Материальный баланс реакции сульфохлорирования.

1кг

СuФц + 4SO₃ =VOФц(SO₃Н)₄

579,56 г/моль 903,3 г/моль

m (VOФц(SO₃Н)₄)= (1кг*903,3 г/моль )/579,56 г/моль=1,679 кг

1. Количество SO_3, необходимого для реакции :

G_SO3 = G_СuФц *(80*х)/М _СuФц ,

G_SO3= 1кг*(80*4)/579,56 г/моль =0,552 кг.

2 Количество SO₃ , остающиеся после сульфирования:

G^´ _SO3 =G_CLSO3H *s- (G _VOФц*80*х)/ М _СuФц

S- концентрация исходного сульфирующего агента (масс. доли SO_3, % )

S- 96%

G^´ _SO3 =7ru*0?96-(1кг*80*4)|579,56 г/моль=6,17 кг

3. Количество отработанной CLSO3H:

G_CLSO3H - G_СuФц *(80*х)/М _СuФц= 7,0 кг-(1 кг*80*4)/576 г/моль=6,45 кг,

4. ρ- концентрация отработанной CLSO3H (масс. доли SO_3, % )

ρ= 59%

Количество серного ангидрида в отработанной кислоте:

( G_CLSO3H - G_СuФц *80*х/ М _СuФц)*ρ,

5. Масса сульфирующего агента, необходимого для сульфирования:

G_CLSO3H= G_СuФц *80*х(1-ρ)/ М _СuФц (s-ρ)= 1кг*80*4*(1-0,59)/579 г/моль*(0,96-0,59)=0,62 кг

6. Количество CLSO3H для связывания Н₂О:

G^´´ _CLSO3H= W*ρ/(s-ρ)

W- масса воды, содержащейся в исходном органическом сырье ,

W=0,04 кг,

G^´´ _CLSO3H= 0,04*0,59/(0,96*0,59)= 0,065

G^общ _CLSO3H= 0,62+0,065=0,68,

1 кг

7. VOФц+ 4 CLSO3H= VOФц(SO₃Н)₄+ HCL,

579 г/моль 973 г/моль 36,5 г/моль

m (HCL) = 4*36,5 г/моль / 579 г/моль,

1.56 кг

8. VOФц(SO₃Н)₄+ 4SOCL₂= VOФц(SO₂CL)₄ + 4 HCL+ 4 SO₂

903 г/моль 119 г/моль 973 г/моль 36,5 г/моль 64 г/моль

m (SOCL)= 4* 119 г/моль *1.56 кг/903 г/моль =0.83,

m(VOФц(SO₂CL)₄ )=970 г/моль *1.56 кг/900 г/моль=1,68 кг,

m (HCL)=4*36,5 г/моль*1,56 кг/903 г/моль=0,50

m(SO₂) =4*64 г/моль*1,56 кг/903 г/моль=0,44

Остаток SOCL₂=3,25-0,83=2,43 кг

Загружено:	m, кг	Получено:	m, кг
VOФц	1	VOФц(SO2CL)4	1,68
CLSO3H	7	CLSO3H	6,32
SOCL2	3,25	SOCL2	2,42
Итого:	11,25	HCL	0,2+0,2=0,4
		SO2	0,44
		Итого:	11,25

Тепловой баланс реакции сульфохлорирования:

1. Нагрев VOФц и ClSO3H от 35 до 137˚С.

Q₁ + Q₂ + Q₃= Q₄ + Q₅ + Q₆, где

Q₁ - теплосодержание исходной смеси,

Q₂ – отвод тепла хладагентом( или подвод теплоносителем),

Q₃- тепловой эффект процесса,

Q₄ – теплосодержание конечных продуктов,

Q₅ – тепло, расходуемое на нагрев или охлаждение отдельных деталей аппарата,

Q₆- потери тепла (=0)

1. Q₁ = ∑G*c*t, где

G- вес веществ, кг

с -теплоемкость материалов, кДж/кг*К,

t- температура, К

С _VOФц : С₃₂Н₁₆N₈VO, М=576 г/моль, m= 1 кг

с=∑с _а*n/М, где

с _а- атомная теплоемкость элементов,

n- число одноименных атомов в молекуле,

М- молекулярный вес соединения.

Элемент	с а, тв	с а, ж
С	1,8	2,8
Н	2,3	4,3
О	4	6
S	5,4	7,4
Остальные элементы	6,2	8

с_тв =(32*1,8+16*2,3+8*6,2+6,2+4)/576 г/моль=0,27 ккал/кг*гр=1,09 кДж/кг*К,

с _CLSO3H =1,36 кДж/кг*К, М=116,5 г/моль, m=7,0 кг

Q₁ = (1,09*1+7,01*1,36)*(273+35)=3267,9 кДж.

Q₄ =(1,09*1+7,0*1,36)*410=4350,1 кДж.

Q₃=0,

Q₅ =G_апп*с_апп*(Тк-Тн)

с_апп=0,499 кДж/кг*К,

G_апп=400 кг,

Q₅ =400*0,499(137-35)=20359,2 кДж

Q₂ = Q₄ + Q₅ - Q₁ =4350,1+20359,2-3267,9=21441,4 кДж.

Sт= Q₂ /(Кт*ΔТ*τ), где

Кт- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К),

Кт=400 Вт/(м²*К),

τ - продолжительность стадии теплообмена, с

τ=30 мин=1800 с

Прямоток: Противоток:

ΔТ= (115-3)/ln(115/3)=30,71 ΔТ= (105-13)/ln(105/13)=44,01

ΔТ=(75,3+66,7)/2=37,38

Sт=21441,4*10³/(1800*650*71,0)=0,479 м²< 0,51 м²

G_вот = Q₂ /(с_вот * ΔТ*τ)=21441,4/(0,479*4,19*10*1800)=0,63 кг/с

II. Q₁ =4350,1 кДж

VOФц+ 4 CLSO3H= VOФц(SO₃Н)₄+ HCL

Q₄ при 137˚С

С _HCL =0.16 кДж/кг*К, m=0,2 кг

C _{VOФц(SO3Н)4}: m=1.56кг, C₃₂H₁₂N₈VO(SO₃Н)₄

с_ж =(32*2.8+12*4.3+8*8+8+4*7.4+4*3*6+4.3*4.3)/900=0.21 ккал/кг*гр= 1.30кДж/кг*К,

Q₄ =(0.16*0.2+1.3*1.56)/(273+137)=844.6 кДж,

Q₅ =400*0,499*(137-35)=20359,2 кДж,

Q₃:

VOФц+4SO₃ = VOФц(SO₃Н)₄+q_р,

Qр= G _{VOФц(SO3Н)4}* q_р*1000/M _{VOФц(SO3Н)4}

q_р=q^˚ _{VOФц(SO3Н)4}- q^˚ _VOФц -4 q^˚ _SO3 ,

q^˚ _{VOФц(SO3Н)4}= ∑ n q^сг _э- q^сг _{VOФц(SO3Н)4} ,

q^сг _{VOФц(SO3Н)4} = ∑ n q^сг _э—26.05*m_эл-∑Δξ,

0. C₃₂H₁₂N₈VO(SO₃Н)₄ :

q^˚ _{VOФц(SO3Н)4}= ∑ n q^сг _э- q^сг _{VOФц(SO3Н)4} ,

∑ n q^сг _э=32*94,35+12*34,19=3430,0ккал/моль,

m_эл=7*4*4+3*1*4+4*3=136,

m_эл=7*4*4+3*1*4+4*3=136,

10,1,

q^сг _{VOФц(SO3Н)4} =26,05*136+4*(-10,1)=3502,4 ккал/моль,

q^˚ _{VOФц(SO3Н)4}=3430,0-3502,4= -72,1 ккал/моль.

0. C₃₂H₁₂N₈VO,

∑ n q^сг _э=32*94,38+16*32,16=3535,2 ккал/моль,

m_эл=32*4+16*1=144,

q^˚ _C32H12N8VO = 3535,2-26,05*144= -216,0 ккал/моль,

q^˚ _SO3=103,2 ккал/моль,

q_р=-72,1-103,2*4-(-216,0)=-268,9 ккал/ моль = - 1126,69 кДж/моль,

Qр=1,56*(-1126,69)*1000/900= -1952,9 кДж.

Q _{физ-хим превр.}= G ^общ _CLSO3H*(1-s)*(q_р - q_s ),

q_s – удельная теплота растворения SO₃ c образованием сульфирующего агента, кДж/ кг воды,

q_s = -1559.4 Дж/кг воды,

Q´= - G ^общ _CLSO3H*(1-s)* q_{s ,}

Q´= - 0.67*(1-0.96)*(-1559,4)= 41,79 Дж= 0,042 кДж,

Q´´= G ^общ _CLSO3H*(1-s)* q_р = 0,67*(1-0,96)*(-1126,69)= -30,19 кДж,

Q₃= Qр+ Q´+ Q´´= -1953,9+0,042-30,19=-1983,05 кДж,

Q₂ = Q₄ + Q₅ - Q₁ - Q₃=844,6+20359,2-4350,1-(-1983,05)=18836,75 кДж,

τ= 3 ч= 10800 с,

Кт=400 Вт/(м²*К),

Sт= Q₂ /(Кт*ΔТ*τ),

ΔТ =(13-8)/ln(13/8)= 10,3

Sт= 18836,750/(400*10,3*108000)=0,5 м²< 0,51 м²

G_вот = Q₂ /(с_вот * ΔТ*τ)=18836.75/(10800*0.55*4.19*5)=0.151 кг/с.

III. Q₁ =844,6 кДж,

Q₃=0,

Q₄ :

C₃₂H₁₂N₈VO(SO₃Н)₄ , М= 1,56 кг, М=900кг/ моль

С_ж =(32*2,8+12*4,3+8*8+8+4*7,4+3*4*6+4*4,3)/900=0,369 ккал/ моль = 1,54 кДж/моль,

Q₄ =400*1,56*(273+20)=465,36 кДж/моль,

Q₅ =400*0,499*(273-410)= - 27345,2 кДж,

Q₂ = Q₄ + Q₅ - Q₁ = 465,36- 27345,2-844,6= - 27724,44 кДж,

τ=60 мин=1800с,

Прямоток: Противоток:

ΔТ =(142-10)/ln(142/10)=49,7 ΔТ =( (127-25)/ ln(127/25)=62.75

ΔТ =(49.7+62.75)/2=56.23

Sт= 27724440/(400*56.23*1800)=0.50 м²< 0,51 м²

G_вот = 27724.44/(0.45*4.19*1800*25)= 0.318 кг/с.

