Приход тепла

Так как Q_прих. = Q_i  Q_r  Q_ф.

1.Определим количество тепла, которое поступает в реактор с исходными реагентами (уравнение 4.2):

температура исходных реагентов в К: Т_i = 88 + 273 = 361 К.

1.1.Определим количество тепла, которое поступает в реактор с этиленом:

Ср_С2Н4 = 4,196 + 154,5910^-3  361 – 81,0910^-6 361² = 49,43 Дж/мольК,

Q_С2Н4 = 0, 47  49, 43 361 = 8530 кДж/мин.

1.2. Определим количество тепла, которое поступает в реактор с азотом:

Cр_N2 = 27,88 + 4,2710^-3  361 = 29,42 Дж/мольК,

Q_N2 = 29, 42  361  6, 48 = 68912 кДж/мин.

1.3. Определим количество тепла, которое поступает в реактор с кислородом:

Ср_О2 = 31,46 + 3,3910^-3  361 - = 29,98 Дж/мольК,

Q_О2 = 29,98  361  1, 73 = 20349 кДж/мин.

Суммарное количество тепла, которое поступает в реактор с исходными реагентами:

= 8530 + 68912 + 20349 = 97792 кДж/мин.

2.Определим количество тепла, выделяющееся в результате химического превращения.

2.1. Рассчитаем тепловой эффект химических реакций при температуре Т_j = 418 К пользуясь уравнениями (4.5-4.9).

Основная реакция:

∆Н⁰_r,₂₉₈ = -166000 – 52280 = - 218280 Дж/моль,

∆а =13 -0,5  31,46 – 4,196 = - 6,926,

∆в = (153,5 – 3,39  0,5 – 154,59)  10^-3 = - 2,785*10^-3 ,

∆с = (-53,7 + 81,09) 10^-6 = 27,3910^-6 ,

∆с^/ = -1,885,

∆Н_r,418 = - 218280 + (-6,926)  (418 – 298) - + - 1,885 = -218156 Дж/моль.

Первая побочная реакция:

∆Н⁰r,₂₉₈ = -431800 – 52280 = -484080 Дж/моль,

∆а = -11,2 – 31,46 – 4,196 = -46,856,

∆в = (310,8 – 3,39 – 154,59) 10^-3 = 152,82*10^-3 ,

∆с = (-244,7 + 81,09) 10^-6 = -163,61*10^-6 ,

∆с^/ = -3,7710⁵ ,

∆Н_r,₂₉₈ = -484080 – 46,856 (418-298) + 152,8210^-3* - 163,61*10^-6 *(418³-298³) – 3,7710⁵ = -483828 Дж/моль.

Вторая побочная реакция:

∆Н⁰_r,₂₉₈ = -2  393510 – 2  241810 – 52280 = -1322920 Дж/моль,

∆а = 2  30 + 2  44,14 – 3  31,46 - 4,196 = 58,096,

∆в = (2  10,71 + 2  9,04 – 3  3,39 – 154,59) 10^-3 = -125,2610^-3,

∆с = 81,0910^-6,

∆с^/ = (2  0,33 – 2  8,54 + 3  3,77) 10⁵ = -5,1110⁵ ,

∆Н_r,₂₉₈ = -1322920 + 58,096 (418-298)-125,2610^-3 + 81,0910⁶ -5,1110⁵ = - 1319578 Дж/моль.

Тогда тепло, которое выделяется в результате каждой реакции, будет равно:

Q_r^/ = -(-218156,043) 0,39 = 85386 кДж/мин,

Q_r^// = -(-483828,7267)  0,03 = 12773 кДж/мин,

Q_r^/// = -(-1319578,557)  0,08 = 116122 кДж/мин.

Суммарное количество тепла, выделяемое в ходе химической реакции:

85386 +12773 +116122 = 214282 кДж/мин.

реакция экзотермическая, его значение ставим в приход теплового баланса.

3.Так как при данной температуре не происходит фазовое превращение, то Q_ф = 0

Расход тепла

4. Определим количество тепла, требуемое для нагревания исходных реагентов до температуры реакции по уравнению (4.11).

Так как температура реакции на входе в реактор отличается от температуры в зоне реакции, то теплоемкость веществ участников реакции рассчитаем при средней температуре:

Т_ср = = 389,5 К.

4.1.Определим количество тепла, которое необходимо для нагрева этилена до температуры реакции:

С _рС2Н4 = а + вТ_ср + сТ_ср² = 4,196 + 154,5910^-3  389,5 – 81,0910^-6 389,5² = 52,10 Дж/мольК,

Q_С2Н4 = 0,47  52,10  (418-361) = 1419 кДж/мин.

4.2.Определим количество тепла, которое необходимо для нагрева азота до температуры реакции:

С р_N2 = 27,88 + 4,2710^-3  389,5 = 29,54 Дж/мольК,

Q_N2 = 29,54 6,48  57 = 10925 кДж/мин.

4.3.Определим количество тепла, которое необходимо для нагрева кислорода до температуры реакции:

С _рО2 = 31,46 + 3,3910^-3  389,5 - = 30,30 Дж/мольК,

Q_О2 = 30,30  57  1,73 = 3466 кДж/мин.

Суммарное количество теплоты, которое необходимо для нагрева исходных реагентов до температуры реакции:

= 1419 +10925 +3466 =14812 кДж/мин.

5. Количество тепла, которое выходит из реактора с продуктами реакции при температуре T_j = 418 K, рассчитываем по уравнению 4.12.

5.1. Количество тепла, которое выходит из реактора с ацетальдегидом:

Ср_СН3СНО = а + в Т + с Т² = 13 + 153,5 10^-3  418 – 53,7 10^-6  418² = 67,78 Дж/мольК,

Q_СН3СНО = 67,78  418  0,3914 = 11089 кДж/мин.

5.2. Количество тепла, которое выходит из реактора с уксусной кислотой:

Ср_{СН3СООН}. = -11,2 +310,8 10^-3  418 – 244,7 10^-6  418² = 75,95 Дж/мольК,

Q_{СН3СООН}. = 75,95  418  0,0264 = 838 кДж/мин.