книги / Общая химическая технология

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

О.А. Федотова, А.Р. Кобелева, Г.Е. Тюленёва

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2019

УДК 661.2/.68 Ф34

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор С.В. Островский (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук В.В. Вахрушев (ООО «Новый дом», ТМ «ПалИж», г. Ижевск)

Федотова, О.А.

Ф34 Общая химическая технология : учеб.-метод. пособие / О.А. Федотова, А.Р. Кобелева, Г.Е.Тюленева. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. – 50 с.

ISBN 978-5-398-02223-0

Приведены методики расчета материальных и тепловых балансов химико-технологических процессов. Рассмотрены примеры расчетов на конкретных процессах.

Представлены методики проведения термодинамического анализа химико-технологических процессов с рекомендациями по оптимизации технологических параметров. Рассмотрены примеры расчетов простого и сложного химического равновесия.

Предназначено для студентов бакалавриата по направлению 18.03.01 «Химическая технология».

УДК 661.2/.68

2

3

Раздел 1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

1.1. Методика расчета материального и теплового балансов

Основой технологических расчетов являются материальные и тепловые балансы, которые позволяют определить выход и состав основного и побочных продуктов, расходные коэффициенты по сырью и энергии, рассчитать реакционные объемы аппаратов.

Основное уравнение материального баланса – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества:

где Мж , Мт , Мг – массы жидкой, твердой и газовой фаз, используемых в процессе или приходящих в реактор с сырьем; Мж , Мт, Мг –

массы жидкого, твердого и газообразного продуктов реакции. Левая часть уравнения, называемая приходом, должна быть рав-

на правой части – расходу. Поскольку в промышленности обычно перерабатывается природное и техническое сырье, содержащее примеси, состав жидкой, твердой и газовой фаз, входящих в уравнение, является сложным.

Материальный баланс составляют по уравнению основной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. В зависимости от имеющихся исходных данных возможны различные единицы расчета материального баланса: на единицу массы (объема) ценного сырья (на 1000 кг руды, на 1000 м3 газа), на единицу массы целевого продукта (кг, т), на единицу времени (м3/с, кг/ч, т/сут).

При расчете материального баланса обычно задается фактическая степень превращения или выход продукта по промышленным данным или по результатам исследования. С учетом этих показателей по уравнениям химических реакций можно рассчитать массы входящих и выходящих веществ, сгруппировать их по фазам, а затем

4

определить вещественный состав каждой фазы на входе и на выходе из реактора в процентах.

Если в технологическом процессе участвуют только газовые смеси, то их состав обычно задается в объемных процентах. В этом случае расчет материального баланса можно проводить в единицах объема (м3). Но так как при протекании газовых реакций часто происходит изменение числа молей, то объем исходных сырьевых компонентов не будет равен объему продуктов реакции.

Подтверждением правильности расчета материального баланса является равенство масс исходных реагентов и продуктов, т.е. прихода и расхода. Чтобы составить материальный баланс в единицах массы, необходимо пересчитать состав газовой смеси из объемных процентов в массовые проценты.

Например, основными компонентами воздуха являются азот (79 об. %) и кислород (21 об. %). При нормальных условиях в любой газовой смеси состав, выраженный в объемных процентах и в мольных процентах, одинаков. Следовательно, 100 мольвоздухаимеютмассу

M 28 79 32 21 2884 кг.

Отсюда можно определить массовую долю азота и кислорода в воздухе:

где Mr – молекулярная масса вещества; ω – объемная доля компонента в смеси.

По данным расчета материального баланса оценивают расходные коэффициенты по сырью и материалам.

Материальный баланс служит основой для расчета теплового (энергетического) баланса, выражающего закон сохранения и превращения энергии, т.е. равенство значений суммарного прихода и суммарного расхода тепла.

5

Уравнение теплового баланса в общем виде можно записать следующим образом:

Qж Qт Qг Qx Qф Qподвод

гдеQж , Qт , Qг – тепло, приносимое жидким, твердым и газообразным сырьем; Qж , Qт , Qг – тепло, уносимое выходящими продуктами и непрореагировавшим сырьем в жидком, твердом и газообразном виде; Qx , Qх – тепло, выделяющееся в результате протекания экзотермических реакций, и тепло, поглощаемое в результате протекания эндотермических реакций (теплота химического превращения); Qф,

Qф – теплота фазовых превращений, протекающих с выделением и с поглощением тепла; Qпот – потери тепла в окружающую среду;

Qподвод – тепло, вводимое в процесс извне; Qотвод – тепло, отводимое с помощью хладоагентов.

Каждая из указанных статей прихода и расхода тепла может быть рассчитана для конкретного процесса на основе данных материального баланса и принятых или заданных температур материальных потоков на входе и на выходе из реактора с учетом протекающих в этом процессе химических и фазовых превращений.

Для расчета тепла входящих и выходящих из реактора материальных потоков в жидком, твердом и газообразном состоянии используют формулу:

где Qж, т, г – теплота соответствующего материального потока, кДж; Mж, т, г – масса жидкой, твердой и газовой фаз, кг (т); Cж, т, г – тепло-

емкости индивидуальных веществ в жидком, твердом или газообразном состоянии, отнесенные к единице массы вещества, кДж/(кг·°С); tж, т, г – температура входящих или выходящих потоков, С.

6

Поскольку в состав каждой фазы может входить несколько веществ с различной теплоемкостью, расчет теплоты материального потока, например, для твердой фазы следует проводить по формуле:

где Mi , Ci – масса (кг) и теплоемкость (кДж/(кг·°С)) каждого i-го

вещества, входящего в состав твердой фазы.

