книги / Расчеты химико-технологических процессов

Пример 10. Рассчитать повышение температуры при окислении SO* на 1% при 500°С для газовой смеси состава [(% (об.)]: 5Ю2 — 7; 0 2— 12 и N2— 81.

Теплоемкость, кДж/(мэ-°С); SOa— 2,082; 0 2— 1,402; N3— 1,343. Расчет вести на 1 ма газа.

Р е ш е н и е . Зависимость теплового эффекта реакции окисле­ ния

SOa “t“ 7 JOJ 4-4 SO, -j* 94400 кДж

от температуры рассчитываем по формуле (см. уравнение (III. 9)]:

дш = 4,187 (24555 — 2,21Г) = 100790 кДж/кмоль

Теплоемкость газовой смеси (см. уравнение (III. 6)]:

0,07 • 2,082 + 0,12 • 1,402 + 0,81 • 1,343 = 1,402 кДж/(м3- ° С)

Повышение температуры газовой смеси (V = 1 м3):

Д/ = Qf(cV) = 3,144/(1,402 * 1 ) 2 , 2 4 °С

Пример И. Определить, какую температуру теоретически мож­ но получить в реакционной зоне шахтной печи для обжига извест­ няка при избытке воздуха а = 2 и а = 3 от требуемого по сте­ хиометрическому количеству, считая, что в исходной шихте нахо­ дится чистый углерод. При расчете не учитывать тепловые эффек­ ты идущих в печи реакций и теплопотери.

Теплотворная способность углерода 32 784 кДж/кг. Теплоемкость воздуха в пределах 0—900 °С 1,038 кДж/(кг-°С).

51

Температура в зоне горения шахтной печи теоретически может составить (при этом не учитывается состав кокса в шихте, непол­ нота его сгорания, теплопотери и др.):

Следовательно, необходимо брать избыток воздуха не более

объему); 3) тепловой эффект реакции обжига. Степень диссоциа­

с учетом степени диссоциации:

177390 • 0,95 — 168520 кДж

Для диссоциации 10 т СаСОз требуется чистого углерода (с уче­ том степени диссоциации)

168520 • 10000/(32784 -100) — 514 кг

при условии полного сгорания углерода до С 02. По условию в коксе содержится 91% С. Тогда требуется кокса:

514.100/91 =*564 кг

Определим состав отходящих газов. Образовалось С 0 2: в ре­ зультате диссоциации 10 т известняка.

95 •22,4 • 10 • 1000/(100 • 100) — 2128 м3

в результате сгорания кокса в печи по реакции С -f- 0 2 — ► СО*

614 - 22,4 -1000/12 =* 959500 м3

Всего: 2128 -f 959500 = 961628 м8.

На сгорание кокса расходуется кислорода по объему столько-

Осталось 0 2 в отходящих газах

1343300 — 959500 — 383800 и3

62

Азота поступает с кислородом воздуха

1343300.79/21 =* 5050800 мэ

Таким образом, состав печного газа будет следующим:

Пример 13. Определить количество теплоты, выделяющееся при обжиге 1 т FeS2, содержащего 38% серы, если степень вы­ горания серы из колчедана 0,96,

Чистый FeSa содержит 53,35% серы и 46,65% железа. Молекулярная масса: 4FeS2— 480.

Р е ш е н и е . Процесс горения колчедана описывается суммар­ ным уравнением:

4FeS24“ 1Юа 2F6jO| -I* 8SOa *Ь 3413,2 кДж

В 1 т чистого FeS2 содержится 533,5 кг серы, в 1 т колчедана заданного состава — 380 кг серы. Масса колчедана, участвующего в реакции:

1000 • 380 . 0,96/533,5 = 682 кг

Количество теплоты, выделяющееся при сжигании 682 кг кол­ чедана:

3413,2 • 10э • 682/480 =«= 4849600 кДж

Следовательно, степень превращения: 426/1000 = 0,426.

Пример 15. Определить теоретический расход мазута для по­ лучения 1 т оксида алюминия из гидроксида алюминия.

Теплота сгорания мазута 41870 кДж/кг. Теплоты образования (кДж/моль): А1(ОН) э — 1243; А130 3— 1676,0; 1120 — 241,84. Молекулярная масса: А120 3—

102.

