книги / Общая химическая технология

Таким образом, расчет теплового баланса позволяет оценить затраты энергии на получение продукта или возможность получения наряду с целевым продуктом также определенного количества энергии, которая может быть использована для технологических целей.

Если в процессе подвод или отвод тепла не предусмотрен ( Qподвод и Qотвод отсутствуют), выделяемое или поглощаемое тепло будет расходоваться на изменение температуры реакционной массы. Путем расчета можно определить температуру продуктов реакции, решив уравнение теплового баланса относительно неизвестной температуры t΄, которая входит в выражение

Q΄ж, т, г = М΄ж, т, г Сж, т, г t΄ж, т, г.

Если температура в реакторе задана, а подвод или отвод тепла отсутствует, для обеспечения заданной температуры необходимо в реактор подавать сырье с определенной температурой, которую можно рассчитать из уравнения теплового баланса, решив его относительно неизвестной температуры t, входящей в статью прихода:

Qж, т, г Mж, т, г Cж, т, г tж, т, г.

В некоторых процессах, протекающих в растворах и сопровождающихся большим выделением тепла (нейтрализация, хемосорбция), при отсутствии теплоотвода избыточное количество тепла расходуется на испарение воды, т.е. раствор концентрируется. Используя уравнение теплового баланса, можно определить теплоту фазового перехода и рассчитать количество испаренной воды.

Результаты расчетов материального и теплового балансов приводят в виде таблиц.

1.2. Пример расчета материального и теплового балансов

Задание: составить материальный и тепловой баланс производства сульфата натрия. Дать оценку расходных коэффициентов по сырью и энергии.

Получение сульфата натрия осуществляют по реакции: 2NaCl (т) + H2SO4 (ж) = Na2SO4 (т) + 2HCl (г).

11

В качестве сырья используют поваренную соль, в составе кото-

рой содержится (мас.%): NaCl – 95, SiO2 – 2, H2O – 3, и 93%-ную серную кислоту. Степень разложения составляет 95 %. Сырьевые компоненты поступают в реактор в стехиометрическом соотношении с температурой 20 С. При температуре 700 С в реакционной зоне печи 50 % непрореагировавшей серной кислоты переходит в газовую фазу, а оставшаяся кислота взаимодействует с целевым продуктом по реакции:

Na2SO4 + H2SO4 = 2NaHSO4 .

Материальный баланс

Подготовка данных для расчета материального баланса

При отсутствии данных о производительности установки и составе готового продукта целесообразно провести расчет на 1000 кг поваренной соли, в результате которого можно найти расход серной кислоты, а также количество и состав плучаемых продуктов.

Основой для расчета являются две химические реакции и стехиометрические соотношения всех участников реакции в соответствии с их молекулярными массами.

Записываем уравнения химических реакций с указанием молекулярных масс всех соединений и их агрегатного состояния:

По имеющимся данным можно составить материальный баланс в общем виде с указанием состава исходных и образующихся фаз:

ПРИХОД:

–твердая поваренная соль (NaCl, SiO2, H2O);

–жидкость (H2SO4, H2O).

РАСХОД:

–твердый продукт (Na2SO4, NaHSO4, NaCl, SiO2);

–газ (HCl, H2SO4, H2O).

12

Как видно из условия задачи, ввиду неполного превращения в составе продуктов реакции будут находиться непрореагировавшие сырьевые компоненты и побочный продукт реакции (2).

Используя уравнения химических реакций, по заданной массе и составу исходных реагентов можно рассчитать массы полученных продуктов.

Расчет материального баланса

На разложение поступает 1000 кг поваренной соли, содержащей 950 кг NaCl, 20 кг SiO2 и 30 кг H2O. При степени разложения 95 % в

реакцию вступает 902,5 кг NaCl (950 · 0,95 = 902,5).

Таким образом, количество неразложившегося NaCl составляет

47,5 кг 950 902,5 47,5 .

Поскольку соотношение исходных реагентов стехиометрическое, в реактор необходимо подать 100%-ную серную кислоту в сле-

дующем количестве: 950 98 795,73 кг. 117

Но в производстве используется 93%-ная H2SO4. Следовательно, с этой кислотой в печь поступит вода. Рассчитаем ее количество:

795,7393 7 59,89 кг.

