Техно-химические расчеты - Бесков С.Д.

Автор: Бесков С.Д.
Теги: химия химическая промышленность неорганическая химия издательство высшая школа
Год: 1962
Похожие
Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов
Общая химическая технология
Практикум по химической технологии
Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств
Текст
                    С. Д. БЕСКОВ
ТЕХНО
ХИ/ИИЧЕСКИЕ
РАСЧЕТЫ
ТРЕТЬЕ ИЗДАНИЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ
ДОПУЩЕНО
МИНИСТЕРСТВОМ ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР
В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ
ДЛЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
«ВЫСШАЯ ШКОЛА»
Москва —1962

ВВЕДЕНИЕ
Прежде чем приступить к конструированию какого-либо ап-
аппарата химического производства (холодильника, теплообмен-
теплообменника, контактного аппарата, скруббера, печи и т. д.), предвари-
предварительно необходимо произвести подробный техно-химический рас-
расчет всего процесса производства или той его части, которая не-
непосредственно связана с конструируемым аппаратом. Так, на-
например, для того чтобы приступить к конструированию такого
простого аппарата, как теплообменник, необходимо знать его
размеры. Последние могут быть определены лишь после того,
как будет составлен вначале материальный, затем тепловой ба-
балансы теплообменника. Кроме подготовки к конструктивным рас-
расчетам, техно-химические расчеты служат для вычисления рас-
расходных коэффициентов, выхода продуктов и других показателей
производства.
В основу любого техно-химического расчета положены два
основных закона природы: закон сохранения веса (мас-
(массы) вещества и закон сохранения энергии. На
первом из этих законов базируется всякий материальный, на
втором — всякий энергетический, ib том числе и тепловой баланс.
Закон сохранения веса (массы) вещества состоит в том, что
во всякой замкнутой системе вес (масса) ве-
веществ остается постоянным, независимо от то-
того, какие изменения претерпевают вещества в
этой системе. Применительно к расчету материального ба-

ланса какого-либо процесса производства этот закон принимает
следующую простую формулировку: вес исходных продуктов
процесса должен быть равен весу его конечных продуктов.
Следовательно, когда производится материальный подсчет
процесса, необходимо учитывать вес каждого компонента, по-
поступающего в данный аппарат (приход), и вес каждого компо-
компонента, уходящего из аппарата (расход). При этом в результа-
результате сумма прихода компонентов должна быть равна сумме расхо-
расхода их независимо от состава продуктов при поступлении и выхо-
выходе, т. е. независимо от того, каким изменениям они подвергались
при прохождении через данный аппарат.
Примечание: Закон сохранения массы (веса) вещества,
строго говоря, не является абсолютно точным, так как любое
химическое взаимодействие между веществами А, В, ... сопро-
сопровождается так называемым дефектом массы
Л -f- ?-]-...= D+ Е-\- . . . + Д т.
Дефект массы химической реакции определяется из соотно-
соотношения массы и энергии (Е = тс2), которое в данном случае при-
приобретает следующий вид:
Q -¦= А тс" или Дт -¦-- — ,
с'2
где Q количество тепла, выделяющееся при данной реакции:
Л + В ... ¦= D + E+ ... + Q;
Am — дефект массы, т. е. «потеря» веса вещества за счет
выделившегося при данной реакции тепла Q;
с — скорость света в 'пустоте, равная 3- 1010 см/сек.
Однако учитывать дефект (потерю) массы при химических
реакциях для производственных процессов не имеет смысла, так
как величина его ничтожна мала.
Поясним это на примере реакции горения углерода (угля):
С ¦ |- О2 = СО2 -f- 97 800 кал.
Переводя количество тепла, выделяющегося при этой реакции,
в единицы работы, выраженной в эргах, получим:
Q -=97 800 -4,182 I07 =4,1 • 10й эрл
Отсюда
. 4,1 • Ю12 . j-r т-э
im= — 4,55 -10
C ¦ 1010)г
Таким образом, при сгорании 12 г угля получается не 44 г СО2,
а на 4,55- 10~"9 г меньше'; естественно, что эта ошибка не имеет
никакого значения при технических расчетах.

