|||||
1,463; Н20 — 1,884. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р р m йн и-p Приход теплоты [по формуле |
(II1.4)], кДж: |
|
||||||
с сухим колчеданом |
Qi = |
8084*0,538*20 = 86 984 |
|
|
|
|||
с влагой колчедана |
Q2 — 250*4,187*20 = 2 0 935 |
или Qs **= 22 900* 1,0119 X |
||||||
с сухим воздухом |
Qa = |
17 700* 1,3097*20 = 463 634 |
||||||
Х 2 0 = |
463 634 |
Qi — 204*2,006*20 = |
8184 |
|
|
|
||
с водяными парами |
|
|
|
|||||
Теплота экзотермической реакции обжига
4FeSa 4* 1102 * 8 SO3 4- 2 FeaOs 4- 3400 кДж
определяется по ее тепловому эффекту. При образовании 8 моль или 8*22,4 м3 SO2 (по суммарной реакции обжига колчедана) вы делится 3400 кДж. Следовательно, при 2360 м* S 0 2
Q$ =*= 3400 •2330 • 1000/(8 * 22,4) = 44 776 786 кДж
Весь приход теплоты:
Qnp * Qi 4* Qi 4" Qz 4* Q« 4" Qee 45 356 523 кДж
Расход теплоты (кД ж ):
с огарком Qe — 6000 * 0,883 •800 = |
4 238 400 |
|
|
|||||||
с обжиговым газом |
Q7= |
QSOj + |
QNt + |
Q0j + QHjO= |
20 962 659 |
|
||||
(QSo3= |
2360 • 2,428 -800 = |
4584064; |
QN = |
12 900 • l .463 • 800 = 15 098 160; |
Q0i = |
|||||
= 400 • 1,571 •800 = 502720; QHz0 = |
516* 1,884800 =*777715) |
|
||||||||
потери |
QB= |
Qnp * 0,04 = |
45 356 523 • 0,04 = |
1814 261 |
|
|
||||
на выработку пара* |
Q9= |
Qnp — (Q0+ |
Q7+ QB) ** 18 341 203 |
|
||||||
Тепловой баланс: |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Прнход |
|
кДж |
% |
|
|
Расход |
кДж |
% |
||
Q| |
|
86984 |
0,19 |
|
Qo |
4238400 |
9,34 |
|||
Сг |
|
20 935 |
0,05 |
|
Qi |
20962 659 |
46,22 |
|||
Qz |
|
463634 |
1,02 |
|
Qa |
1 814261 |
4,0 |
|||
Q> |
|
|
8184 |
0,02 |
|
Qo |
18341203 |
40,44 |
||
Qs |
|
44776786 |
98,77 |
|
|
|
|
|||
Итого: |
45 356523 |
100,00 |
|
Итого: |
45 356 523 |
100,00 |
||||
Пример 30. При производстве ацетилена термоокислительным
крекингом |
природного |
газа, содержащего [% . (об.)]: |
СН4— 98; |
С 02— 0,5; |
N2— 1,5, — в |
конечном газе содержится |
[% (об.)]: |
С2Н2— 9; СО — 26; Н2— 54; С2Н4— 0,5; С0 2— 4,5; СН4— 6. Процесс идет по реакциям
CH4+ 2 0 a = C08 - f 2НаО + <7, |
(1); |
СН4+ 1,50* = |
СО + |
2Н*0 + |
<j2 |
(2) |
|
СН4+ 0,50 2= СО + |
2Н2+ Я* |
(3) |
На + |
0,5О2= |
Н2О + |
<74 |
(4) |
2СН« = CjH* + |
ЗН2— q$ |
(5); |
2СН4= |
С*Н« +- 2Н2 - |
q6 |
(6) |
|
причем по реакции ( 1) сжигается 11,6% метана, по реакции |
(2) — |
||||||
42,4% и по реакции |
(3)— 46%. |
Исходные реагенты — метан |
и |
||||
технический кислород, содержащий 1% азота, — поступают в печь, подогретые до 800 °С. Газы выходят из реакционной зоны на закалку с температурой 1500 °С.
Определить объем, природного газа, необходимый для достиже
ния температуры крекинга |
(1500 °С), и составить тепловой баланс. |
|
Тепловой эффект реакции |
(кДж/кмоль): q\ = 890310; <72** 687 000; |
<73= |
35650; <74= 285 840; q$ = |
376 450; qs *= 201 980. Молекулярная |
масса: |
*—26.
Ре ш е н и е . Рассчитаем объем метана, необходимый для полу-* чения 1 т С2Н2. Объем (м3):
ацетилена 1000-22,4/26 = 862 конечного газа 862/0,09 = 9600
* Это количество теплоты, отводимое из кипящего слоя с помощью секций парового котла, размещенных в слое, требуется как для выработки пара, так и для поддержания в слое заданной температуры 800 QC.
66
Объем (м5) прореагировавшего по реакциям (1)— (3), (5), (б) метана и по реакциям (1)— (4) кислорода:
|
|
|
сн4 |
Оа |
|
По реакции (1) |
337 |
337-2 = 674 |
|||
* |
> |
(2) |
1200 |
1200 -1,5 = |
1800 |
(3) |
1300 |
1300 *0,5 = |
650 |
||
» |
> |
(4) |
1724 |
102 • 0,5 = |
51 |
» |
» |
(5) |
|
|
|
> |
> |
(6) |
96 |
|
|
He прореагировало |
673 |
|
|
||
Итого: |
|
5330 |
3175 |
||
Всего израсходовано природного газа с учетом содержания |
|||||
метана (м3) : 5330/0,98 = 5450, из них С 02— 28, N2 — 85. С техни |
|||||
ческим кислородом поступает 3175*0,01=32 м3 азота. |
|||||
Объем (м3) |
водорода, |
выделившийся по реакциям (3), (5), |
|||
(6), и воды в виде пара — по реакциям (I), |
(2), (4): |
|
|||
|
|
|
На |
|
НаО |
По реакции (1) |
|
|
674 |
||
» |
» |
(2) |
2600 |
2400 |
|
» |
> |
(3) |
|
102 |
|
» |
» |
(4) |
2586 |
|
|
» |
» |
(5) |
|
|
|
» |
» |
(6) |
96 |
|
|
Итого: |
|
5282 |
3176 |
||
|
Из |
5282 |
м3 Н2 |
5180 |
м8 находятся |
в отходящих газах, а |
||||
102 м3 сгорает по реакции |
(4), выделяя |
102 м8 Н20 (пар). |
||||||||
|
|
По данным о составе газа, зная теплоемкости компонентов, |
||||||||
определим количество поступившей и расходуемой теплоты. |
||||||||||
|
Приход теплоты (кДж ): |
|
|
|
||||||
физических процессов <Зф= |
QCH4 + QQ2+ QNJ + |
Qco2 * 10 326 300 |
||||||||
(QCH4 = |
5330 • 55,8 •800/22,4 = |
6 490 000; |
QQ2= |
3175 •32,3 • 800/22,4 *=3 660 000; |
||||||
QNJJ= |
(85 - f 35) * 30,8 • 800/22,4 = |
128 800; |
QCOi = |
28 • 47,5 •800/22,4 = 47 500) |
||||||
в |
ходе |
|
реакций |
|
(1)—(4) |
Qp = |
Qt + Q2 4* Qs 4* Q4 — 53 570 000 |
|||
(Q, = |
337-890 310/22,4 = |
13 400 000; |
Qa = |
|
1200-687 000/22,4 = 36 800 000; |
|||||
Qs = |
1300-35650/22,4 = |
2070000; Q4 * |
102-285840/22,4 = 1 300000) |
|||||||
|
Расход теплоты (кД ж ): |
|
|
|
|
|||||
с |
продуктами |
реакции |
<2ф = |
QCH4 + |
+ |
Фсо + Qco* + QcaHa + QctH4 + |
||||
+ QN2+ Q H 2O(naP)*336l0000 |
|
|
|
|
||||||
(QCH' I mt 673 • 69,5 • 1500/22,4 = |
3 126 000; |
Q^a = 5130.*3Q>6 * 1500/22,4 = 10 600 000; |
||||||||
Q'CO = |
9600 • 0,26 • 32,9 • 1500/22,4 = 5 500 000; Qco2 * * 9600 *0,045 -52,6 • 1500/22,4= |
|||||||||
*= 1 280 000; QCJH2 ** 832 * 56,0 • 1500/22,4 = 3 760 000; QcjH* = 9600 • 0,005 • 94,6 X
X |
1500/22,4 = 340000; |
- |
117 .32,4 -1500/22,4 = 254 000; |
Онао(пар) = З Ш Х |
|
X |
41,2 • 1500/22,4 = |
8 750 000) |
|
|
|
для реакций (5) и |
(6) |
Qp = |
+ QQ= 29 860 000 |
|
|
(Qs «= 1724 • 376 450/22,4 = 29 000 000; QQ= 96 *201 980/22,4 = |
860 OOO) |
||||
67
Тепловой баланс производства ацетилена (на 1 т С2Нг):
Приход |
кДж |
% |
Расход |
кДж |
% |
<2ф |
10326300 |
16,1 |
<4 |
33 610 000 |
Б2,6 |
QP |
53570000 |
83,9 |
<4 |
29 860 000 |
47,4 |
Итого: |
63 896300 |
100 |
Итого: |
63 470000 |
100 |
Расхождение баланса: [ (63 896 300 — 63 470 000) • 100] /63 896 300 = = 0,67%. Процесс идет, как и рекомендуется, с небольшим положительным тепловым эффектом реакции.
