Рассчитаем расходную часть теплового баланса

3.2 Рассчитаем расходную часть теплового баланса

Определим количество тепла, которое выходит из реактора с продуктами реакции:

;

;

где Срj – изобарные теплоемкости исходных реагентов;

G_j – мольный поток j-того реагента;

Т_j – температура исходных реагентов.

а) рассчитаем для циклогексанона:

 

 

б) рассчитаем для воды:

 

 

в) рассчитаем для циклогексанола:

 

 

г) рассчитаем для непрореагировавшего циклогексана:

д) рассчитаем для непрореагировавшего кислорода:

 

 

е) рассчитаем для бензола:

 

 

ж) рассчитаем для азота:

 

 

Определим количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры химической реакции:

;

а) рассчитаем для циклогексана:

 

 

б) рассчитаем для кислорода:

 

 

в) рассчитаем для бензола:

 

 

г) рассчитаем для азота:

 

 

.

Определим тепловые потери в ходе реакции:

 

 .

Определим тепловую нагрузку на реактор:

 

 

Так как Q_F > 0, тепло надо нужно подводить, это значение ставиться в приход теплового баланса.

Полученные данные сводим в таблицу теплового баланса:

Таблица 6. Тепловой баланс

Приход			Расход
Тепловой поток		%	Тепловой поток		%
	70089,98	39,40		133202,082	74,88
	68567,33	22,05		32208,3592	18,10
	39232,2891	38,55		12479,1579	7,02
Итого:	177889,5991	100	Итого:	177889,5991	100

Определим поверхность теплообмена:

 

 

Вывод: Таким образом, в результате проведенного расчета теплового баланса установили что данная реакция экзотермическая (т.к. >0) идет с выделением тепла. Для поддержания заданной температуры тепло необходимо подводить в количестве Q_F=39232,2891 . Процент подводимого тепла невысокий, значит мы можем предположить что температура для данного процесса выбрана оптимальная.

Проведя расчеты теплового баланса также мы определили количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры реакции  ; количество тепла на входе в реактор  ; количество тепла на выходе из реактора  ; тепловые потери  ; поверхность теплообмена  .

IV. Термодинамический анализ основной реакции

При проектировании технологических процессов важное место занимают термодинамические расчеты химических реакций.

Цель термодинамического анализа заключается в определении принципиальной возможности проведения химической реакции в данных условиях, в выборе условий проведения процесса.

Задание: Для основной реакции необходимо рассчитать константу равновесия по термодинамическим данным (тепловой эффект реакции, изменение энтропии, свободную энергию Гиббса (изобарно-изотермический потенциал)).

Дано:

 

Таблица 7. Термодинамические свойства веществ – участников реакции

Вещество				Ср = f(Т)
				а	в*103	c*106	c’*10-5
С6Н12	-123,1	298,2	106,3	51,72	598,8	-230,0	–
О2	0	205,04	29,37	31,46	3,39	–	-3,77
С6Н10О	-198	296	–	3,08	565	300	–
Н2О	-241,81	188,72	33,61	30,00	10,71	–	0,33

Таблица 8. Данные термодинамического расчета

Т, ºС	40	90	140	190	240	290	340	390	440	490	540
К	313	363	413	463	513	563	613	663	713	763	813

Рассчитаем тепловой эффект реакции при атмосферном давлении в заданном температурном интервале.

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем изменение энтропии при атмосферном давлении в заданном температурном интервале:

Рассчитаем изменение изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса) в заданном температурном интервале:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем логарифм константы равновесия в заданном температурном интервале используя уравнение изотермы Вант-Гоффа:

Рассчитаем константы равновесия в заданном температурном интервале:

Полученные данные сведем в таблицу:

Таблица 9. Зависимость термодинамических функций от температуры

Т, К				ln Kp	Кр
313	-316788,5328	-18,78	-310910,3928	119,4761
363	-316578,3304	-18,18	-309978,9904	102,7107
413	-315523,5650	-15,49	-309126,1950	90,0276
463	-313477,5833	-10,83	-308463,2933	80,1332
513	-311452,4869	-4,34	-309226,0669	72,5018
563	-305850,4960	3,92	-308057,4560	65,8132
613	-299995,0714	13,87	-308497,3814	60,5314
663	-292597,8560	25,45	-309471,2060	56,1431
713	-283524,4650	38,63	-311067,6550	52,4753
763	-272641,0077	53,37	-313362,3177	49,3983
813	-259813,9353	69,64	-316431,2553	46,8143

4.7. На основании полученных данных построим графики:

Рис. 1. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры.

Рис. 2. Зависимость энтропии реакции от температуры.

Рис. 3. Зависимость энергии Гиббса от температуры.

Рис. 4. Зависимость логарифма константы равновесия от обратной температуры.

 

613 – -299995,0714

х– -299304

 К

Выводы: Рассчитав термодинамические величины, получили:

1) Реакция является экзотермической на всем температурном интервале, т.к. .

2) Для проведения процесса оптимальной считается температура 339⁰С (612 К).

3) С увеличением температуры изменение энтропии в ходе процесса увеличивается.

4) На всем температурном интервале , следовательно, реакция идет самопроизвольно.

5) Кр>>1, следовательно, реакция смещена в прямом направлении (в сторону образования продуктов), т.к. Кр больше 10²⁰ реакция является необратимой.

V. Расчет константы равновесия и равновесного состава реагирующих веществ

Для количественной оценки интенсивности работы различных аппаратов и для технологического расчета производственных процессов используют константу скорости процесса.

Скорость процесса определяет производительность аппарата.

Константа скорости химической реакции представляет собой сложную величину, которая зависит не только от химических свойств реагирующих веществ, но и от их физических характеристик, конструкции аппарата, гидродинамических условий проведения процесса, диффузии реагирующих веществ и продуктов реакции.

Задание: По основной реакции и вычисленной константе равновесия в заданном температурном интервале рассчитать равновесный состав реакционной массы.

Дано:

 

Рассчитаем константы равновесия в заданном температурном интервале используя уравнение изотермы Вант-Гоффа:

Выразим константы уравнения через парциальные давления:

Выразим парциальные давления веществ, участвующих в реакции, через мольные дли вещества:

Чтобы найти мольные доли веществ составим таблицу молей веществ в состоянии равновесия:

Таблица 10. Мольные доли веществ в состоянии равновесия

Исходная смесь	0,26	0,52	–	–
Образовалось	–	–	х	х
Израсходовалось	х	х	–	–
Осталось в состоянии равновесия	0,26-х	0,52-х	х	х

Полученные значения мольных долей подставляем в уравнение константы равновесия:

х=0,26

Отсюда находим значение мольных долей:

Вывод: Таким образом, в ходе проведенных расчетов установили, что в момент равновесия мольная доля вещества составляет  (т.е. циклогексан полностью израсходовался), , , . Из этих данных видно, что равновесие смешено в сторону прямой реакции, и практически полностью израсходованы вещества.

VI. Эмпирический расчет теплот сгорания и образования веществ

 

Задание: Данный пункт рассчитываем для веществ участников основной реакции. Из данных материального баланса выбрать три органических вещества и рассчитать теплоты сгорания по Коновалову и Карашу и определить наиболее точный метод расчета для конкретного вещества. Для этих же веществ рассчитать теплоты образования по энергиям связи. Дано:

Основная реакция

Побочная реакция