книги / Физико-химические основы технологических процессов

Примеры термодинамических расчетов ХТП

Пример 1.

Рассчитать тепловой баланс контактного аппарата окисления S02 производительностью 25000 м3/ч. В аппарат поступает смесь состава об. %: S02- 9, 0 2 - 11, N280. Степень окисления (дс) - 0,88; темпе­ ратура входящих газов Твх = 460 °С, температура выходящих газов ТВЬ1Х= 580 °С. Потери тепла в окружающую среду - 5 % от прихода тепла.

Объем газов на выходе из аппарата:

F(S03) = х- V(S02) = 2250-0,88 = 1980 м \

V(S02) = F„(S02) - х- F(S02) = 2250 -1980 = 270 м3,

V(02) = V0(O2) - 1/2 x- K(S02) = 2750 - 1980/2 = 1760 M3

Рассчитаем среднюю теплоемкость входящего газового потока: С вх. = 1,9-0,09 + 1,24-0,8 + 1,4-0,11 = 1,32 кДж/(м3-К);

выходящего из аппарата газового потока:

Свых = 2,23-0,082 + 1,9- 0,011 + 1,24 -0,833 + 1,4 -0,073 = = 1,34 кДж/(нм3-К).

Составление теплового баланса. Определим тепло входящего га­ за по формуле

0 = ЕГ,-СТвх, 0, = 25000 м3-1,32- (460 + 273) = 24189000 кДж.

Тепло реакции рассчитаем по формуле 02 = 0-«(SO2) -х,

где n(S02) = F(S02)/ VM= 100,46 кмоль,

0 2= 94207-100,446-0,88 = 8290216 кДж.

Всего: 0 np = 0i + 0 2= 24189000 + 8290216 = 32479216 кДж. Потери тепла в окружающую среду:

0з =0,05 (0, + 0 2)= 1623960,8 кДж. Определяем тепло выходящих газов:

04 = 24010-1,34 • (580 + 273) = 27443911 кДж, 0 Расх = 0з + 04 = 29067871,8 кДж.

Необходимо отвести теплоты:

0 ОТВ= 0 пр - 04 = 32479216 - 29067871,84= 3663109,5 кДж. Составляем таблицу теплового баланса.

Пример 2.

Определить равновесный выход метанола (содержание метанола в равновесной смеси в мол. долях) и равновесный состав газа (Па, мол. доли) при синтезе метанола, протекающем при температуре 350 °С, Р = 300 атм, молярное соотношение СО : Н2: а) 1 : 2; б) 1 : 4.

1.Рассчитаем значение К° константы равновесия по формуле (1) при Т= 350 + 273 = 623 К; К° = 5,63-10'5

2.Выразим константу равновесия через мольные доли (С) компонентов реакционной смеси:

3. Выразим концентрации компонентов через степень превращения вещества, находящегося в недостатке (ключевое вещество), - СО -х .

а) СО:Но = 1:2

2(1-х )

с Нг 0,41.

3 -2 х

6. Определяем равновесное парциальное давление компонентов смеси (Па):

Рi CfPобщ>

РСН)0Н= 0,38*300*105 =1,14’1067, Рсо = 0, 21-300-105 = 6,3 10е, рн = 0 ,41-300 105 = 1,23-Ю7

Р4 (1 -JC)(2 - х ) г Р2'

7.Подставим значения К° и Р, после преобразований получим

х3 - 5х2 + 7,6х - 3,34 = 0.

Решаем уравнение: х = 0,8.

8. Определяем равновесный состав реакционной смеси:

1 -х

0,06.

5 -2 х

9. Определяем равновесные парциальные давления компонентов смеси (Па):

Рi — Q P общ?

^сн,он=0,24-300-105 = 7,2-106,

Рсо = 0,06-300 105 = 1,8-10®,

Рн, =0,7-300-10s = 2,13-107

Решение. Рассчитаем константу равновесия реакции при темпе­ ратуре 550+273=823 К. Константа имеет значение 20,9 атм-0,5

Выразим константу равновесия через мольные доли (С) компо­

Выразим равновесные концентрации реакционной смеси через степень превращения сернистого газа - х. Для этого воспользуемся

Подставим полученные концентрации в выражение константы равновесия:

*(1-0,5 С 1 х Г

р(1 - *) • (С®, - 0,5С®Ог х)0’5 ■Р0’5

Для удобства расчета представим полученное выражение в виде

2*2а -о ,5 с ^ ^ >

р(1-дс)2- ( < -0 ,5 С 1 х)-Р '

Подставим в полученное выражение значения исходных концен­ траций реагентов и константы равновесия:

Степень превращения получим методом подбора: х=0,76. Равновесный состав реакционной смеси:

Вопросы для самоконтроля

1.Что понимается под стехиометрическим уравнением реакции

истехиометрическим коэффициентом?

2.Составьте стехиометрическое уравнение для реакции полного сгорания пропана,представьте его в алгебраической форме.

3.Что понимается под простыми и сложными реакциями?

4.Что такое базисная система уравнений?

5.Как определить число базисных уравнений при протекании обменной реакции, при протекании окислительно-восстановитель­ ной реакции?

6.Что понимается под степенью превращения компонента?

7.Что понимается под ключевым компонентом?

8.Напишите формулу для расчета концентрации компонента, степени превращения при протекании простой и сложной реакций.

9.Для каких технологических расчетов необходимо знать тер­ модинамические характеристики процесса?

10.Как определить тепловой эффект реакции? Напишите зави­ симость теплового эффекта реакции от температуры.

11.Как определить возможность протекания реакции?

12.Используя уравнение изотермы реакции, определите, при ка­ ких соотношениях газообразных компонентов реакция СН4= С+ 2Н2 не будет протекать при температуре 1100 К

13.Что характеризует константа равновесия реакции?

14.Какова зависимость константыравновесия от температуры?

15.Выведите уравнение для расчета равновесной степени пре­

вращения: Аг + Вг = Сг, Аг = Вг +Ст.

Практические индивидуальные задания

Каждое задание оформляется на отдельных листах формата А4. Титульный лист заполняется по стандартной форме. Решение задач должно быть точно обосновано, представлены все математические формулы, используемые при решении. Оформление тепловых и ма­ териальных балансов должно быть представлено в виде таблиц. При решении задач можно использовать ЭВМ, разрабатывать программы для расчетов тепловых эффектов, равновесного состава реакционной смеси, расчета реакторов. Представлять работы преподавателю мож­ но в рукописном виде или набранном на ЭВМ.

Задание 1. Составление материального и теплового баланса ХТП

5Производство азотной кислоты. Производительность по 61%-й азотной кислоте - 500 т/сут. Аммиачно-воздушная смесь содер­ жит 9 об. % аммиака. Воздух имеет температуру 21 °С и влаж­ ность 47 %. Окисление аммиака проводят при температуре 800 °С. Выход оксида азота (N0) при окислении аммиака - 96 %.