Дефект массы играет большую роль при расчетах ядерных
реакций, где он является основой составления энергетического
баланса процесса.
Закон сохранения энергии формулируется следующим обра-
образом: в замкнутой системе сумма всех видов энер-
энергии постоянна; энергия не может ни исчезнуть
бесследно, ни возникнуть из н и ч е г о; о и а может
только перейти в строго эквивалентное коли
ч ест в о другого вида энергии. Так как теплота пред-
представляет собой один из видов энергии, то в случае, если она
в данном аппарате не превращается в другой вид энергии, этот
закон может быть сформулирован следующим образом: при-
приход теплоты в данном цикле производства дол-
должен быть точно равен расходу ее в этом же цик-
л е. При этом должно быть учтено теплосодержание каждого
компонента как входящего, так и выходящего из процесса или
аппарата, а также теплообмен с окружающей средой.
Как уже отмечено выше, всякое вещество в процессе произ-
производства претерпевает то или иное изменение. Это изменение мо-
может быть или физическим, в результате которого вещество меня-
меняет только свои физические свойства (форму, внешний вид, рас-
растворимость н т. п.), или же химическим, в результате которого
вещество претерпевает глубокие изменения, связанные с его
химическим составом. Но какие бы изменения при этом с ве-
веществом ни происходили, они протекают по вполне определен-
определенным законам, детальным рассмотрением которых занимаются
отдельные отрасли знания: физика, химия, физическая химия,
термодинамика, гидравлика и т. д. Без знания этих законов, на
основании которых пронсходят физические или химические пре-
превращения веществ в процессе их обработки, какие бы то ни
было расчеты вести невозможно.
Таким образом, прежде чем приступить к составлению ма-
материального и теплового баланса того или иного технологиче-
технологического процесса, к подсчету расходных коэффициентов, выхода
продуктов и полупродуктов и т. п. необходимо ясно и четко пред-
представить себе закономерности и ход этого процесса.
Па основе этих закономерностей, с учетом известных для дан-
данного процесса величин, составляется методика расчета, которая
зависит не только от рода производства, но также от способа
переработки н качества сырых материалов, от режима работы
аппарата и других конкретных факторов и условий производства.
Основы расчета важнейших процессов, методика практиче-
практического применения химических и физико-химических закономер-
закономерностей к техническим расчетам химических производств и, осо-
особенно, графические методы расчета в большинстве случаев раз-

работаны русскими учеными. Так, например, расчеты процессов
газификации топлива всюду проводятся по методам Н. Н. Доб-
Доброхотова, В. Е. Грум-Гржимайло и А. П. Чернышева. Для под-
подсчета теплотворной способности топлива и его элементарному
составу наиболее распространенной является формула
Д. И. Менделеева; в основе расчета процессов кристаллизации
солей, состава твердых сплавов, испарения и конденсации мно-
многокомпонентных систем и других аналогичных процессов лежит
методика физико-химического анализа этих систем, разработан-
разработанная Н. С. Курнаковым; Г. В. Виноградовым и А. И. Красиль-
щиковым разработано много номограмм для наиболее рас-
распространенных в расчетной практике физико-химических урав-
уравнений; большой вклад в расчетную практику процессов и аппа-
аппаратов химических производств внесли профессора А. Г. Касат-
Касаткин, Н. С. Гельперин, С. Я- Герш и другие; проф. Д. В. Нагор-
ский, С. П. Сыромятников, Д. А. Чернобаев и другие дали мето-
методы расчета процессов и аппаратов при сжигании топлива и т. д.

Глава I
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЕДИНИЦЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
СИСТЕМА МЕР И РАЗМЕРНОСТЬ
В техно-химических расчетах используются, главным обра-
образом, только механические, тепловые и электрические параметры
свойств и состояния тела (вещества): длина, площадь, объем,
масса, вес, сила, давление, мощность, работа, температура, тепло-
теплоемкость, сила тока, напряжение и т. п. Для измерения и числен-
численного выражения этих параметров приняты следующие единицы
измерения:
метр (м)—для выражения длины (L),
килограмм (кг)—для массы (М),
секунда (сек)—для времени (Т),
градус Кельвина (°К) или Цельсия (°С)—для температуры,
ампер (а) —для силы электрического тока.
Остальные же механические, тепловые и электрические пара-
параметры должны являться производными этих единиц измерения.
Для выражения кратности и дольности как исходных, так
и производных от них единиц измерения государственным стан-
стандартом G663—55) установлены следующие приставки к этим
единицам измерения (е. и.):
7

