III.1. Cân bằng nhiệt lợng của qúa trình sunpho hĩa:
- Nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp: 25 0 C - Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm là: 150 0C Nguyên liệu C6H6 và H2SO4
Phợng trình cân bằng nhiệt lợng: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5
Q1 – Nhiệt lợng do nguyên liệu mang vào, Kcal / h Q3 –Nhiệt lợng do phản ứng tỏa ra, Kcal / h Q2 – Nhiệt lợng do sản phẩm mang ra, Kcal / h Q4 – Nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng, Kcal / h Q5 --Nhiệt do tác nhân làm lạnh, Kcal / h
Q1 = G1. C1. T1 + G2. C2. T2
Trong đĩ
T1 là nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp, bằng 250C. G1 là lợng C6H6 và G1 = 6495,129 (kg/h)
C1 là nhiệt dung riêng của C6H6 , C1 = 0,38 Kcal / kg.độ G2 là lợng H2SO4 , G2= 8650,192 (kg/h)
C2 là nhiệt dung riêng của H2SO4 ,C1 = 0,35 Kcal / kg.độ T2=T1
Vậy Q1 = 6495,129.0,38.25.4,1868.103 + 8650,192.0,35.25.4,1868.103
=575,263.106 (J/h) = 13,75.104 (kcal/h) Với C1 = 0,38.4,1868.103 (J/kg.độ)
C2 = 0,35.4,1686,103 (J/kg.độ) *. Nhiệt lợng do sản phẩm mang ra: + Nhiệt lợng do C6H5SO3H mang ra:
q1 = C1 . m1 . t1
C1- là nhiệt dung riệng của C6H5SO3H, Kcal / kg.độ t1- là nhiệt độ của sản phẩm ra, t1 = 150 0C
m1- lợng C6H5SO3H, m1 = 12630,528 (kg/h)
Nhiệt dung riêng của hợp chất C6H5SO3H đợc xác định nh sau: M .C =n1.C1 + n2.C2
Trong đĩ
C là nhiệt dung riêng của hợp chất hĩa học, J/kg.độ n1, n2 – số nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất đĩ
C1,C2 – Nhiệt dung riêntg của các nguyên tử tơng ứng, J/ kg nguyên tử.độ Tra bảng ta cĩ CC = 11700 J / kg nguyên tử . độ CH = 18000 J / kg nguyên tử . độ CS = 31000 J / kg nguyên tử . độ CO = 25100 J / kg nguyên tử . độ Thay vào ta cĩ 158. C1 = 6.11700 + 6.18000 + 31000 + 3.25100 C1 = 1800,633 ( J / kg.độ) Vậy q1 = 1800,63. 12630,528. 150 = 34.114.108 (J/h) = 0,815.106 (kcal/h) + Nhiệt lợng do H2O mang ra:
q2 = C2 . m2 . t2
C2- là nhiệt dung riệng của H2O C2 = 0,476 Kcal / kg.độ t2- là nhiệt độ của H2O ra , t2 = 150 0C m2- lợng H2O , m2 = 1483,656 (kg/h) C2 = 0,476 . 4,1868 .103 J / kg.độ q2 = 0,476 . 4,1868 .103 . 150. 1483,656 = 443,520.106 (J/h) = 0,106.106 (kcal/h) + Nhiệt lợng do benzen d mang ra:
q3 = C3 . m3 . t3
Trong đĩ
C3- là nhiệt dung riệng của benzen, Kcal / kg.độ t2- là nhiệt độ của benzen , t2 = 150 0C
m3- lợng benzen, m3 =129,903 (Kg / h) C3 = 0,38 . 4,1868 .103 J / kg.độ
Q3 = 0,38 . 4,1868.103 . 150. 129,903 = 31,011. 106 (j/ h ) = 0,0074.106 (kcal/h) + Nhiệt lợng do H2SO4 d mang ra:
q4 = C4 . m4 . t4
Trong đĩ
C4- là nhiệt dung riệng của H2SO4 d , Kcal / kg.độ t3- là nhiệt độ của H2SO4 , t4 = 150 0C
m4- lợng H2SO4 d, m4 =612,053 (kg/h) C4 = 0,35 . 4,1868 .103 J / kg.độ
q4 = 0,35 . 4,1868 .103 . 150. 612,053 = 134,534. 106 (J/h) = 0,032.106 (kcal/h) Vậy tổng nhiệt lợng do sản phẩm mang ra là (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Q3 = q1 + q2 + q3 + q4
= 0,815.106 + 0,106.106 +0,0074.106 + 0,032.106
= 0,96.106 (kcal/h) *. Nhiệt lợng do phản ứng tỏa ra:
Các phản ứng toả nhiệt:
+ Phản ứng toả nhiệt thứ nhất:
C6H6 + HO-SO3H → C6H5SO3H + H2O (1)
