4. Образования 3,5-динитро-4-хлорбензойной кислоты

Тепловой баланс: Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆

Q₁ = 7,00 * 413 = 2891,00 МДж.

Q₂ - тепло, отводимое охлаждающим агентом или подводимое теплоносителем к аппарату, 0 МДж.

Q₃ - тепловой эффект процесса;

Q₃ = ΣQ_р + Q_ф-х.п.. ,

где Q_p - тепловой эффект реакции;

Q_ф-х.п.. - тепловой эффект физико-химического процесса;

Q_p = G_ArNО2*q_P* 1000 / М _ArNО2 ⁼ q_p* 1 кмоль

q_p = Σq_k - Σq_н.

Σq_k – сумма теплот образования соединений, вступающих в реакцию, Дж/моль.

Σq_н - сумма теплот образования соединений, образующихся в результате реакции, Дж/моль.

q_P = q_{3,5-динитро-4-хлорбенз. кисл.}⁰ + 2q_H2O⁰ - q_{3-нитро-4-хлорбенз. кисл} ⁰ – q_HNO3⁰

q_HNO3⁰ = 41,6 ккал/моль;

q_H2O⁰ = 69,0 ккал/моль;

q_{3-нитро-4-хлорбенз. кисл.}⁰ - теплота образования 3-нитро-4-хлорбензойной кислоты;

q_{3,5-динитро-4-хлорбенз. кисл.}⁰ - теплота образования 3,5-динитро-4-хлорбензойной кислоты.

q_{3-нитро-4-хлорбензойной кислоты}⁰ = n * q_э^сг - q_c^сг,

m = 3e*2+4e*4+le*3+le=26e

ΔС1 = - 6,5 ккал/моль

ΔСООН = 6,5 ккал/моль

ΔNO₂ = 13 ккал/моль

q_c^cr = 26,05 * 26+6,5 - 6,5+1 * 13 = 690,3 ккал/моль

q_{3-нитро-4-хлорбенз. кисл.}⁰ = 797,42 - 690,3 = 107,12 ккал/моль = 448,83 кДж/моль

q_{3,5-Динитро-4-хлорбензойной кислоты}⁰ = n * q_э^сг - q_c^сг,

m = 3e*3+4e*3+le*2+le=24e

ΔС1 = - 6,5 ккал/моль

ΔСООН = 6,5 ккал/моль

ΔNO₂ = 13 ккал/моль

q_c^cr = 26,05 * 24+6,5 - 6,5+2 * 13 = 651,2 ккал/моль

q_{3,5-Динитро-4-хлорбензойной кислоты}⁰ = 831,61 - 651,2 = 112,03 ккал/моль =

= 469,4кДж/моль

q_p=112,03 + 69 – 107,12 - 41,6 = 32,31 ккал/моль = 135,38 кДж/моль

Q_p = 135,38 * 1000 = 135380 кДж = 135,38 МДж.

Q_ф-х.п.. = Q_выд. + Q_разб.

Q_выд. - теплота выделения 100% азотной кислоты из нитрующей смеси.

Q_выд. = - Q_cмеш.

Q_cмеш. - теплота смешения 100% азотной кислоты с остатком нитрующей смеси;

Q_cмеш. = G_H2SO4* q_H2SO4 + G^100%_{HNO3 на нитрование} * q^100%_HNO3 - G_{нитр.смеси}* q_{нитр.смеси}

Q_выд. = G_{нитр.смеси}* q_{нитр.смеси} - G^100%_{HNO3 на нитрование}* q^100%_HNO3 - G_H2SO4* q_H2SO4

Q_разб. - теплота разбавления остатка нитрующей смеси водой, которая выделяется в ходе реакции;

Q_разб. = G_H2SO4 * q_H2SO4 - G_{отраб.кислоты} * q_{отраб.кислоты}

Q_ф-х.п..= G_{нитр.смеси}* q_{нитр.смеси} - G^100%_{HNO3 на нитрование} *q^100%_HNO3 –

- G_{отраб.кислоты}*q_{отраб.кислоты}

G^100%_{HNO3 на нитрование} - масса 100% азотной кислоты, пошедшая на нитрование:

G^100%_{HNO3 на нитрование} = 1 * 63 = 63,00 кг

q^100% _HNO3 - теплота исчерпывающего разбавления 100% азотной кислоты;

q^100% _HNO3 = 110,8 ккал/кг;

q^100% _H2SO4 - теплота исчерпывающего разбавления 100% серной кислоты;

q^100% _H2SO4 = 183 ккал/кг.

G_{нитр.смеси} - масса нитрующей смеси;

G_{нитр.смеси} = 3809,75 + 308,75 +106,02 = 4224,23 кг

q_{нитр.смеси} - теплота исчерпывающего разбавления нитрующей смеси

q_{нитр.смеси} = 137 ккал/кг (89%, 9%, 2%);

G_{отраб.кислоты} - масса отработанной кислоты;

G_{отраб.кислоты} = 3809,75 + 245,75 + 124,02 = 4189,8 кг;

q_{отраб.кислоты} - теплота исчерпывающего разбавления отработанной кислоты

q_{отраб.кислоты} = 129 ккал/кг (91%,6%,3%);

Q_ф-х.п..= 4224,23 * 137 – 63 * 110,8 – 4179,52 * 129 = 578719,51 – 6980,40 -

- 539158,08 = 32581,03 ккал = 136514,52 кДж

Q₃ = 136514,52 + 135380,00 = 271894,52 кДж = 271,89 МДж

Расчет Q₄ - тепло уносимое продукта реакции проводят по формуле:

Q₄ = ΣG_jк* c_рк* Т_к ,

G_jк - масса i - ого вещества в конце стадии, кг

c_рк - теплоемкости соответствующих веществ при Т_к. , кДж/кг*К

Т_к - конечная температура.

Q₄ = 7,027 * 413 = 2902,34 МДж

Q₆ = 0,05*Q₂

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + 0,05*Q₂

0,95*Q₂ = -2891,00 – 271,895 – 2901,33

Q₂ = -274278,95 кДж

G_воды = 274278,95 / 4,190 * (343 – 333) = 6546,04 кг

Δt_ср = (80 - 70) / ln (80/70) = 74,89

τ = Q₂ / ( k * Δt_ср * F_т/о) = 274278,95*10³/ (950 * 74,89 * 7,93) = 486 с = 8,1 мин.

Согласно регламентным условиям реакционную массу выдерживают при 140°С в течение 2 часов.