мега (Af) = 106e. и. (например, мегаом (Мом) = 106 ом),
кило (/() = 103 е. и. (километр= 1000 метров),
дека (да) = 10 е. и. (декалитр=10 литров),
деци (д) = 0,1 е. и. (дециметр = 0,1 метра),
санти (с) = \0'2е. и. (сантиметр = 0,01 метра),
мнлли (мм) = \0~3 е. и. (миллиметр = 0,001 метра),
микро (мк) = 10'; с. и. (микрофарада= 10~6 фарады),
пико (л) = 10~12 е. и. (пикофарада= 10~12 фарады) и др.
В связи с тем, что исходная единица измерения массы (кг)
приставку уже имеет (кило), остальные производные этой еди-
единицы соответствующие приставки должны иметь к граммати-
грамматической ее основе (грамму), например, миллиграм (мг) = 10~3
грамма, мегаграмм = 10е г, или 103 кг (тонна) и т. д.
Для того чтобы обеспечить единообразие измерений различ-
различного рода физических величин и одноименное их сравнение
между собой, практикой установлена система мер, для ко-
которой в качестве исходных выбираются три-четыре основные
единицы измерения (из числа исходных или их производных), и,
и форме размерности, через них выражают все остальные пара-
параметры состояния тела (вещества).
Для измерения механических величин в настоящее время
практически установились >и в СССР стандартизованы три сис-
системы мер, в каждую из которых входит три основные единицы
измерения:
1. Так называемая (по традиции) абсолютная с и с те м а мер
СГС (сантиметр, грамм, секунда), в которой исходными едини-
единицами измерения служат: сантиметр (см), грамм (г), секунда
(сек);
2. Введенная за последние годы стандартная систем а
мер МКС — метр (м), килограмм (кг), секунда (сек);
3. Техническая система мер МКГСС — метр (м).
килограмм-сила (кгс, или кГ), секунда (сек).
Примечания: 1. Килограмм-силу, имеющую размерность кг м/сек'2, а
технике иногда начинают т с х и и ч с с к о ii е д и н и ц е и масс ы (т. с. м.|.
Эта единица равна 9,81 кг (точнее 9,80665 кг)—численному значению уско-
ускорения земного притяжения (д), выраженному в м/сек2.
2. В расчетной практике очень часто используются также некоторые и
внесистемные единицы измерения; микрон, ангстрем, тонна, минута, час, литр,
бар, лошадиная сила, ватт-час, техническая атмосфера, миллиметр ртутного
и водяного столба, моль и др.
При помощи рассмотренных выше систем можно выражать только меха-
механические параметры, т. е. факторы, характеризующие массу тела, ее протя-
протяженность и пространстве и перемещение во времени. Поэтому существует ряд
других стандартных систем: тепловые, световые, акустические, электрические,
магнитные и др.

ДЛИНА, ПЛОЩАДЬ И ОБЪЕМ
Кроме основных единиц измерения (метр (м)—в системах
МКС и МКГСС и сантиметр (см)—в системе СГС), мерной дли-
длины в технических расчетах для измерения малых величин слу-
о
жат: микрон (мк), и ангстрем (А):
1 см= 104 мк--= 10аА = 0,01 м.
Единицами измерения площади при расчетах служат: м2, см'2
и, очень редко, дм2 и км2, а единицами объема — м3, см3, литр
(дм3, л), декалитр (дал) и миллилитр (мл).
Объем, занимаемый единицей веса вещества, носит название
удельного объема, а объем, занимаемый одним молем,—
молекулярного объема. В технических расчетах
удельный объем обычно выражают в м3/кг и м3/т; в системе СГС
он имеет разность см3/г. Молекулярный объем выражается
в л/гмоль ил'и что тоже в м3/кг-моль.
МАССА
Мерой массы в технике приняты: килограмм (кг), тонна (г)
и реже грамм (г). В техно-химических расчетах, кроме того,
количество (массу) вещества часто выражают в граммах и ки-
килограммах (кило) — молях (г-моль или моль, кмоль или
кг-моль). Эти выражения означают, что вещество взято в коли-
количестве (г или кг), равном его молекулярному весу.
Отношение массы (М) тела к его объему (V) носит назва-
название плотности тела (р):
р = — . A)
Плотность твердых и жидких тел в техно-химических расчетах
выражают как в системе СГС — в граммах на I см3 вещества
(zjcni или, что тоже, в кг\л или т/л3), так и в системах МКС и
МКГСС — в кг/м3; плотность же газов в расчетной практике, как
правило, выражают в кг/м3 (или что тоже г/л).
Твердые и жидкие тела имеют очень малый коэффициент
расширения. Поэтому плотность их с изменением температуры и
давления практически не изменяются и при технических расче-
расчетах ее обычно принимают постоянной для любых состоянии
этих тел.
Плотность газов очень сильно зависит от температуры и дав-
давления. Поэтому табличные данные (при 0°С и 760 мм рт. ст.)
плотности газов необходимо пересчитывать для тех условий
(давления и температуры), при которых находятся газы.

В случае, если плотность газа при 0°С и 760 мм рт. ст. неиз-
неизвестна, то, зная молекулярный вес газа, можно найти плотность
его по шкале (рис. 6), которая приведена при рассмотрении за-
закона Авогадро (стр. 48).
Плотность смесей подсчитывается следующим образом. До-
Допустим, дана смесь, состоящая по массе из а % первого компо-
компонента, в %— второго, с % —третьего и т. д., т. е. в 100 кг этой
смеси заключено а кг первого компонента, в кг — второго, с кг —
третьего и т. д. Если плотность первого компонента равна ръ
второго рг, третьего р3 и т. д., то первый из них в 100 кг смеси
займет объем -*-, равный— л, второй —¦—л, третий -^ит.д.,
Pi Pa Рз
а общий объем V, занимаемый смесью, составит:
V =— + — + —+... B)
Pi Рг Рз
Отсюда плотность смеси определится (по уравнению 1):
Р = -Ж- = ™ —. Bа)
v _^_ ¦ А _?_
Pi Рг ' Рз
Если известен состав смеси в объемных процентах, то этот
подсчет упрощается. Допустим, что смесь содержит первого ком-
компонента п\ % (объемных), второго ei %, третьего С\ % и т. д.,
т. е. 100 м3 ее состоит из а^ м3 первого компонента, в\ м3 второ-
второго, С\ м3 третьего и т. д. Следовательно, масса компонентов в
100 м3 смеси будет составлять: первого a^ кг, второго bip2 кг,
третьего с\ р3 кг и т. д. Отсюда плотность ее определится:
р = 0,01 (QjPi + fiiPa + qps) кг. C)
Пример 1. Вычислить плотность р смеси, состоящей из
60% бензола и 40% толуола; плотность бензола 0,879, толуола —
0,867 г/см3. При смешении бензола и толуола объема смеси прак-
практически равен сумме объемов, взятых в отдельности.
Согласно уравнению B) имеем:
р = — Н 0,874 г/см3 (или кг/л).
60 40
0,879 0,867
Пример 2. Вычислить плотность азотно-кислородной сме-
смеси, состоящей по объему из 21% О2 и 79% N2. Плотность кисло-
кислорода 1,429 г/л, азота—1,251 г/л.
Согласно формуле C)
Р = 0,21 ¦ 1,429 + 0,79 -1,251 = 1,288 г/л.
10