∆H1 – Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (1)
∆H1 = Σ ( ni .ci ) đầu - Σ (ni .ci )cuối
∆H1 = 3 C[ C=C] + 3 C[ C-C] + 6 C[ C-H] + 2 C[ S=O] +2 C[ H-O] -3 C[ C=C]
- 3 C[ C-C] - C[ S-S] - 2 C[ S=O] - C[ H-O] - 2C[ H-O] - 5C[ C-H] Tra bảng ta cĩ
C[ C=C] =101,2 (Kcal / mol) C[ S=O] = 92,2 ( Kcal / mol) C[ C-H] = 85,6 ( Kcal / mol ) C[ C-S] = 54( Kcal / mol) C[ C=S] = 62,8 (Kcal / mol) C[ H-O] = 110( Kcal / mol) Vậy ∆H1 =-78,4 (Kcal / mol)
Số mol C6H6 đã tham gia phản ứng (1) là 80,56 (kmol/h) q1= 80,56.78,4.103 = 6,316.106 (Kcal/h)
+ Phản ứng toả nhiệt thứ hai:
HO-SO3H + C6H5SO3H → C6H4(SO3H)2 + H2O (2)
∆H2 – Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2)
∆H2 = Σ ( ni .ci ) đầu - Σ (ni .ci )cuối
∆H2 = C[ C=C] + C[ C-H] - C[ C-C] - C[ C-S] Tra bảng ta cĩ
C[ C-H] = 85,6 Kcal / mol C[ C-S] = 54 Kcal / mol C[ C=S] = 62,8 Kcal / mol C[ H-O] = 110 Kcal / mol Vậy ∆H1 =-70 Kcal / mol
Số mol H 2SO4 đã tham gia phản ứng (2) là: 80,97 (kcal/mol) q2 = 80,79.70.103 = 5,668.106 (Kcal/h)
Vậy tổng nhiệt lợng do phản ứng toả ra là:
Q2 = Σ qi = 6,316.106 + 5,668.106 = 11,984.106 (Kcal/h)
*. Nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng xung quanh:
Coi nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng xunh quanh là 5 % lợng nhiệt cấp vào Q4 = 0, 05 .Q2 = 0,05.11,984.106 = 0,00673.106 (kcal/h)
*. Nhiệt lợng mất do tác nhân làm lạnh:
Nhiệt lợng do tác nhân làm lạnh đợc xác định theo cơng thức sau: QLL = Q5 = Q1 + Q2 - ( Q3 + Q4 )
QLL = Q5 = (0,137.106 + 11,984.106) - (0,96.106 + 0,00673.106) = 11,154.106 (kcal/h)
Từ qúa trình tính tốn trên chúng ta cĩ thể lập đợc bảng cân bằng nhiệt lợng cho qúa trình sunpho hĩa.
Bảng 8: Bảng cân bằng nhiệt lợng cho quá trình sulfo hố:
Lợng nhiệt vào Kcal/ h Nhiệt lợng ra Kcal/ h
NL do nguyên liệu mang vào (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
0,.37.106 Nhiệt lợng do sản phẩm mang ra
Nhiệt do phản ứng
11,984.106 Nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng xunh quanh
0,00673.106 Nhiệt do tác nhân làm lạnh 11,154.106 Tổng nhiệt lợng vào 12,121.106 Tổng nhiệt lợng mang ra 12,121.106
III.2. Tính cân bằng nhiệt lợng cho qúa trình nĩng chảy kiềm:
- Nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp 250 C - Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm là 3300C
Để đơn giản chúng ta coi nguyên liệu phản ứng gồm C6H5SO3 Na và NaOH, chúng ta cĩ phản ứng sau:
C6H5SO3 Na + 2 NaOH → C6H5ONa + Na2SO3 + H2O Phơng trình cân bằng nhiệt lợng
Q1 + Q2 = Q3 + Q4 +Q5
Trong đĩ
Q1 – Nhiệt lợng do nguyên liệu mang vào, Kcal / h Q2 –Nhiệt lợng do phản phản tỏa ra, Kcal / h Q4 – Nhiệt lợng do sản phẩm mang ra, Kcal / h Q3 – Nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng, Kcal / h Q5 --Nhiệt do tác nhân làm lạnh, Kcal / h
*. Nhiệt lợng do nguyên liệu mang vào: Q1 = G1. C1. T1 + G2. C2. T2
Trong đĩ
T1 là nhiệt độ đầu vào của C6H5SO3Na , bằng 250C. G1 là lợng C6H5SO3Na và G1 =14245,317 ( kg/h) C1 là nhiệt dung riêng của C6H5SO3Na
G2 là lợngNaOH , G2 = 7417,074 (kg/h)
Nhiệt dung riêng của C6H5SO3Na đợc xác định theo cơng thức sau M . C = n1. C1 + n. C2 +....