Таким образом, на разложение 1000 кг поваренной соли необхо-

димо взять 93%-ной H2SO4 больше: 795,73 + 59,89 = 855,62 кг.

Для разложения 902,5 кг NaCl по реакции (1) требуется следующее количество 100%-ной H2SO4:

902,5 98 755,94 кг.

117

Рассчитаем количество серной кислоты, оставшейся неиспользованной:

795,73 755,94 39,79 кг.

Согласно условию задачи 50 % свободной серной кислоты переходит в газовую фазу:

39,9 0,5 19,9 кг.

13

Такое же количество кислоты (19,9 кг) вступает в реакцию (2). Найдем количество образовавшегося Na2SO4 по реакции (1):

902,5 142 1095,35 кг.

2 58,2

Расход целевого продукта Na2SO4 на реакцию (2) составит

Следовательно, на выходе из печи целевого продукта Na2SO4

остается меньше: 1095,34 28,83 1066,51 кг.

В результате протекания реакции (1) образуется HCl в следующем количестве:

902,5 2 36,5 563,01 кг.

2 58,2

В результате протекания реакции (2) образуется продукт NaHSO4, загрязняющий целевой продукт. Рассчитаем его количество:

19,9 240 48,72 кг.

98

При высокой температуре печи вся вода, поступившая с сырьем, испарится и удалится из реактора с газовой фазой (ее количество: 30,0 59,89 89,89 кг).

После расчета массы всех участвующих в химико-техноло- гическом процессе веществ необходимо составить табл. 1.1, которая позволит наглядно показать изменение состава перерабатываемого сырья, определить качество получаемых на этой стадии продуктов и проверить правильность проведенных расчетов по сходимости результатов итоговой массы прихода и расхода.

Данные табл. 1.1 показывают, что целевой продукт при заданных условиях получения будет содержать лишь 90,17 % основного вещества и значительное количество примесей. При этом способе производства сульфата натрия наряду с целевым продуктом получается значительное количество побочного продукта – газа, содержащего HCl. Рассчитаем выход побочного продукта: 1066,51672,89 1000 630,93 кг на 1000 кг

100%-ного сульфата натрия.

14

Таким образом, необходима утилизация побочного продукта путем абсорбции для получения соляной кислоты.

Таблица 1.1

Материальный баланс получения сульфата натрия на 1000 кг поваренной соли

Используя данные табл. 1.1, можно рассчитать расход сырья на 1 т 100%-ного сульфата натрия на этой стадии переработки, т.е. расходные коэффициенты (РК) по двум видам сырья – поваренной соли и серной кислоте:

PКcоль 1,066511000 кгт 937,64 кг/т,

PКкислота = 1,06651855,62 кгт = 802,26 кг/т.

15

Тепловой баланс

Подготовка данных для расчета теплового баланса

Для расчета тепловых эффектов химических и фазовых превращений, а также теплоты материальных потоков необходимы данные о термодинамических свойствах всех соединений, участвующих в процессе [2, 3]. Приводим их в виде табл. 1.2.

Таблица 1.2

Термодинамические свойства веществ, участвующих в производстве сульфата натрия

Расчет тепловых эффектов химических превращений

Расчет тепловых эффектов химических превращений для реак-

ции (1):

1.Изменение энтальпии при протекании реакции

H2980 х.р1 ( 1387,21 2 92,31)

16

2. Тепловойэффектреакции: реакцияэндотермическая, поэтому

3. Удельный тепловой эффект

Поскольку химическая реакция (1) сопровождается поглощением тепла, то значение теплоты химического превращения Qx1 учиты-

вается в расходе.

Расчет тепловых эффектов химических превращений для реак-

ции (2):

1. Изменение энтальпии при протекании реакции

Поскольку химическая реакция (2) сопровождается выделением тепла, то значение теплоты химического превращения Qx 2 учитывается в приходе.

Расчет тепловых эффектов фазовых превращений

Расчет теплового эффекта испарения серной кислоты: H2SO4 (ж) = H2SO4(п).

1.Изменение энтальпии при испарении серной кислоты

H2980 ф.п1 744,45 814,79 70,34 молькДж .