Пример 31. Составить тепловой баланс реактора окисления метанола в формальдегид во взвешенном слое катализатора и оп ределить поверхности охлаждения: а) змеевикового холодиль ника, отводящего теплоту из слоя катализатора; б) холодильника для «закалки» газов продуктов реакции.
Расчеты вести по данным материального баланса примера 20 гл. I и следующим дополнительным данным. Температура (°С): в
реакторе |
(кипящем слое) 600; спирто-воздушной смеси |
на входе |
в реактор |
70; газов после закалки 200; воды в хрлодильниках — |
|
на входе 20, на выходе 50. Коэффициент теплопередачи |
[В т/(м2Х |
|
Х °С )]: от охлаждающей воды к кипящему слою 380; между взве шенным слоем инертного материала и поверхностью холодильника 290. Теплопотери реактора'5% от суммы прихода теплоты.
Р е ш е н и е . Количество поступившей о |
реактор теплоты складывается из; |
|
1) теплоты реакций окисления спирта — Qi; |
2) теплоты спирто-воздушной 'сме |
|
си — Q2; расход — из: 1) |
теплоты продукционных газов на выходе из реакто |
|
р а — Qz; 2) теплопотерь |
реактора — Q4; 3) |
теплоты, отводимой из реактора |
змеевиковыи холодильником, — <?s [определяется уравнением теплового баланса:
Qs = Qi + Qz — (Qa + Q<)].
Для определения количества теплоты реакций окисления мета нола (Qi) составляем на основе материального баланса стехио метрическое уравнение каталитического окисления метанола. Всту
пило в реакции окисления (основные и побочные): |
58,1 — П,6 = |
||
= 46,5 кмоль СНзОН и 18,26 кмоль Ог. Количества |
(кмоль) про |
||
дуктов реакции (получены в соответствии с данными |
примера |
||
20 гл. I): СН20 — 40,7; |
Н20 — 31,78; НСООН — 2,75; С 0 |
2 — 2,45; |
|
СО — 0,15; СН4— 0,46; |
Н2— 16,85. Теплоты образования |
реаген |
|
тов и продуктов реакции принимаем по табличным данным. Коли чество теплоты (кДж) на образование продуктов реакции:
СН20 — 40,7-116 |
900 * 4 |
716 000; Н20 — 31,78*241 840 — 7685 700; НСООН — |
2,75*376700 = 1 |
035900; |
СО*— 2,45*393510 = 964 100; СО — 0,15*110500 = |
= 16900; СН<— 0,46*74850 = 34440
Итого: 14453000 кДж. Количество теплоты на образование исход ных веществ: СНзОН— 46,5 «201200 «= 9 355 800 кДж. Отсюда коли чество теплоты, выделяющееся по реакциям каталитического окис ления 46,5 кмоль метанола при 298 К:
(296; 14 453 000 — 9 355 800 — 5 097 200 кД ж
68
Количество теплоты этих реакций при фактической темпера туре процесса, т.е. при 600°С (873 К):
873
|
<г<=<г»а+ J £ Ч - |
Z ыс" |
|
298 |
|
Здесь |
и S ^ -со о тв етств ен н о |
суммы истинных мольдых |
теплоемкостей веществ, вступивших в реакцию и продуктов реак ции; N — число молей каждого компонента, участвующего в ре акции.