СИЛА И ВЕС
Действие одного тела на другое, в результате которого про-
происходит изменение движения данного тела, называется силой,
приложенной к этому телу.
Единицами измерения силы являются: в абсолютной системе
мер — дина (дн), в стандартной — ньютон (н) и в технической —
килограмм-сила (кгс или кГ). 1 дн (г- см/сек2)—это сила, со-
сообщающая массе в 1 г ускорение в 1 см/сек2, а 1 н (кг-м/сек2)-—
массе в 1 кг ускорение в 1 м/свк2; 1 кгс (кГ) представляет со-
собой силу, сообщающую массе в 1 кг ускорение 9,81 м/сек2 (точ-
(точнее 9,80665 м/сек2). Эквивалентность между указанными едини-
единицами измерения сил следующая:
1 кгс(кГ) = 9,81 н - 9,81 • 105 дин]
1 дина- 10~5 н - 1,02- 10~6 кГ;
1 н ----- 106 дин--:--: 0,102 кГ.
Примечание. Более точно 1 кГ = 9,80665 • 105 дин и, соответственно:
1 дина= 1,01972- 10~6 кГ и 1 к =0,101972 кГ. В дальнейшем переводные
коэффициенты единиц измерения (работы, мощности и т. д.) будем брать
округленно.
Сила, с которой масса тела давит на опору, называется
весом.
Вес единицы объема вещества, выраженной в единицах си-
силы, или что тоже отношение веса (у) тела к его объему (V),
называется удельным весом (у):
7 - -у • D)
В системе СГС удельный вес выражается в динах на 1 см5
(дн/см3), в системе МКС — в ньютонах на 1 м3 (н/м3) и в систе-
системе МКГСС — в кГ/м3.
Примечание. В практике удельный вес (уд. в.) твердых и жидких
тел определяют как отношение веса (G ) определенного их объема к весу во-
воды такого же объема при наибольшей ее плотности 4° С. В этом случае уд. в.
именуется относительным удельным весом (или просто относительным весом),
так как он принимает безразмерную величину (отвлеченное, неименованное
число):
CA/V кгс/м? GA
GH,O/v кгс/м* "н,О
Уд. в. газов в технике обычно выражают по отношению к воз-
воздуху, масса 1 л которого равна 1,2928 г.
Уд. в. равен произведению плотности (р) на ускорение си-
силы тяжести (g):
i ~ § ?• (^)
11

Отсюда следует, что при вышеуказанном выборе единиц изме-
измерения уд. в. вещества численно будет равен его плотности. Так,
например, уд. в. и плотность воды при 4° С соответственно рав-
равны 1 кгс/м'л и 1 кг/м?:
, п м кг I кг-м кгс
7 кгс м6 — а р -¦>• • ==
сек2 м3 \ cerJ-M3 м3
или что то же
кг _ V /сгс _ м I кг- м сек1 __ кг
л3 g м3 сек2 \ сек2-м3 м м3
Поэтому в расчетной практике вес вещества (в том числе и
уд. в.) выражают обычно (условно) в тех же единицах измере-
измерения, что и их массу (плотность), что равносильно выражению
веса в технических единицах массы (9,81 М кг).
Удельный вес смесей подсчитывается аналогично их плотно-
плотности (см. уравнение 2 и 2а).
ДАВЛЕНИЕ
Давлением называют силу, которая передается или действу-
действует от одного тела на единицу площади другого тела.
Единицами измерения давления являются:
в системе МКГСС — давление, которое испытывает плос-
плоская поверхность в 1 м2 под действием силы в I кГ
(кГ/м2 = кг/м ¦ сек2),
в системе СГС — давление, которое испытывает плоская по-
поверхность в 1 см2 под действием силы в 1 дн (дн/см2 = г/см ¦ сек'-').
в системе МКС—давление, которое испытывает плоская по-
поверхность в 1 м2 под действием силы в 1 н (н/м2 = кг/м- сек2).
Давление, равное 103 н/м2, носит название бар.
В технических расчетах давление чаще всего выражают (и
зависимости от его величины) в атмосферах, в миллиметрах
ртутного столба (мм рг. ст.), в миллиметрах водяного столба
(мм вод. ст.), и в килограммах на 1 кв. сантиметр (кГ/см2).
В практике различают физическую атмосферу или нормаль-
нормальное давление и м етрическую или техническую атмос-
атмосферу. Физическая атмосфера — это давление, которое оказывает
столб ртути высотой 76 см G60 мм) и поперечным сечением
1 сл12, оно равно 1,033 кгс/см2 A0330 кгс/м2). Техническая атмос-
атмосфера соответствует давлению в 1 кГ/см2 и равно давлению стол-
столба ртути высотой 735,6 мм и поперечного сечения 1 см2.
В табл. I 'приведена зависимость между единицами измере-
измерения давления.
* Размерность дана в системе МКГСС.
12

