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
Экономика и планирование природопользования
Научная дисциплина экономика занимается изучением процессов
управления хозяйством в материальном производстве и непроизводственной сфере.
Целью такого изучения является познание и использова ...
Автомобильный транспорт как источник загрязнения окружающей среды
Человечество приходит к осознанию
необходимости коренной трансформации отношения к природной среде и своей роли в
окружающем мире. Решение экологических проблем современного общества связано ...