Задача
Рассчитать и сделать анализ материального и энергетического балансов производства нитробензола по технологии представленной на рисунке. Оценить масштаб антропогенной нагрузки на окружающую среду (рис. 4).
Рис. 4 - Схема процесса получения нитробензола
Реакция получения нитробензола (С6H5NO2) протекает в присутствии серной кислоты (H2SO4) и избытке бензола (С6Н6) из расчета 1 кмоль бензола на 0,95 кмоль азотной кислоты (HNO3):
.
Азотная и серная кислоты поступают в виде растворов с массовыми концентрациями 2 и 3. Концентрация серной кислоты в течение процесса получения нитробензола уменьшается до величины 6. Вода, образующаяся в ходе реакции и поступающая с раствором азотной кислоты, уменьшает концентрацию серной кислоты в растворе.
Введение исходных продуктов в систему и выведение из нее продуктов реакции осуществляется при температуре окружающей среды t1. Реакция получения нитробензола протекает при температуре t2 > t1 с эффективностью, которая определяется выходом реакции.
В процессе смешения реагентов происходит выделение тепловой энергии при взаимодействии бензола с азотной кислотой и в результате разбавления серной кислоты реакционной водой и водой, поступающей с исходными реагентами. Количество выделяемой тепловой энергии определяется соответственно удельным тепловым эффектом нитрования бензола и (q1) и удельной теплотой разбавления серной кислоты (q2). Потери тепловой энергии нормируются коэффициентом тепловых потерь, который определяет долю тепла, теряемую от общего входного потока тепловой энергии.
При расчете принимаются следующие исходные данные:
|
– масса С6Н6 |
М1 = 2,5 кг; |
|
– удельная теплоемкость С6Н6 |
С1 = 1,72 кДж/(кг · °С); |
|
– удельная теплоемкость НNO3 |
С2 = 2,51 кДж/(кг · °С); |
|
– удельная теплоемкость H2SO4 |
С3 = 1,42 кДж/(кг · °С); |
|
– концентрация раствора HNO3 |
0,73 (масс. доли); |
|
– концентрация раствора Н2SO4 |
0,95 (масс. доли); |
|
– концентрация отработанной Н2SO4 |
0,75 (масс. доли); |
|
– выход реакции |
0,75; |
|
– температура окружающей среды |
t1 = 20 °С; |
|
– температура реагирующей смеси |
t2 = 45 °С; |
|
– удельный тепловой эффект реакции |
q1 = 153 кДж/моль; |
|
– коэффициент тепловых потерь |
0,15. |
Решение
Материальный баланс
.
На основании закона сохранения вещества (массы) формируется материальный баланс производства нитробензола, который устанавливает связь между входными и выходными потоками вещества:
,(1.4)
Где Мвх - масса входного потока вещества;
Мвых - масса выходного потока вещества.
Рис. 5 - Схема материальных потоков процесса получения нитробензола: 1 - зона входных потоков вещества; 2 - зона выходных потоков вещества
Для расчетного анализа материальных потоков необходимо изучить упрощенную схему производства нитробензола. На ее основе составить подробную схему материальных потоков и подобрать не достающие исходные данные. Технологическую схему, можно представить как одну технологическую единицу, в которой структурные составляющие не различаются, и условно распределить в ней потоки вещества, так, как это сделано на рисунке.
Другое по теме
Роль тяжелых металлов в экосфере
Среди загрязнителей биосферы,
представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества,
металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40)
относятся ...
Транспорт отходов
Широкий, постоянно возрастающий ассортимент опасных отходов производства
ставит пред руководящими органами задачу обезвреживания, утилизации либо
переработки этих отходов. Основная трудность ...