Т а 6 л и ц а 1
Зависимость между единицами измерения давления
Единицы измерения
Физическая атмосфера или нормаль-
нормальное дарление {am)
Физическая
атмосфера
(am)
Техническая
атмосфера
кГ/см-
1,033
(точнее
1,0332)
мм рт. ст.
I КСС/М1 ИЛИ
мм вод. ст.
(кг/м-сек2)
760 ! 10330 | 1,013 10е ! 1.013105
I (точнее j (точнее I 'точнее
j 10332) 1,01325-10е); 1,01325-105)
Метрическая или техническая атмо-
атмосфера (кГ/см1)
I
0,97
(точнее.
0,9678)
1
мм ртутного столба (мм рт. ст.) 0.00132
0,00136
735,6
(точнее
735,56)
10000
9,81 105
(точнее
9,80665-105)
9.81-10*
(точнее
9,80665-104)
13,60
(точнее
13,595)
В системе МКГСС (кгс/л8), а так
же мм водяного столба
В системе СГС (дн/см2)
0,97-10~4
(точнее
0,9678-10~4) '
10"
9.87-10"
,-7
1,02-10"
,-6
0,07356
7.5 10-4 ! 0,0102
! (точное
| 0,010197)
1333:2 ! 133,32
98.1
9,81
(точнее
9,80665)
0,10
В системе МКС
9,87,10-''
1,02 10
,-5
7.5.10
-3
0,102
(точнее I
0,10197) I
10

Для измерения атмосферного давления служат барометры,
показывающие обычно давление в миллиметрах ртутного столба
(барометрическое, или атмосферное, давление —
ата).
Давление выше атмосферного в технике измеряется мано-
манометрами, которые всегда показывают избыток давления в дан-
данном аппарате над давлением атмосферным (манометричес-
(манометрическое, или избыточное давление — ати). Поэтому для вы-
вычисления истинного, или абсолютного, давления не-
необходимо к давлению, которое показывает манометр, прибавить
барометрическое давление. Например, если манометр, установ-
установленный на газопроводе, показывает давление 2,3 кГ/см2, а ба-
барометрическое давление, т. е. давление окружающего воздуха,
при этом равно 745 мм рт. ст. (или 7450,00136= 1,01 кГ/см2),
то абсолютное давление в газопроводе составит
2,3+ 1,01 = 3,31 кГ/см2
Давление ниже атмосферного измеряется вакуумметра-
вакуумметрами (вакуумметрическое давление). Последние показывают ве-
величину разрежения, или вакуума, в данном аппарате, т. е. избы-
избыток атмосферного давления над измеряемым. Следовательно,
при измерении давления вакуумметром для получения истинно-
истинного или абсолютного давления в аппарате необходимо показание
вакуумметра вычесть из показания барометра.
Почти во всех физико-химических, термодинамических и дру-
других расчетных формулах, в которые входит давление, величина по-
последнего выражается как абсолютное давление ра (ата).
Манометры, барометры и вакуумметры, установленные на ап-
аппаратах и трубопроводах, всегда показывают давление стати-
статическое (РСтп), т- е. давление, оказываемое газом (или жид-
жидкостью) на стенки того сосуда, в котором он заключен (рис. 1).
Однако в практике расчетов при рассмотрении перемещающихся
газов или жидкостей необходимо различать еще динамичес-
динамическое давление, или скоростной напор (Рд)-
Динамическое давление — это дополнительное давление, ко-
которое оказывает газ или жидкость в направлении своего пере-
перемещения по трубопроводу или аппарату, т. е. в направлении
передвижения за счет своего потока. Так, если поставить плас-
пластинку по пути движения газа по трубопроводу, то давление, ко-
которое будет оказывать на нее газ со стороны направления дви-
движения, окажется больше, чем давления статического и
динамического (рис. 1, г):
Р=Рст + Рд, F)
где Р — общее давление в направлении движения газа (жид-
(жидкости);
И