Р е ш е н и е . Тепловой эффект реакции 2А1(ОН)з=*Al20 3*f + ЗН20:

1676,0 + 3 • 241,84 — 2 * 1243 = — 84,5 кДж/моль

Количество теплоты для получения I т А120з:

84,5 .103 * 1000/102 — 828000 кДж

Количество мазута для разложения гидроксида алюминия: 828000/41870 = 18,9 кг.

Пример 16. Рассчитать расход природного газа, содержащего [% (об".)]: СН4 — 82; гомологов — 9, для производства 100 т/сутки глинозема (А120з). Потери теплоты в окружающую среду со­

Р е ш е н и е . Определим массу (кг):

необходимого А1(ОН)3 Ю5*156/102 = 15,3-104 выделившейся за сутки воды 105-б4/102 = 5,3-104

Приход теплоты (кДж) с А1(ОН).3:

15,3 • 104• 0,879 •20 — 2689740 кДж

Расход теплоты (кДж):

по реакции 15.3•104-10э(1676|0 + 3*241,84 — 2 :1243)/156 = 946444 000

Итого расход: 388644000 кДж, потери теплоты в окружающую среду: 388644000*0,05 = 19432200 кДж. Количество теплоты, кото­ рое необходимо восполнить сжиганием газа: 388644000 + + 19432200 — 2689740 = 405386460 кДж.

Объем необходимого для сжигания газа:

405386460/33950= 11940 м3

Пример 17. Рассчитать тепловой эффект реакции получения

в качестве топлива используют коксовый газ примерного состава

54

служащего либо высокосортным топливом, обладающим высокой теплотворной способностью, либо сырьем для химических производств. Реакции полного сгора­ ния составных частей газа:

Избыток кислорода в продуктах сгорания:

1419,6-1,2- 1419,6 = 292 и* или 282-32/22,4 = 403 кг

Общее количество продуктов сгорания: 11173 кг или 8978 м3. Для расчета теплотворной способности 1 м3 газа полукоксо­ вания заданного состава определим мольные доли каждого ком­

29002 кДж. Следовательно, теплотворная способность газа, полу­ ченного при полукоксовании бурого угля, равна 29002 кДж/м3.

Пример 20. Определить количество теплоты, выделяющейся при газификации твердого топлива, если из генератора водяного

56

Р е ш е н и е * . В генераторе идут реакции:

С + Н20 — ► СО + Н* (1); СО + Н ,0 — * С02 4- На (2)

(1) и (2) [см. уравнения (III. 4) и (III. 8)]:

(110,58.10* * 442/22,4) — (242,0 • 10s * 442/22,4) + (393,79«62 • 103/22,4) -

— (110,58 • 62 • 10а/22,4) — (242,0 • 10» • 62/22,4) * — 2 511 477 кДж

Пример может быть решен и другим способом. В 1000 ма газа со­ держится: 380 м3 СО; 500 м3 Н2; 62 ма С02. Для осуществления процесса использовано 500 м3 водяного пара. Количество теплоты:

(380 • Ю9 • 110,58/22,4) + (62 • Ю3 * 393,79/22,4) -

— (500 - 103• 242,0/22,4) = - 2476 000 кДж

Пример 21. В сатуратор, содержащий 130 кг 76% раствора серной кислоты, подается 34 кг газообразного аммиака, барботирующего через раствор. Определить, какое количество теплоты может быть использовано для испарения реакционной воды, если первоначальная температура кислоты и аммиака 25 °С, а потери теплоты сатуратором в окружающую среду равны 9% от общего прихода теплоты.

Р е ш е н и е . Барботаж газов, содержащих аммиак, через серную кислоту применяют для улавливания NHs нз производственных или выхлопных гвэов. в частности при очистке коксового газа от NHs. При этом идет резки и я- H*S044* + 2NH3 * (NH4)2SP4 + <7.

Тепловой эффект реакции:

1 179 300 — (811 300 + 2 .46 190) — 275 620 кДж/кмоль

Количество H2S 0 4 в исходном растворе:

76*130/100 =* 99 кг

Количество теплоты, поступающей с исходными веществами:

(99 * 137 570/98) + (34 * 35 650/34) = 174 596 кДж

Общий приход теплоты: 1,01 «275620-f- 174 596 = 452972. кДж. По­ тери теплоты в окружающую среду: 452972*0,09 — 40767 кДж.

