При выполнении проектных исследований основной задачей энергетических расчетов является расчет расходов энергии с определением расходных коэффициентов на единицу массы готовой продукции, расчет поверхности теплообмена, мощности нагревательных устройств и т.п., что необходимо для расчета оборудования.
Тепловой баланс химических процессов составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, а также с учетом подвода или отвода тепла. в общем виде тепловой баланс выражают уравнением:
, | (1.27) |
где QТ, Qж, Qг – тепло, вносимое с поступающими в аппарат твердыми, жидкими, и газообразными материалами; , , – тепло уносимое входящими материалами; Q ф, – тепло выделяемое и поглощаемое при физических процессах; , – тепло экзо- и эндотермической реакций; QF, – тепло, подводимое в аппарат из вне и выводимое из аппарата.
Некоторые из приведенных статей прихода или расхода могут отсутствовать, тогда уравнение (1.27) соответственно упрощается. Например, для реакции
|
|
А + В = С + D – Qp,
протекающей в газовой фазе уравнение теплового баланса принимает вид:
,
где QА, QВ – количество теплоты вносимое в реактор с реагентами А и В; QС, QD – тепло уносимое из реактора с продуктами С и D; – тепло уносимое из реактора с реагентами А и В не вступившими в реакцию; QТХ – тепло эндотермической реакции; QF – тепло подводимое в реакционной массе через теплообменные устройства.
Слайд№19 до, далее Слайд№20.
При этом количество, вносимое в аппарат с реагентами и уносимое из него с продуктами реакции, может быть определено с помощью уравнения:
(1.28) |
Или
, | (1.29) |
где m – масса вещества участвующего в реакции в кг; n – количество вещества участвующего в реакции в молях (кмолях); – теплоемкость вещества, Дж/кг∙гр (Дж/моль∙К); Т – температура в К.
Массы (моли) вещества в этом уравнении берут из материального баланса, температура обычно задана отчетом об исследовательской работе. Теплоемкости находят в справочниках физико-химических величин, а при отсутствии их в справочниках – вычисляют по эмпирических уравнениям.
Для ориентировочных расчетов можно пользоваться практическими данными, согласно которым теплоемкости большинства жидкостей в ккал/кг∙гр составляют 0.4-0.6, а большинства органических соединений равны 0.3-0.4; исключением являются галоидзамещннные углеводороды, теплоемкости которых равны 0.15-0.35 ккал/кг∙гр, а также вода, аммиак и ряд других веществ, о теплоемкостях которых имеются экспериментальные данные.
Тепловой эффект процесса представляет собой суммарное количество тепла, которое выделяется или поглощается при протекании химических реакций и сопровождающих их физико-химических процессов (растворение, испарение и т.д.).
|
|
Тепловые эффекты некоторых химических реакций приведены ниже:
Реакция | ,кДж/моль | Примечание |
C6H6+HNO3=C6H5NO2+H2O | 122,88 | Бензол жидкий |
C6H5NO2+2H2= C6H5NH2+H2O | 468,92 | Нитробензол в виде пара |
C6H5OH+NH3=C6H5NH2+H2O | 11,723 | |
C6H5NO2+HNO3=C6H4(NO2)2+H2O | 107,18 | Нитробензол жидкий |
Слайд№20 до, далее Слайд№21.
При отсутствии данных о значениях теплового эффекта химической реакции его чаще всего определяют по теплотам образования, используют для этих целей закон Гесса, математическая интерпретация которого имеет вид:
(1.30) | |
, |
где - тепловой эффект химической реакции в стандартных условиях, кДж/моль; - сумма теплот образования веществ, образующихся при химическом взаимодействии; - сумма теплот образования исходных веществ, вступающих в химическое взаимодействие.
Значения энтальпийных эффектов химических реакций зависят от температуры и давления, при которых проводятся реакции. При относительно невысоких давлениях влиянием его обычно пренебрегают.
Влияние температуры на величину энтальпийного эффекта выражается законом Кирхгофа:
. | (1.31) |
Если разность температур невелика, то можно принять среднее значение разности теплоемкости веществ участников реакции постоянной.
Тогда
. | (1.32) |