Pcm- — статическое давление;
ра— динамическое давление.
Следовательно, если манометр присоединен к трубопроводу
с движущейся по нему жидкостью (газом), как указано на
рис. 1, д и в, то он будет показывать динамическое давление
(рд); присоединение же его (точно по центру трубопровода) по
схеме (рис. 1, ж и з) будет показывать 1,37 рд и, соответственно
0,37 р д.
Динамическое давление определяется кинетической энерги-
энергией потока газа (жидкости), проходящего по трубопроводу:
ИЛИ
(8)
где рд— динамическое давление газа (жидкости), выражен-
выраженное в кгс/м2 (кг/м • сек2) или в мм вод. ст.
^jn Пружинный.
V\5 манометр
А
Рис. I. Схемы присоединения манометров к трубопроводу при
измерении давления
7 — уд. вес газа или жидкости, протекающих по трубопро-
трубопроводу (аппарату), при том давлении и температуре, ко-
которые они имеют во время измерения;
w — скорость газа или жидкости, протекающих по трубо-
трубопроводу (аппарату), выраженная в метрах в секунду;
g— ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2.
15

w~o
Для более наглядного представления о статическом и дина-
динамическом давлении на рис. 1 приведены схемы различных спо-
способов присоединения измерительных приборов к трубопроводам
с указанием характера показываемых ими давлений*. Зная ве-
величину динамического давления, мож-
можно вести подсчет скорости газа или
жидкости в трубопроводе, а следова-
следовательно, и расход их в единицу вре-
времени.
При этом следует иметь в виду,
что скорость, а следовательно, и ди-
динамическое давление газов или жид-
жидкостей, протекающих по трубопрово-
трубопроводу, не одинаковы в центре и у стенки
последнего. От максимального значе-
значения в центре оно падает до нуля у
стенки (рис. 2). Поэтому в расчетные
формулы, включающие значение скорости газа или жидкости,
протекающих по трубопроводу, необходимо вводить поправоч-
поправочный коэффициент (ф) на эту неравномерность скорости их дви-
движения (см. следующий параграф).
Рис. 2. Примерная схема
изменения скорости потока
газа (жидкость) и трубо-
проводе (при ламинарном
движекии)
СКОРОСТЬ
Скоростью (w) называется путь (s), пройденный телом в еди-
единицу времени. Эта скорость носит название средней линей-
линейной скорости. Единицей измерения скорости является
1 м/сек в системе МКХСС, МКС и 1 см/сек в системе мер СГС.
При расчетах скорость, как правило, выражают в м/сек.
В связи с тем, что линейная скорость газа или жидкости в
трубопроводе в различных точках одного и того же сечения тру-
трубопровода неодинакова (см. рис. 2), среднюю скорость потоков
определяют как объем жидкости или газа, проводящий через
единицу поперечного сечения трубопровода (аппарата) в еди-
единицу времени / ——= м/сек).
\ м ¦ сек )'
Зная величину скорости, можно вести подсчет количества
(расход) газа или жидкости, проходящих через аппарат в еди-
единицу времени по формуле
V = fw, (9)
* В том случае, корда жидкостный манометр, которым измеряется дав-
давление, залит не водой, а другой жидкостью (спиртом, бензином, керосином
и т. п.), то для переиода давления в мм вод. ст. показание манометра необ-
необходимо умножить на плотность этой жидкости.
16