Trong đĩ
M là khối lợng mol của hợp chất C6H5SO3Na C là nhiệt dung riệng của C6H5SO3Na
n1, n2 là số nguyên tử của các nguyên tố trong C6H5SO3Na
C1,C2 là nhiệt dung riêng của các nguyên tố tơng ứng, J / kg . độ Tra bảng ta cĩ các số liệu sau
CC =11700 J / kg .nguyên tử . độ CH = 18000 J / kg .nguyên tử . độ CS = 31000 J / kg .nguyên tử . độ CO =25100 J / kg .nguyên tử . độ CNa =33500 J / kg .nguyên tử . độ Thay các giá trị trên vào cơng thứcđĩ chúng ta cĩ
180 . C = 6. 11700 + 5. 18000 +31000 + 3. 25100 + 33500 C = 1666,667 J / kg . độ
Nhiệt dung riêng của NaOH tính nh sau 40 . C = 33500 + 25100 + 18000 CNaOH = 1915 J / kg . độ
Q1 = 14245,317.1666,7.25 + 7417,074.1915.25 = 9,49.108 (J/h) =0,227.106 (kcal/h)
+ Nhiệt lợng do C6H5ONa mang ra: q1 = C1 . m1 . t1
C1- là nhiệt dung riệng của C6H5ONa, Kcal / kg.độ t1- là nhiệt độ của sản phẩm ra, t1 = 3300C
m1- lợng C6H5ONa , m1= 8874,448 (kg/h)
Nhiệt dung riêng của hợp chất C6H5ONa đợc xác định nh sau: M .C =n1.C1 + n2.C2
Trong đĩ:
M – khối lợng mol của hợp chất C6H5ONa C là nhiệt dung riêng của C6H5ONa , J / kg . độ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
n1, n2 – số nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất đĩ
C1,C2 – Nhiệt dung riêntg của các nguyên tử tơng ứng, J / kg nguyên tử . độ Tra bảng ta cĩ CC = 11700 J / kg nguyên tử . độ CH = 18000 J / kg nguyên tử . độ CS = 31000 J / kg nguyên tử . độ CO = 25100 J / kg nguyên tử . độ Thay vào ta cĩ: 116. C = 6.11700 + 5.18000 + 25100 + 33500 C = 1886,207 (J / kg.độ) Vậy q1 = 8874,448. 1886,21 . 330 = 55,238.108 (J/h) = 1,319.109 (kcal/h)
q2 = C2 . m2 . t2
C2- là nhiệt dung riệng của Na2SO3 , Kcal / kg.độ t2- là nhiệt độ của Na2SO3 mang ra, t1 = 330 0C m2- lợng Na2SO3 , m2 = 9836,171 (kg/h)
Nhiệt dung riêng của hợp chất Na2SO3 đợc xác định nh sau M .C =n1.C1 + n2.C2
Trong đĩ
M – khối lợng mol của hợp chất Na2SO3
C là nhiệt dung riêng của Na2SO3 , J / kg . độ
n1, n2 – số nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất đĩ
C1,C2 – Nhiệt dung riêntg của các nguyên tử tơng ứng, J / kg nguyên tử . độ Tra bảng ta cĩ CC = 11700 J / kg nguyên tử . độ CH = 18000 J / kg nguyên tử . độ CS = 31000 J / kg nguyên tử . độ CO = 25100 J / kg nguyên tử . độ Thay vào ta cĩ 126. C = 25100 + 31000 + 2. 33500 C = 976,984 ( J / kg.độ) Vậy q2 = 9836,171.1375,4. 330 = 4,463.109 (J/h) = 1,066.106 (kcal/h)
+ Nhiệt lợng do H2O mang ra: q3 = C3 . m3 . t3
C3- là nhiệt dung riệng của H2O , C3 = 0,476 (kcal / kg.độ) T3- là nhiệt độ của mang H2O ra, t3 = 330 0C
m3- lợng H2O , m3 = 1399,111( Kg / h)
q3 = 1399,111.1915. 330 = 8,842.108 (J/h) = 0,211.106 (kcal/h)
⇒ Q3 = ∑ qi = 2,596.106 (kcal/h)
*. Nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng xung quanh:
Coi nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng xunh quanh là 5 % lợng nhiệt cấp vào Q4 = 0, 05 .Q1 =9401,589 (Kcal/h)
*. Nhiệt lợng mất do tác nhân làm lạnh:
Nhiệt lợng do tác nhân làm lạnh đợc xác định theo cơng thức sau: QLL = Q5 = Q1 + Q2 - ( Q3 + Q4 )
QLL = Q5 = (188031,791 + 13279068,4) - (877343,544 + 9401,589) =12580355,06 (Kcal/h)
Từ qúa trình tính tốn trên chúng ta cĩ thể lập đợc bảng cân bằng nhiệt lợng cho qúa trình nung chảy kiềm
Bảng 7: Bảng cân bằng nhiệt lợng cho quá trình nung chảy kiềm:
Lợng nhiệt vào Kcal / h Nhiệt lợng ra Kcal / h
Nl do nguyên liệu mang vào 188031,791 Nhiệt lợng do sản phẩm mang ra 877343,544 Nhiệt do phản ứng toả ra 13279068,4 Nhiệt lợng mất mát ra mơi trờng xunh quanh 9401,589 Nhiệt do tác nhân làm lạnh 12580355,06 Tổng nhiệt lợng vào 13.467.100,19 Tổng nhiệt lợng mang ra 13.467.100,19
III.3. Nhiệt lợng do phản ứng tỏa ra: Các phản ứng toả nhiệt:
+ Phản ứng toả nhiệt thứ nhất:
2C6H5SO3Na + 2 NaOH → 2 C6H5ONa + Na2SO3 + H2O + SO2 (1)
∆H1 – Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (1)
∆H1 = Σ ( ni .ci ) đầu - Σ (ni .ci )cuối
∆H1 = 3 C[ C=C] + 3 C[ C-C] + 5 C[ C-H] + C[ S-C] +2 C[ S=O] + C[ O- Na] + 2 C[ Na- O] +C[ H-O] - 3C[ C-C] - 5 C[ C-H] - C[ Na-O] - 3C[ C=C] - C[ C-O] - 2 C[ O -Na] - 2C[ O-H] Tra bảng ta cĩ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C[ C=C] =101,2 Kcal / mol C[ S=O] = 92,2 Kcal / mol C[ C-H] = 85,6 Kcal / mol C[ C-S] = 54 Kcal / mol C[ C=S] = 62,8 Kcal / mol C[ H-O] = 110 Kcal / mol Vậy ∆H1 =163 Kcal / mol
Số mol C6H5SO3Na đã tham gia phản ứng (1) là (14491,8/180) = 80,51 (kmol/h)
q1= 80510.163=13123130 (Kcal/h) =54946545,31 (kj/h) + Phản ứng toả nhiệt thứ hai:
C6H5-SO2- C6H5 + 4 NaOH + 0,5 O2 →2 C6H5ONa + Na2SO3 + 2 H2O (2)
∆H2 – Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2)
∆H2 = Σ ( ni .ci ) đầu - Σ (ni .ci )cuối
Tra bảng ta cĩ
C[ C=C] =101,2 Kcal / mol C[ S=O] = 92,2 Kcal / mol C[ C-H] = 85,6 Kcal / mol C[ C-S] = 54 Kcal / mol C[ C=S] = 62,8 Kcal / mol C[ H-O] = 110 Kcal / mol Vậy ∆H1 = 92,2 + 0,5 . 117,2 =150,8 (Kcal / mol )
Số mol C6H5-SO2- C6H5 đã tham gia phản ứng (2) là 0,419 (kmol/h) q2 = 0,419.103 .150, 8 = 63185,2 (Kcal/h) = 264556,432 (kj/h) + Phản ứng toả nhiệt thứ ba:
C6H4(SO3Na)2 + 4 NaOH→ C6H4(ONa)2 + Na2SO3 + H2O (3)
∆H3 – Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (3)
∆H3 = Σ ( ni .ci ) đầu - Σ (ni .ci )cuối
∆H3 = 2 C[ S=O] =2 . 92,2 = 184,4 kcal / mol
Vậy ∆H3 = 184,4 Kcal / mol
Số mol C6H4(SO3Na)2 đã tham gia phản ứng (3) là 0,503 ( kmol / h) q3 = 503.184,4 = 92753,2 (Kcal/h)
= 388357,648 (kj/h)
Vậy tổng nhiệt lợng do phản ứng toả ra là Q2 = Σ qi = q1 +q2 + q3
= 13123130 + 63185,2 + 92753,2 = 13279068,4 (Kcal/h)