5. Нагревание с 20 до 110 ˚С,τ=30 мин, 1800 с

C₃₂H₁₂N₈VO(SO₃Н)₄ , М= 1,56 кг, М=900кг/ моль,

С_ж= (32*2,8+12*4,3+8*8+8+4*7,4+3*4*6+4*4,3)/900= 1,30 кДж/кг,

SOCL₂ ,m=3.25 кг, М=118 кг/кмоль,

Q₁ =(1,3*1,56+3,25*1,05)*(273*20)= 1594,06 кДж,

Q₄ =(1,3*1,56+3,25*1,05)*(273+110)= 2083,71 кДж,

Q₅ =400*0,499*(383-293)=17964 кДж,

Q₂ = Q₄ + Q₅ - Q₁ = 2083,71+17964-1594,06=18453,63 кДж,

Прямоток: Противоток:

ΔТ =(130-57)/ln(130/57)=90,5 ΔТ =( 120-67)/ln(120/67)= 93

ΔТ =(90,5+93,0)/2= 91,64

Sт= 18453,630/(400*91,64*1800)= 0,280 м²< 0,51 м²

G_вот =18453,63/(0,55*4,19*1800*10)=0,444 кг/с.

VI. C₃₂H₁₂N₈VO(SO₃Н)₄ + 4SOCL₂= C₃₂H₁₂N₈VO (SO₂CL)₄ + 4 HCL+ 4 SO₂

Q₁ =2083.71 кДж,

Q₄ :

С _SO2 = 1,45 кДж/кг, m= 0.44, T=383 ˚C

C _HCL= 1.412 кДж/кг, M=0.2, T= 383 ˚C,

C _{VOФц(SO2CL)4} :

C₃₂H₁₂N₈VO (SO₂CL)₄ , M =970 кг/моль, m= 1,68 кг

С_тв =(32*1,8+12*2,3+8*6,2+6,2+4*5,4+2*4*4+4*6,2)/970= 0,226 ккал/ моль = 095 кДж.

Q₄ =(1,45*,44+1,41*,02+0,95*1,68)*383=855,6 кДж,

Q₅ =400*0,499*(383-293)=17964 кДж

Q₃= G _{C32H12N8VO (SO2CL)4} *q_p *1000/M _{C32H12N8VO (SO2CL)4} ,

q_p =q^˚ _{C32H12N8VO (SO2CL)4} + 4 q^˚ _HCL + 4 q^˚ _SO2 -4 q^˚ _SOCL2 + q^˚ _{C32H12N8VO(SO3Н)4}

q^˚ _HCL = 22.0 ккал/моль,

q^˚ _SO2 = -70,85 ккал/моль,

q^˚ _{SOCL2 =} -064 ккал/моль,

q^˚ _{C32H12N8VO(SO3Н)4} = -72,1 ккал/моль,

q^˚ _{C32H12N8VO (SO2CL)4} = ∑ n q^сг _э- q^сг _{C32H12N8VO (SO2CL)4} ,

∑n q^сг _э = 3430,0 ккал/моль

m_эл=7*4*4+3*1*4+4*3=136,

Δ= -15,3 ,

q^˚ _{C32H12N8VO (SO2CL)4} =3430,0-26,05*136-4*(-15,3)= - 51,6 ккал/моль

q_p =-51,6+4*22,0-4*70,85-(-4*0,64)-(-74,1)= -172,32 ккал/моль= 722,10 кДж/ моль

Q₃=1,68*(-722,10)*1000/970= -1250,6 кДж

Q₂ = Q₄ + Q₅ - Q₁ - Q₃= 17964+855,6-2083,71-(-1250,6)=17986,5 кДж,

τ= 6 ч= 21600 с.

ΔТ =(93-63) /ln (93/63)= 79

Sт= 17986,500/(400*21600*79,1)=0,00025 м²< 0,51 м²

G_ВОТ= 17986.5/(21600*25*0.55*4.19)=0.014 кг/ с

VII. Q₁ = 855.6кДж;

τ= 30 мин=900c

Q₃= 0

Q₅ = 400*0.499*(20-83)= -12574 кДж,

Q₂ = Q₄ + Q₅ - Q₁ = -17964-737,188-855,6= -14166,67 кДж,

Прямоток: Противоток:

ΔТ =(88-5)/ln (88/5) =29 ΔТ =(63-30)/ln(63/30)= 44.5

ΔТ= (29+44,5)/2= 36,7

Sт= 14166/(400*36,7*900)= 0,001 м²< 0,51 м²

G_ВОТ=14166/(900*0,45*4,19*25)=0,334 кг/с.