Энергетические (тепловые) балансы химических процессов

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 Q_Т, Q_ж, Q_г – 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; Q_F,   – 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 – Q_p,

протекающей в газовой фазе уравнение теплового баланса принимает вид:

,

где Q_А, Q_В – количество теплоты вносимое в реактор с реагентами А и В; Q_С, Q_D – тепло уносимое из реактора с продуктами С и D;  – тепло уносимое из реактора с реагентами А и В не вступившими в реакцию; Q_ТХ – тепло эндотермической реакции; Q_F – 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)