Расчёт материальных балансов

 

Пример 1. Составьте материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком на 1т нитра­та аммония, (аммиачной селитры). Концентрация азот­ной кислоты 55%, газообразного аммиака—100%, нитрата аммония—85%. Потери-аммиака и азотной кислоты—1%.

Решение. Нитрат аммония получают по реакции нейтрализации:

NH₃.+ HNO_s=NH4NO3 + Q_P.

Молекулярные массы M_r(NH3)=17, M_r(HNO3)=63, M_r(NH4NO3)=80

Рассчитываем приход. В. соответствии с уравнением 1а на 1 кмоль NH₃ образуется 1 кмоль NH₄N0₃. Масса аммиака, необходимая для производства 1 т NH₄NO₃ (100%):

A_T

 

С учетом потерь производства:

 

A_пр=212,5·1,01=214,6 (кг)

 

Определяем массу азотной кислоты (100%-ной), необходимой для производства 1т NH₄NO₃ (A_T):

 

А_Т

 

Определяем А_пр-массу азотной кислоты с учетом потерь производства и концентрации HNO₃:

 

А_пр=

 

С азотной кислотой поступает вода:

 

1446,2-795,4=640,8(кг)

 

 

Общая масса реагентов, поступивших на нейтрализацию:

 

214,6+1446,2=1660,8(кг)

 

Определяем расход 85%-ного раствора нитрата аммония, получается:

 

1000:0,85=1176,47(кг).

Потери HN₃ составляют:

 

795,-787,5=7,9(кг)

Масса испарившейся воды (соковый пар) составляет:

 

1660,8-(1176,47+2,1+7,9)=474,33(кг)

Результаты расчётов сведены в таблицу.

Таблица 2

Материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком

Приход	Расход
Исходное вещество	m,кг	Продукт	m,кг
HNO3 H2O NH3	795,4 650,8 214,6	NH4NO3 (в пересчёте на 100%) H2O (соковый пар)   Потери NH3 Потери HNO3	176,47 474,63 2,1 7,9
Итого	1660,8		1660,8

Пример 2. Составьте упрощенный материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена. Состав исходной парогазовой смеси (в % по объёму): этилен – 60, водяной пар – 40. Степень гидратации этилена – 5%.Расчет вести на 1 т этилового спирта. Побочные реакции и давление не учитывать.

Решение. Получение этилового спирта прямой гидратацией этилена осуществляется при температуре 560К и давлении 80·10⁵Па по реакции, протекающей по уравнению

CH₂=CH₂+H₂O↔C₂H₅OH+Q_р

Молекулярные массы: M_r(C2H4)=28, M_r(H2O)=18, M_r(C2H5OH)=46

Приход. Определяем теоретический расход этилена:

 

А_Т

Тогда практический расчёт этилена с учетом степени превращений составит:

608,7:0,05=12174(кг) или (м³).

Находим объём водяного пара в парогазовой смеси:

(м³) или (кг)

Расход. Определяем, сколько водяного пара израсходовано на гидратацию:

9739,3·0,05=486,97(м³)

Находим избыток водяного пара (проскок):

6492,8-486,97=6005,8 (м³) или (кг)

Рассчитываем массу непрореагировавшего этилена:

12174-608,7=11565,3 (кг) или (м³).

Полученный данные сводим в таблицу.

 

Таблица 3

Материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена

Приход	Расход
Исходное вещество	m,кг	V,м^3	Продукт	m,кг	V,м^3
Этилен Водяной пар	5217,5	9739,3 6492,8	Этиловый спирт Непрореагировавший этилен Избыток водяного пара	11565,3   4826,92	486,95   9252,3   6005,8
Всего	17391,5	16231,6	Всего	17391,5	15745,05

 

Расчёт тепловых балансов

Пример 1. Один из методов получения ацетилена – термоокислительный крекинг (пиролиз) метана. Вычислите стандартную теплоту этой реакции при температуре 298К.

Решение. Схема реакции термоокислительного пиролиза метана:

11CH₄+5O₂→2C₂H₂+6CO+18H₂+CO₂+2H₂O

Рассчитаем ΔН реакции пиролиза. Энтальпию образования вещества, участвующих в реакции, найдём в таблицах.

ΔН^○ кДж/моль: CH₄-(-74,85); C₂H₂-226,75; CO – (-110,5); CO₂-(-393,51); H₂O - (-241,84); O₂ – 0; H₂ – 0.

ΔН _р= 2 • 226,75+6 (—110,5) + (—393,51) + 2(—241,84)—11(—74,85)=

= -263,34 (кДж/Моль).

Так как ΔН= - Q_р , Q_р=263,34 кДж/моль.

 

Пример 2. Рассчитайте теплоту, выделяющуюся при образовании 100 кг метилового спирта из СО и Н₂. Энтальпия образования (в кДж/кмоль) составляет: СО - 110 583; Н₂ — 0, метилового спирта — 201 456.

Решение. Образование метилового спирта из СО и Н₂ протекает по реакции, выражаемой уравнением:

СО + 2H₂↔СН₃ОН + Q_р,

где Q_p — тепловой эффект реакции.

Так как Q_P= -ΔН,

где ΔН — энтальпия реакции синтеза метанола, рассчи­таем ΔН:

ΔН = -201455- (- 110683) = -90772 (кДж/кмоль).

Таким образом, Q_p=90772 кДж/кмоль.

Рассчитаем теплоту, выделяющуюся при образова­нии 100 кг метилового спирта:

Q= (кДж)

Где 32 – молекулярная масса метилового спирта в кг.

 

Составьте тепловой баланс реактора син­теза этилового спирта, где протекает реакция

СН₂=СН₂ + Н₂О↔ С₂Н₅ОН + Q_p (Q_p=46090 кДж/кмоль),

если исходный газ имеет состав: 40%. Н₂О и 60% С₂Н₄, скорость его подачи в реактор-гидрататор 2000 м³/ч, температура на входе 563K, а на выходе из реактора 614К, конверсия за проход этилена 5%. Теп­лоемкость продуктов на входе и выходе одинакова и равна 27,1 кДж/кмоль. Побочные процессы и продукты не учитывать. Потери теплоты в окружающую среду принимаем 3% от прихода теплоты.

Решение. Находим состав исходного газа:

V(C₂H₄)=2000*0,6= 1200 м³;

V(H₂О)=800-1200*0,05=740 м³;

Определяем состав газа на выходе из реактора:

V(C₂H₄)=1200-1200*0,05= 1140 м³;

V(H₂О)=800-1200*0,05=740 м³;

V(C₂H₅ОН)= 1200*0,05=60 м³.

Находим суммарный объем газа (на выходе из реакто­ра):

V= 1140+740+60=1940 м³.

Тепловой баланс: Q₁+Q₂=Q₃+Q₄

Рассчитываем приход теплоты. Физическая теплота
газа:

Q₁=2000/22,4*27,1*290 = 701696,5 кДж.

 

Теплота реакции:

Q₂=2000/22,4*0,6*46090*0,05=123460 кДж.

___________

Всего: ∑Q_{прихода}=825156,5 кДж.

 

Определяем расход теплоты. Теплота, уносимая отходящими газами:

Q₃=1940/22,4*27,1*341 = 800345,4 кДж.

Q₄=825156,5*0,03 = 24754,7 кДж.

___________

Всего: ∑Q_{расхода}=825100,1 кДж.

 

Процесс идет с небольшим выделением теплоты.