* Сведения о процессе газификации см. в гл. I, пример 6.

57

Следовательно, для испарения воды может быть использовано! 452972 — 40767 = 412205 кДж.

Пример 22. Подсчитать температуру горения мазута состава {% (масс.)]: С — 87; Н2— 10,8; 0 2— 1,0; S — 0,7; N2 — 0,5. Воз­ дух для горения, содержащий в 1 м3 0,015 м8 Н20 , подается с из­ бытком а = 1,36. Мазут и воздух поступают в топку с темпера­ турой 20°С. Общие теплопотери (стенками топки и факелом) равны 6,5% от общего прихода теплоты. Расчет вести на 1 кг ма­ зута.

Р е ш е н и е . Горение идет полностью по реакциям:

СО *f Oj — > СО* (1); На 4- */iOi — > НаО (2): S 4- О2 > SO2 (3)

Низшая теплота сгорания мазута [по формуле (III. 15)]:

393,3 •87 + 1256 • 10,8 - 109 (I — 0,7) - 25,2 (9 • 10,8) = 45297,3 кДж

С учетом а = 1,36 расход кислорода 2,22*1,36 = 3,02 мэ, азота — 3,02*3,76= 11,38 м* и всего воздуха— 14,4 м3 или 14,4*1,2928 = = 18,62 кг. Влагосодержание I кг воздуха:

(0,015/1,2928) (18/22,4) = 0,0093 кг -Н*0

Количество теплоты (кДж)вносимое в топку:

с сухим воздухом [с = 28,35 кДж/(кмоль-°С) при 20 °С] 14,4*28,35*20/22,4 = 364,9 с влагой воздуха [с = 33,71 кДж/(кмоль«°С)) 0,0093 • 33,71 • 20 = 60,7

Определим состав продуктов сгорания 1 кг мазута:

58

Энтальпия этих газов (кДж/кмоль) г

1700 °С 1800«С 1700 °С 1800 °С

зола — 5,5; влага — 5. Коэффициент избытка воздуха а =1,55, От­ носительная влажность воздуха 100%. Сланец и воздух поступают в топку с температурой 25 °С. Теплопотери (теплоотдача через стен­ ки котла и унос теплоты со шлаком) 8% от общего прихода теплоты.

При 25 °С влажность при насыщении 23,1 г/мэ. Расчет вести на 1 кг сланца.

Р е ш е н и е . Горение протекает до конечных продуктов окисле­ ния по реакциям:

С + О* — ► СОа (1); Н2 + ‘/*02 — >■ Н ,0 (2); S + 0 2 — * S02 (3)

В соответствии с формулой (Ш . 15) низшая теплота сгорания слай­ да:

339,3 - 70 + 1256 • 6,5 — 109 (10 — 2) — 25,2 (9 - 6,5 - 5) = 29 650 кДж/кг

При средней теплоемкости сланца 0,78 кДж/(кг*°С) количество теплоты в 1 кг сланца при 25 °С составляет: 0,78-25-1 = 18,2 кДж. Теоретический расход воздуха [по уравнению (111.17)]:

0,116 •70 + 0,348 • 6,5 + 0,0435 (2 — 10) = 10,05 кг или 10,05/1,2928 = 7,77 м3

в том числе 7,77-79/100 = 6,14 м3 N2 и 1,63 м3 Ог. Влагосодержание 1 кг воздуха:

23,1 -7,77/10,05= !7,9 г — 0,0179 кг

Количество теплоты воздуха, поступающее в топку [по формуле (111.18)]:

1,55 -10,05 (1,02 + 1,95 • 0,0179) 25 = 392,8 кДж

59

РАСЧЕТЫ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Пример 24. Рассчитать объем полимеризатора vn и составить тепловой баланс первого полимеризатора (в кДж на 1 т исходного стирола) при коэффициенте заполнения реактора <р3 = 0,65 и ра­ бочем объеме аппарата vP= 1,8 м3.

69