Тепловые потоки жидкой и газовой фаз рассчитываются аналогично. Для этих гомогенных фаз можно также найти среднюю теплоемкость на единицу массы фазы, учитывая, что каждое вещество фазы вносит в значение теплоемкости долю, пропорциональную его массовому содержанию в фазе:

где mi – массовая доля каждого i-го вещества, входящего в состав фазы; Сi – теплоемкость каждого i-го вещества, входящего в состав фазы, кДж/(кг·°С).

Таким образом, тепловой поток жидкой или газовой фазы можно рассчитать с учетом общей массы фазы по формуле:

Для расчета теплоты химического превращения Qх вначале рассчитывают изменение энтальпии при протекании химической реакции на основе теплот образования из элементов всех веществ, участвующих в реакции, с учетом стехиометрических коэффициентов:

где H2980 прод , H2980 исх. в-ва – теплоты образования продуктов реак-

ции и исходных веществ соответственно.

Тепловой эффект реакции равен по абсолютной величине и противоположен по знаку изменению энтальпии реакции, т.е.

Qх.р ( Н2980 )х.р.

7

Если тепловой эффект химической реакции положительный (Qх.р 0), то реакция экзотермическая. Тепло, выделяющееся в ре-

зультате химического превращения, должно быть учтено в приходе. Если тепловой эффект химической реакции отрицательный (Qх.р 0), реакция эндотермическая. Тепло, поглощаемое в результа-

те химического превращения, должно учитываться как статья расхода тепла.

Величина теплового эффекта, полученная при расчете изменения энтальпии реакции, относится к определенному числу молей одного из участников реакции в соответствии со стехиометрическими коэффициентами уравнения. Обычно этот тепловой эффект относят к числу молей ценного компонента сырья либо к числу молей целевого продукта.

Для того чтобы включить тепловой эффект химического превращения в расчет теплового баланса, сначала определяют удельный тепловой эффект, т.е. количество тепла, выделяющееся (поглощаемое) на единицу массы одного из участников реакции. При выражении материальных потоков в единицах массы удельный тепловой эффект можно рассчитать по формуле:

гдеqх.р – удельный тепловой эффект химической реакции, кДж/кг; Qх.р – тепловой эффект химической реакции, кДж; n – число молей

одного из веществ, участвующих в реакции; Mr – молекулярная масса этого вещества, г.

Из данных материального баланса известно количество прореагировавшего или образовавшегося вещества, на единицу массы которого определен удельный тепловой эффект. Следовательно, теплоту химического превращения можно определить по формуле:

где М – масса прореагировавшего или образовавшегося вещества, кг.

8

Теплоту фазового превращения Qф необходимо учитывать, если

при протекании химико-технологического процесса происходит изменение агрегатного состояния веществ (абсорбция – десорбция, растворение – кристаллизация, плавление – отвердевание, испарение – конденсация).

Для приближенной оценки теплоты фазового перехода можно рассчитать изменение энтальпии, записав процесс фазового превращения подобно уравнению химической реакции. Теплоты образования из элементов какого-либо соединения в различном агрегатном состоянии необходимо найти в справочниках термодинамических свойств веществ.

Например, для расчета теплоты конденсации фтороводорода записываем процесс в виде уравнения: НF(пар) НF(ж) .

Находим в справочнике [2] стандартные значения теплоты образования из элементов фтороводорода в парообразном и жидком состояниях:

Изменение энтальпии при конденсации фтороводорода рассчитываем как разность теплот образования из элементов продукта конденсации и исходного газообразного вещества:

H2980 ф.п H2980 прод H2980 исх. в-ва =

= (–299,5) – (–270,4) = –29,1 кДж/моль HF.

Тепловой эффект фазового перехода равен изменению энтальпии этого процесса с обратным знаком, т.е.

Qф.п ( Н2980 )ф.п 29,1 кДж/моль HF.

Для тепловых расчетов необходимо пересчитать величину теплового эффекта на единицу массы вещества. Удельный тепловой эффект фазового перехода

9

Зная массу вещества, изменившего агрегатное состояние (из материального баланса), можно рассчитать статью прихода (расхода) тепла, связанную с фазовым переходом:

Следует отметить, что переход любого вещества из менее конденсированного состояния в более конденсированное (абсорбция, кристаллизация, конденсация) обычно сопровождается выделением тепла (+ q ф.п ). Обратный процесс перехода из более конденсирован-

ного состояния в менее конденсированное (десорбция, растворение, испарение) происходит с поглощением тепла (– q ф.п ). Значения теп-

ловых эффектов взаимно-обратных процессов равны по абсолютной величине и противоположны по знаку.

Потери тепла в окружающую среду можно принять в виде некоторой доли (5–8 %) от общего прихода или расхода тепла.

После расчета всех известных статей прихода и расхода тепла определяют суммарную величину прихода и расхода. Согласно закону сохранения энергии общий приход тепла должен быть равен расходу. При протекании эндотермических высокотемпературных процессов обычно общий приход тепла меньше расхода. Недостаток тепла в приходе нужно компенсировать путем подвода его теплоносителем:

При осуществлении экзотермических процессов с большим выделением тепла часто общий приход тепла больше суммы всех известных статей расхода. В этом случае избыток тепла необходимо отвести с помощью какого-либо хладоагента или использовать для нагревания какого-либо материального потока, для получения пара и т.д. В расходной части уравнения теплового баланса появляется статья отвода тепла:

10