5.3.Расчёт тепловых балансов

Пример 1. Один из методов получения ацетилена – термоокислительный крекинг (пиролиз) метана. Вычислите стандартную теплоту этой реакции при температуре 298К.

Решение. Схема реакции термоокислительного пиролиза метана:

11CH₄+5O₂→2C₂H₂+6CO+18H₂+CO₂+2H₂O

Рассчитаем ΔН реакции пиролиза. Энтальпию образования вещества, участвующих в реакции, найдём в таблицах.

ΔН^○ кДж/моль : CH₄-(-74,85) ; C₂H₂-226,75 ; CO – (-110,5) ; CO₂-(-393,51) ; H₂O - ( -241,84) ; O₂ – 0 ; H₂ – 0.

ΔН _р= 2 • 226,75+6 (—110,5) + (—393,51) + 2(—241,84)—11(—74,85)=

= -263,34 (кДж/Моль).

Так как ΔН= - Q_р , Q_р=263,34 кДж/моль.

Пример 2. Рассчитайте теплоту, выделяющуюся при образовании 100 кг метилового спирта из СО и Н₂. Энтальпия образования (в кДж/кмоль) составляет: СО - 110 583; Н₂ — 0, метилового спирта — 201 456.

Решение. Образование метилового спирта из СО и Н₂ протекает по реакции, выражаемой уравнением:

СО + 2H₂↔СН₃ОН + Q_р,

где Q_p — тепловой эффект реакции.

Так как Q_P= -ΔН,

где ΔН — энтальпия реакции синтеза метанола, рассчи­таем ΔН:

ΔН = -201455- (- 110683) = -90772 (кДж/кмоль).

Таким образом, Q_p=90772 кДж/кмоль.

Рассчитаем теплоту, выделяющуюся при образова­нии 100 кг метилового спирта:

Q= (кДж)

Где 32 – молекулярная масса метилового спирта в кг.

Составьте тепловой баланс реактора син­теза этилового спирта, где протекает реакция

СН₂=СН₂ + Н₂О↔ С₂Н₅ОН + Q_p (Q_p=46090 кДж/кмоль),

если исходный газ имеет состав: 40%. Н₂О и 60% С₂Н₄, скорость его подачи в реактор-гидрататор 2000 м³/ч, температура на входе 563K, а на выходе из реактора 614К, конверсия за проход этилена 5%. Теп­лоемкость продуктов на входе и выходе одинакова и равна 27,1 кДж/кмоль. Побочные процессы и продукты не учитывать. Потери теплоты в окружающую среду принимаем 3% от прихода теплоты.

Решение. Находим состав исходного газа:

V(C₂H₄)=2000*0,6= 1200 м³;

V(H₂О)=800-1200*0,05=740 м³;

Определяем состав газа на выходе из реактора:

V(C₂H₄)=1200-1200*0,05= 1140 м³;

V(H₂О)=800-1200*0,05=740 м³;

V(C₂H₅ОН)= 1200*0,05=60 м³.

Находим суммарный объем газа (на выходе из реакто­ра):

V= 1140+740+60=1940 м³.

Тепловой баланс: Q₁+Q₂=Q₃+Q₄

Рассчитываем приход теплоты. Физическая теплота газа:

Q₁=2000/22,4*27,1*290 = 701696,5 кДж.

Теплота реакции:

Q₂=2000/22,4*0,6*46090*0,05=123460 кДж.

___________

Всего: ∑Q_{прихода}=825156,5 кДж.

Определяем расход теплоты. Теплота, уносимая отходящими газами:

Q₃=1940/22,4*27,1*341 = 800345,4 кДж.

Q₄=825156,5*0,03 = 24754,7 кДж.

___________

Всего: ∑Q_{расхода}=825100,1 кДж.

Процесс идет с небольшим выделением теплоты.

5.4. Энерго- и ресурсосбережение в переработке топлив

При расчете площади поверхности теплообмена в установках для нагрева жидкого топлива пользуются среднелогарифмической разностью температур, которая вычисляется по формуле:

где Δt_ср - среднелогарифмическая разность темпера­тур, К;

Δt₁ —разность температур теплоносителя (на входе) и нагреваемого вещества (на выходе);

Δt₂ — разность температур теплоносителя (на выходе) и на­греваемого вещества (на входе).

Относительное движение теплоносителя и нагревае­мого вещества рассматривается здесь и далее только противоточное, ибо это наиболее распространенный слу­чай в процессах химической переработки топлива. Ана­логично рассчитывается движущая сила адсорбции при улавливании продуктов химической переработки топлив.

В промышленности данные материального баланса процессов химической переработки топлив принято при­водить в массовых долях, а состав образующейся при этом газовой фазы в объемных долях. Для того чтобы эти данные были сопоставимы, надо сначала найти среднюю молярную массу, газа (по аддитивности, с уче­том доли каждого компонента), затем условное число молей газовой смеси.

М=∑ω_i* М_i

где М — молярная масса газа, выраженная в кг/кмоль;

ω_i - массовая доля компонента в газе, выраженная в долях единицы;

М_i - молярная масса компонента, выраженная в кг/кмоль.

где п — условное число молей;

т — масса вещества, из которого получается газ, кг;

ω — массовая доля газа, выраженная в долях единицы;

М — средняя молярная масса газа (выраженная в кг/кмоль).

Природный и по­путный нефтяной газы широко используются как топли­во. Для расчетов в этом случае пользуются правилом аддитивности:

q_н = ω_i*q_i

где ω_i — массовая или объемная доля газа от исходного сырья, выраженная в долях единицы;

q_i — удельная или объемная теплота сгорания компонента газа, выражен­ная в кДж/кг или кДж/м³.

Зная теплоту сгорания топлива, можно рассчитать нужную его массу или объем для обеспечения того или иного процесса по формуле:

где т — масса или объем топлива, кг или м³;

q — необ­ходимое количество теплоты для обеспечения процесса, кДж;

η — коэффициент полезного действия установки, в долях от единицы;

q_i — удельная или объемная теп­лота сгорания топлива, кДж/кг или кДж/м³.

Пример 1. Определите среднелогарифмическую раз­ность температур для второй ступени АВТ, где нефть нагревается от 380 К до 630 К дымовыми газами, имею­щими на входе температуру 1200 К, а на выходе 620 К. Решение.

; Δt₁=1200 К - 630 К = 570 К

; Δt₂=620 К - 380 К = 240 К

Пример 2. При каталитическом крекинге керосина массовая доля газа равна 18 % от сырья. Определите массу метана, которая получится из 1 т керосина, если объемные доли компонентов газа крекинга: H₂=9; CH₄=27; C₂H₆=12 C₃H₈=3,5; C₂H₄=25; C₃H₆=15; C₄H₈=8,5%.

Решение. Среднюю молярную массу смеси опреде­ляют по формуле:

М=0,09*2+0,27*16+0,12*30+0,035*44+0,25*28+0,15*42+0,085*56 =27,7кг/кмоль

Условное число молей смеси:

Масса метана в смеси:

m(СН₄)=6,5 кмоль*16 кг/кмоль*0,27 = 28,08 (кг).