По принятому технологическому режиму при получении 3,5-динитробензойной кислоты в аппарат вначале загружается кислотная смесь, затем бензойная кислота, потом смесь подогревается до 60°С. Принимаем, что реагенты кислотная смесь поступают в аппарат с температурой 10°С. Затем реакционная масса поступает на стадию разбавления.

1-я стадия - реакция нитрования

Приход:

1. Количество тепла, поступающее в аппарат с реагентами:

- тепло, поступающее с реагентами, кДж;

- количество реагента, вносимое в аппарат на одну операцию (см. “Операционный материальный баланс”), кг;

- теплоёмкость реагентов, которую рассчитывают как аддитивную величину, кДж/ (кгЧК).

Теплоемкости сырья, продуктов реакции и отходов, кДж/ (кгЧград) [11]:

1. Бензойная кислота 1, 19

2. Азотная кислота (98%) 1,74

3. Олеум (20%) 1,34

4. 3,5 - динитробензойная кислота 1,01

5. Серная кислота 1,40

6. Вода 4,18

7. Окислы азота 0,86

8. Кислород 1,03

9. Этиловый спирт (50%) 3,32

10. Диоксид углерода0,90

Приход:

Тепло Q₁, поступившее с азотной кислотой (98%):

Тепло Q₂, поступившее с олеумом (20%):

Тепло Q₃, поступившее с бензойной кислотой:

Тепло Q₄ необходимое для нагрева смеси от 10°С до 60°С:

Рассчитаем долю олеума в полученной реакционной смеси:

Определим количество тепла , выделившееся при протекании реакции получения динитробензойной кислоты:

На основании закона Гесса можно записать:

Q_{реакции}=Q_{образования продуктов реакции -} Q_{образования исходных веществ}

Теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции, [11]:

1. Бензойная кислота385,14

2. Азотная кислота (98%) 173,0

3. 3,5 - динитробензойная кислота 464,45

4. Вода 285,83

Определим удельную теплоту реакции:

где 122 - молекулярная масса бензойной кислоты.

Определим количество тепла , выделившееся при протекании реакции образования серной кислоты (реакции гидратации):

На основании закона Гесса можно записать:

Q_{реакции}=Q_{образования продуктов реакции -} Q_{образования исходных веществ}

Теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции, [11]:

1. Оксид серы (VI) 439,0

2. Вода (98%) 285,83

3. Серная кислота 813,91

Определим удельную теплоту реакции:

где 80 - молекулярная масса оксида серы (VI).

Расход:

Тепло , отводимое с продуктами реакции:

Тепло , отводимое с газообразными продуктами реакции:

Тепло Q₉ - потери в окружающую среду (примем потери 10% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

Тепло Q₁₀, отводимое с охлаждающей водой:

Таблица №20

Операционный тепловой баланс стадии нитрования

2-я стадия - разбавление и фильтрация

Приход:

1) Тепло Q₂, поступившее с водой:

2) Определяем количество тепла Q₃, которое выделяется при разбавлении кислотной смеси водой, выделяющейся в процессе нитрования. В процессе нитрования происходит изменение концентрации кислотной смеси за счёт выделяющейся реакционной воды, а, иногда, и за счёт воды, вводимой с азотной кислотой, когда она дозируется. Теплота гидратации может быть определена по формулам Томсена или теплотам исчерпывающего разбавления [9]. По Томсену теплота гидратации серной кислоты:

,

где - количество тепла, выделяющееся при разбавлении серной кислоты от моногидратного состояния до степени гидратности :

Степень гидратности показывает, сколько молей воды приходится на 1 моль серной кислоты.

Cостав исходной кислотной смеси, %

Н₂SO₄ 75,1

H₂O 10,0,

Определяем теплоту гидратации исходной кислотной смеси:

Состав кислотной смеси после разбавления, %

Н₂SO₄ 20,7,

H₂O 78,7

Определяем теплоту гидратации конечной кислотной смеси:

Теперь рассчитываем тепловой эффект разбавления:

,

где 0,78 - содержание серной кислоты в исходной смеси в долях;

98 - молекулярная масса серной кислоты.

Расход:

1) Тепло , отводимое с динитробензойной кислотой:

,

примем долю азотной кислоты равной 0.

2) Тепло , отводимое с маточным раствором:

,

3) Тепло , отводимое с охлаждающей водой:

Таблица №21

Операционный тепловой баланс стадии разбавления и фильтрации

3-я стадия - пропарка и фильтрация

Приход:

1) Рассчитаем количество теплоты необходимое на нагрев смеси до 100⁰С

,

Количество пара, требующегося для нагрева смеси:

2) Тепло , поступившее с паром:

3) Тепло , вносимое с горячей водой:

Расход:

1) Тепло конденсации пара

2) Тепло , отводимое с динитробензойной кислотой:

,

3) Тепло , отводимое с маточным раствором:

,

4) Тепло - потери в окружающую среду (примем потери 20% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

Таблица №22

Операционный тепловой баланс стадии пропарки и фильтрации

4-я стадия - кристаллизация

Приход:

1) Тепло , поступившее с этанолом:

,

2) Тепло необходимое для нагрева смеси от 20°С до 80°С:

Расход:

1) Тепло , отводимое с ДНБК:

,

2) Тепло , отводимое с маточным раствором:

,

3) Тепло - потери в окружающую среду (примем потери 10% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

4) Тепло , отводимое с охлаждающей водой:

Таблица №23

Операционный тепловой баланс стадии кристаллизации

4-я стадия - кристаллизация с использованием маточного раствора

Приход:

1) Тепло , поступившее с этанолом:

,