Стадии жизненного цикла и оценка их влияния на уровень загрязнения окружающей природной среды (стр. 5 из 6)
гдеn2-количество вещества НNO3 по формуле (1.6),
мольная масса H2O, кг/кмоль, 18 кг/кмоль;
выход реакции по условию.
Подставляя полученные значения в выражение (1.10), определим количество воды по реакции нитрования бензола:
Общая масса воды (МН2О) на разбавление H2SO4 в реакторе-смесителе определяется как сумма M2 Н2О и Mр Н2О:
(1.11)Серная кислота в реактор-смеситель поступает в виде раствора с начальной массовой концентрацией 3. В ходе реакции концентрация раствора уменьшается до конечной величины 6 за счет разбавления реакционной водой и водой, поступившей с азотной кислотой. На основании этого, можно записать, руководствуясь определением массовой доли вещества в растворе, выражение массовых концентраций Н2SO4 на входе и выходе реактора-смесителя:
и 
.Разделим первое выражение на второе и решим полученное уравнение относительно массы раствора серной кислоты M3:
(1.12)Выходной поток вещества. После послойного разделения в отстойнике на выходе из технологической установки получения нитробензола имеем следующий поток вещества:
(1.13) 
Масса нитробензола (М4), полученная по реакции нитрования бензола, определяется из уравнения химической реакции по веществу находящемуся в недостатке (HNO3):
(1.14)Где мольная масса С6H5NO2, кг/кмоль, 123 кг/кмоль.
Количество избыточного бензола (М5), необходимого для обеспечения заданного технологического режима, определяется выражением:
(1.15)Количество отработанной серной кислоты (М6) складывается из массы раствора серной кислоты поступающей в реактор-смеситель и массы воды, содержащейся в растворе азотной кислоты и образованной при смешении реагентов:
(1.16)Побочные продукты (М7) производства нитробензола, например, можно определить по выходу конечных продуктов реакции:
(1.17)Подставляя численные значения компонентов, получим массовый выход побочных продуктов:
Сравнивая полученные значения величин входных и выходных материальных потоков по уравнению (1.4), делаем проверку материального баланса и получаем очевидное тождество: 9,3 кг = 9,3 кг.
Структуру материального баланса удобно представлять в графическом виде. Для этого строится гистограмма входных и выходных материальных потоков рис., которая наглядно показывает соотношения компонентов (статей) в структуре материального баланса.
Энергетический баланс. Энергетический баланс производства нитробензола представляет собой тепловой баланс и складывается из тепловых потоков возникающих в ходе технологического процесса. По аналогии с материальным балансом запишем общее уравнение энергетического баланса, представляющее собой равенство приходного и расходного тепловых потоков:
(1.18)гдеQвх - приходный поток теплового баланса;
Qвых - расходный поток теплового баланса.
При рассмотрении энергетического баланса теплосодержание исходных продуктов и продуктов реакции не учитывается, так как ввод исходных продуктов и вывод продуктов реакции осуществляется при температуре окружающей среды t1.
Приход тепловой энергии. Приход тепловой энергии определяется термохимическим процессом нитрования бензола, процессом разбавления серной кислоты и подогревом реакционной смеси до температуры t2:
(1.19) 
Тепловой эффект реакции нитрования бензола (Q1) определяется по следующему уравнению: 
(1.20)
гдеq1 - удельная теплота реакции нитрования, кДж/моль;
n4 - количество молей нитробензола, моль,
Для определения выделившейся тепловой энергии при разбавлении серной кислоты, запишем возможные пути разбавления серной кислоты водой:
- путь 1, 
- путь 2, 
- путь 3.В реактор попадает готовый раствор серной кислоты, в котором вода находится в связанном состоянии. Энергия, высвободившаяся при получении раствора, не должна учитываться при разбавлении в ходе процесса нитрования. Предполагается, что разбавление исходного раствора серной кислоты протекало по первому уравнению (путь 1), т. е. разбавление шло при одинаковом мольном соотношении исходных веществ. Учитывая это, количество серной кислоты связанной с водой равно количеству воды связанной с серной кислотой, отсюда:
Где количество серной кислоты связанной с водой, моль.
Количество молей серной кислоты (n3), поступающей на разбавление, в соответствии с материальным балансом производства и учетом начального разбавления определяется по выражению:
Где мольная масса H2SO4, кг/кмоль, 98 кг/кмоль.
Количество молей воды (nН2О) для разбавления соответствует массе воды, полученной в ходе реакции, и поступающей с раствором азотной кислоты:
Из полученного мольного соотношения воды и серной кислоты, видно, что количество воды в три раз больше, чем серной кислоты, поэтому разбавление может рассматриваться по реакциям 2 или 3 (путь 2 и 3). Рассчитаем количество гидратов, образовавшихся при разбавлении, с двумя и четырьмя присоединенными молями воды:
или 
Где x - количество молей H2SO4 по реакции 2, моль;
Y - количество молей H2SO4 по реакции 3, моль.
Решая систему уравнений, получим следующее:
Теплота (Q2), полученная в результате разбавления серной кислоты, определяется как сумма теплоты при разбавлении по 2 и 3 пути:
(1.21)Где 41,92 и 54,06-удельная теплота разбавления, соответственно по реакции 2 и 3, кДж/моль.
Затраты энергии на подогрев реакционной смеси могут компенсироваться тепловыделением в ходе непрерывного производства. В этом случае эти затраты энергии включаются только в расходную часть энергетического баланса. В данном примере принимается, что производство работает периодически и при запуске эти затраты энергии не могут быть компенсированы тепловыделением. Поэтому они включаются также и в приходную часть энергетического баланса.
Подогрев реакционной смеси от t1 до t2, определяется количеством тепловой энергии, затраченной в единицу времени, на нагревание ее компонентов:
(1.22) 
Где Мi - масса исходных продуктов (М1, М2, М3), кг;
Сi - удельная теплоемкость исходных веществ (C1, C2, С2), кДж/(кг · ºС),
t1 и t2 - соответственно, начальная температура реакционной смеси и температура реакции, °С.
Расход тепловой энергии. Выходной поток тепловой энергии показывает распределение входного потока тепловой энергии в зависимости от производственных потребностей. В данном примере, входной поток тепловой энергии расходуется на технологические нужды (осуществление химического процесса) и компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Следуя этому, запишем уравнение выходного теплового потока для производства нитробензола:
(1.23)Полезная тепловая энергия, используемая для осуществления процесса получения нитробензола, определяется количеством тепловой энергии затраченной на подогрев реакционной смеси: