плової енергії. Прихід теплової енергії визначається термохимическим процесом нітрування бензолу, процесом розбавлення сірчаної кислоти і підігрівом реакційної суміші до температури t 2 :
(1.19)
В
Тепловий ефект реакції нитрования бензолу ( Q 1 ) визначається за наступним рівнянням: (1.20)
де q 1 - питома теплота реакції нітрування, кДж/моль;
n 4 - кількість молей нітробензолу, моль,
В
Для визначення виділилася теплової енергії при розведенні сірчаної кислоти, запишемо можливі шляху розбавлення сірчаної кислоти водою:
- шлях 1,
- шлях 2,
- шлях 3.
У реактор потрапляє готовий розчин сірчаної кислоти, в якому вода знаходиться у зв'язаному стані. Енергія, вивільнена при отриманні розчину, не повинна враховуватися при розведенні в ході процесу нітрування. Передбачається, що розбавлення вихідного розчину сірчаної кислоти протікало по першому рівнянню (шлях 1), тобто розбавлення йшло при однаковому мольному співвідношенні вихідних речовин. Враховуючи це, кількість сірчаної кислоти пов'язаної з водою одно кількістю води пов'язаної з сірчаною кислотою, звідси:
В
Де кількість сірчаної кислоти пов'язаної з водою, моль.
Кількість молей сірчаної кислоти ( n 3 ), надходить на розведення, відповідно з матеріальним балансом виробництва та обліком початкового розбавлення визначається за виразом:
В
Де мольна маса H 2 SO 4 , кг/кмоль, 98 кг/кмоль.
Кількість молей води ( n Н2О ) для розбавлення відповідає масі води, отриманої в ході реакції, і надходить з розчином азотної кислоти:
В
З отриманого мольного співвідношення води і сірчаної кислоти, видно, що кількість води в три раз більше, ніж сірчаної кислоти, тому розбавлення може розглядатися по реакціях 2 або 3 (шлях 2 і 3). Розрахуємо кількість гідратів, що утворилися при розведенні, з двома і чотирма приєднаними молямі води:
або br/>
Де x - кількість молей H 2 SO 4 по реакції 2, моль;
Y - кількість молей H 2 SO 4 по реакції 3, моль.
Вирішуючи систему рівнянь, отримаємо наступне:
В
Теплота ( Q 2 ), отримана в результаті розбавлення сірчаної кислоти, визначається як сума теплоти при розведенні по 2 і 3 шляхи:
(1.21)
Де 41,92 і 54,06-питома теплота розбавлення, відповідно по реакції 2 і 3, кДж/моль.
Витрати енергії на підігрів реакційної суміші можуть компенсуватися тепловиділенням в ході безперервного виробництва. У цьому випадку ці витрати енергії включаються тільки в видаткову частина енергетичного балансу. У даному прикладі приймається, що виробництво працює періодично і при запуску ці витрати енергії не можуть бути компенсовані тепловиділенням. Тому вони включаються також і в прибуткову частина енергетичного балансу.
Підігрів реакційної суміші від t 1 до t 2 , визначається кількістю теплової енергії, витраченої в одиницю часу, на нагрівання її компонентів:
(1.22)
В В
Де М i - маса вихідних продуктів ( М 1 , М 2 , М 3 ), кг;
З i - питома теплоємність вихідних речовин ( C 1 , C 2 , З 2 ), кДж/(кг В· Вє С),
t 1 і t 2 - відповідно, початкова температура реакційної суміші і температура реакції, В° С.
Витрата теплової енергії. Вихідний потік теплової енергії показує розподіл вхідного потоку теплової енергії залежно від виробничих потреб. У даному прикладі, вхідний потік теплової енергії витрачається на технологічні потреби (здійснення хімічного процесу) і компенсацію теплових втрат у навколишнє середовище. Слідуючи цьому, запишемо рівняння вихідного теплового потоку для виробництва нітробензолу:
(1.23)
Корисна теплова енергія, яка використовується для здійснення процесу отримання нітробензолу, визначається кількістю теплової енергії витраченої на підігрів реакційної суміші:
(1.24)
Теплові втрати ( Q 4 ), за умовою нормовані від приходу теплової енергії, розраховуються за формулою
(1.25)
Теплова енергія ( Q 5 ), надходить систему охолодження, визначається з основного рівняння теплового балансу (1.18):
В
(1.26)
В
Зрозуміло, що порівнювати енергетичні потоки немає необхідності, так як рівняння (1.26) розкриває взаємозв'язок між компонентами приходу і витрати енергії в системі. У такому випадку потрібно лише ретельний підрахунок...