Преобразовываем это уравнение, подставляя вместо суммы теплоемкостей алгебраическую сумму коэффициентов уравнений для теплоемкостей реагентов и продуктов реакций, умноженных на их число молей. Интегрирование полученных уравнений дает выражение, пригодное для практического использования:
Qt = Qm + а (7 - |
298) + 0 (Г2 — 298*) + у(73- 2983) |
||
В этом уравнении а =* £ |
Na0; {5 = |
*/* 2 |
Y = Уз№*а [см. урав |
нение (III.5)]. |
|
Для этого запишем уравнения |
|
Найдем коэффициенты а, р, у. |
|||
температурной зависимости теплоемкостей (кДж/(кмоль-°С)] ком понентов реакции:
|
^СНаОН* 20,45 + 0 ,1 0 3 7 7 -0 ,0 2 4 7 - 10"37 2; |
<?СН20 = 20,94 + |
|||||||
|
+ 0.0586Г - |
0,0156 • Ю*“3Г2; |
cHiQ = |
28,8 + |
0,013757 - 1,435 • 10"б7 2| |
||||
|
сНсоон =*30,7 + °>08957 ^ 0,0346 • 10“ 37'2; |
сСОз= 32,2 + 0,02227 — |
|||||||
|
|
— 3,48 *10"672; сс о = 26,2 + 0,008757 — 1,92 *Ю“672; |
|||||||
|
= 14,15 + 0,0757 - |
17,54 • Ю"672; |
с02 = |
26,2 + |
0,01157 - 3,22 • Ю"672; |
||||
|
|
|
сн*= |
28,8 + |
0,0002767 + |
1,17-Ю“6Г2 |
|||
Тогда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а = |
^ ДГа0 = (46,5 - 20,45 + |
18,26 •26,2) - |
|
(40,7 - 20,94 + 31,78 - 28,8 + |
||||
+ |
16,85 • 28,8 + |
2,75 .30,7 + 2,45 - 32,2 + |
0,15 * 26,2 + |
0,46 -14,15) = - 999,5 |
|||||
|
§ = |
V , 2 |
N a k = 7з 1(46,5 • 0,104 + |
18,26 • 0,0115) — (40,7 * 0,0586 + |
|||||
|
+ |
31,78 - 0,01375 + |
16,85 - 0,000276 + 2,73 • 0,0893 + 2,43 - 0,0222 + |
||||||
|
|
|
+ 0,15 - 0,00875 + 0,46 • 0 ,0 7 5 )]= 0,942 |
||||||
■у = |
ЧгЯаг = 7з 1 ( - 46,5 •24,7 - |
18,75 - 3,22) - |
|
( - 40,7 - 15,9 - 31,78 - 1,435 + |
|||||
+ |
16,85 • 1,17 - |
2,75 • 34,6 - 2,45 - 3,48 - 0,15 -1,92 - 0,40 -17,54) -10” °)] = |
|||||||
|
|
|
|
— 144,2- К Г* |
|
|
|
||
Количество теплоты, выделяющееся при окислении метанола |
|||||||||
при 600 °С: |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
097 200 - 999,3 • 575 + 0942 (8732 - |
298s) - |
1 4 4 ,2 .10~s - (873? - 2983) = |
||||||
|
|
|
|
= |
5 064466 кД ж |
|
|
||
Расхождение между количеством теплоты, выделяющимся при 25 и 600 °С, составляет 5097200 — 5064460 = 32 740 кДж или все го 0,64%, Таким образом, для технических расчетов можно пре небречь этим незначительным расхождением и пользоваться зна чением Qi при 25 °С,
Определим теперь количество теплоты Qz спирто-воздушной
смеси при 70 °С |
(343 |
К)— физическую теплоту |
спирто-воздушной |
|
смеси. По приведенным выше формулам для |
теплоемкостей |
|||
[кДж/(кмоль*°С)1 компонентов реакции имеем: |
|
|
||
сСНзон = 20,45 + 0.1037 «343 - 0,0247 • 10“ 3 • 3432 * |
53,2; |
|||
с02= |
26,2 + |
0,0115 • 343 - 3,22 • 10~6 ■3432 = |
29,76; |
|
cNi = |
26,4 + |
0,0076 • 343 - 1 ,4 4 5 *1СГ6 *3432 = |
27,83 |
|
Количество теплоты (кДж) компонентов смеси:
QcHjOH = W •53,2 •70 = 216 000; Q0t = 18,26 •29,76.70 = 38 000r
QNJ — 68,73 •28,83«70 • 139 000
Итого Q2 = 393 000 кДж. Общий приход теплоты:
Qnp ^ Qi Ч®QS 5457 466 кДж
Количество теплоты Q$ (кДж) контактных газов (теплота, уно симая продуктами реакции) при 600 °С (рассчитываем с помощью табличных данных):
QcHaO = 40,7.47,3 • 600 = |
1166800; |
Ссн»ОН = 11,6 • 74,2 *600 = |
517 300; |
||||
QHCOOH = 2*75 * 70,7 • 600 = |
116 |
500; |
2,45 * 45JS•600 = |
66 900; |
|||
QfHi0 = |
31,78 *36,2*600 = |
690 |
900; Q'CQ = |
0,15 * 30,5• 600 = |
2800; |
||
QCH4 e |
0.46 • 50,9 • 600 = |
14 000; |
Q'H2= 16,85 • 29,4 • 600 = 297 100; |
||||
|
Q'NJ = |
68,73 - |
30,2 *600 = |
1 247 400 |
|
||
Итого: Q j = 4119700 кДж. Теплопотери реактора в окружающую среду:
Q[ = б 457 466 • 0,05 = 272 873 кДж
По уравнению теплового баланса из слоя требуется отвести сле дующее количество теплоты:
++ 664893 кДж
Тепловой баланс окисления метанола:
Приход |
КДЖ |
Расход |
кДне |
Q\ |
5 064 466 |
Сз |
4П 9700 |
Qa |
393 000 |
|
272873 |
|
|
Qs |
1064893 |
Итого: |
5457466 |
Итого: |
5457466 |
70