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.