17

2. Поскольку реакция эндотермическая, то тепловой эффект фазового перехода

Расчет теплового эффекта испарения воды: H2O (ж) = H2O (п).

1.Изменение энтальпии при испарении воды

H2980 ф.п2 241,81 285,83 44,02 молькДж .

2.Поскольку реакция эндотермическая, то тепловой эффект фазового перехода

Qф.п2 ( Н2980 )ф.п2 44,02 молькДж .

3. Удельный тепловой эффект

Поскольку фазовые превращения сопровождаются поглощением тепла, то значение теплоты фазовых переходов Qф учитывается в

расходе.

Расчет теплового баланса

Для расчета тепловых потоков используем количество и состав материальных потоков из таблицы материального баланса. Учитывая проведенные выше расчеты, уравнение теплового баланса в общем виде можно записать таким образом:

Qт Qж Qx 2 Qподвод Qт Qг Qх1 Qф Qпот.

18

СТАТЬИ ПРИХОДА ТЕПЛА:

– тепло, приносимое поваренной солью,

Qт t (M NaCl CNaCl MSiO2 CSiO2 MH2O CH2O ),

Qт 20 (950 0,87 20 0,74 30 4,18) 19334,0 кДж;

– тепло, приносимое раствором серной кислоты,

Qж t Mр-ра Cр-ра .

Средняя теплоемкость раствора 93%-ной серной кислоты

Ср-ра 1,42 0,93 4,18 0,07 1,61 кДж/(кг·°С).

Отсюда Qж 20 855,62 1,61 27550,96 кДж;

– тепло, выделяющееся по реакции (2),

Qx 2 q х.р2 МNaHSO4 815,0 48,72 39706,8 кДж.

Находим приход тепла:

19334,0 27550,96 39706,8 86591,76 кДж.

СТАТЬИ РАСХОДА ТЕПЛА:

– тепло, уносимое твердой фазой,

Qт t МNa2SO4 СNa2SO4 МNaHSO4 СNaHSO4 МNaCl СNaCl МSiO2 СSiO2 ,

Qт 700 (1066,51 0,9 48,72 1,0 47,5 0,87 20 0,74)

745220,0 кДж;

–тепло, уносимое газовой фазой, Q´г t Мг Сг. Средняя теплоемкость полученной газовой смеси

Сг Сi mi 0,8 0,8368 1,87 0,1336 0,82 0,0296 = 0,94 кДж/(кг °С).

Отсюда Q´г 700 672,89 0,94 442785,33 кДж;

– тепло, расходуемое на химическое превращение по реакции (1),

Qх1 q х.р1 МNaCl 608,55 902,5 549216,38 кДж;

19

– тепло, расходуемое на фазовые превращения – испарение серной кислоты и воды,

Qф q ф.п1 МH2SO4 q ф.п2 МH2O

717,76 19,9 2445,55 89,89 234110,33 кДж.

Находим расход тепла без потерь:

Qт Qг Qх1 Qф 745220,0 442785,33549216,38 234110,33 1971032,04 кДж.

Принимаем потери тепла в окружающую среду равными 5 % от об-

щего расхода тепла: Qпот 1971032,04 5 103738,52 кДж. 95

Отсюда находим общий расход тепла:

Qрасход 1971032,04 103738,52 2074770,56 кДж.

Учитывая уравнение теплового баланса Qприход Qрасход , видим,

что в приходе тепла значительно меньше, чем в расходе. Следовательно, чтобы обеспечить протекание процесса при заданных условиях, необходим подвод тепла с помощью теплоносителя.

Рассчитаем количество тепла, которое необходимо подвести в реактор:

Qподвод 2074770,56 86591,76 1988178,8 кДж .

Итак, составление теплового баланса позволило определить важный технологический показатель процесса – расход энергии. Результаты расчета теплового баланса представлены в табл. 1.3.

На основе данных материального и теплового балансов можно оценить энергоемкость этой стадии производства и рассчитать примерный расход теплоносителя.

Для оценки энергоемкости рассчитаем расходный коэффициент по тепловой энергии на 1т 100%-ного сульфата натрия:

РКэнергия =1988178,81,06651 1864191,4 кДж / т Na2SO4 .

20