где V — общее количество газа или жидкости (в объемных
единицах), прошедшее через аппарат (трубопровод)
в единицу времени;
/ — площадь свободного сечения аппарата (трубопрово-
(трубопровода);
w — средняя линейная скорость газа или жидкости, про-
проходящих через аппарат.
Пример. Если через трубопровод внутреннего диаметра
d = 40 мм (г = 20 мм) протекает жидкость со средней скоростью
w = 2 м/сек, то количество ее (V) определится следующим об-
образом: свободное сечение трубопровода f = 3,14@,02J =
= 0,001256 ж2; средняя скорость жидкости со = 2 ¦ 60 • 60 =
= 7200 м/час. Отсюда V = 0,001256 • 7200 = 9,04 м3/час, или
9040 л/час.
Скорость газа или жидкости можно определить по величине
их динамического давления в трубопроводе, пользуясь формулой
или
«W=4,43 \/?± (м*/сек) A0)
r If
Однако при подсчете по формуле F) количество газа или
жидкости скорость здесь должна быть взята средняя, а не мак-
максимальная, как это всегда получается при измерении се трубка-
трубками Пито, диафрагмами и другими измерительными приборами.
Поэтому величину скорости (й)макс), вычисленную по формуле
A0), при подставке ее в выражение F) необходимо привести
к средней скорости, умножив на коэффициент ср, равный 0,5—
0,82*. Отсюда получим расход газа или жидкости
V = 4,43«р J ^- (м3/сек). A1)
Пример. На воздухопроводе диаметром 30 см (г = 15 см)
поставлена трубка Пито. Статическое (абсолютное) давление
воздуха в трубопроводе рст = 786 мм рт. ст.; показание трубки
Пито (динамическое давление) pd= 1,5 см A5 мм) вод. ст. Тем-
Температура воздуха равна 20° С. Определить количество воздуха,
протекающего по трубопроводу в 1 час, если поправочный ко-
коэффициент на неравномерность скорости движения воздуха в
трубопроводе (ср) равен 0,8.
* При ламинарном движении газа или жидкости ф равен ~0,5, п.ри тур-
турбулентном — значение этого коэффициента изменяется от 0,5 до 0,82, в зл-
ыисимости от степени турбулентности.
2 С. Ц. Бесков 17

Решение. Плотность воздуха при 0° и 760 мм рт. ст. р0 =
= 1,2928 кг/мг (см. табл. 5), а при 20° С и 786 мм рт. ст. плотность
его равна
р = 1,2928 — • -^5- = 1,246 кг/м3.
273 + 20 760
Следовательно, уд. в. воздуха равен 1,246 кгс/м'6.
Количество воздуха, протекающего по трубопроводу, опреде-
определится по уравнению A1).
V = f- w = 3,14 @,15J- 0,8- 4,43- ' 15
1,246 '
откуда
V = 0,866 м3/сск
или
V = 0,866 • 3600 = 3120 м3/час
и
G = 3120 • 1,246 = 3900 кг/час.
Применительно к газам, а иногда и к жидкостям, наряду с
линейной скоростью в технике также пользуются понятиями
объемной и весовой скорости.
Объем пая скорость выражает объем газа, прошедшего
через единицу объема данного аппарата в единицу времени. Ес-
Если аппарат имеет насадку, то объемная скорость здесь будет
выражать количество газа, прошедшего через единицу объема,
занятого насадкой. Объемную скорость почти всегда выражают
в литрах в час (л/час) *.
Так, например, если в данном контактном аппарате объем-
объемная скорость газа 2000, то это означает, что через 1 ^объема,
занятого катализатором («1 л катализатора»), проходит 2000 л
газа в 1 час.
Весовая скорость выражает количество килограммов
газа (или жидкости), прошедшее в 1 час через единицу объема
A л) или через единицу площади сечения A см2) данного ап-
аппарата, или, наконец, через данный агрегат в целом. В практике
технологических расчетов к весовой скорости прибегают доволь-
довольно часто, так как эта величина очень удобна для расчетов, про-
производимых с газами, меняющими во время движения свои тем-
температуру и объем; она также упрощает расчет процессов, ко-
которые протекают с изменением агрегатного состояния продуктов
и т. д. Из определения объемной и весовой скорости следует, что
* При расчетах каталитических процессов объемную скорость обычно
принято выражать отвлеченной -величиной.
18

они гшражают расход данного газа или жидкости, проходящих
через аппарат в 1 час, выраженный в объемных или, соответст-
соответственно, в весовых единицах.
РАБОТА И ЭНЕРГИЯ
«Работа — это изменение формы движения, рассматриваемое
с его количественной стороны» *.
При простом механическом движении работа выражается
произведением силы, приложенной к телу, на путь, пройденный
телом под действием этой силы. Если выражать силу в кило-
килограммах, а путь, пройденный телом по направлению этой силы,
в метрах, то получим работу в килограммометрах (кГм или
кгс-м).
Килограммометр (кГм = кг ¦ м2/сек2) является единицей изме-
измерения работы в технической системе мер (МКХСС). В абсолют-
абсолютной системе (СГС) единицей измерения работы служит эрг (э),
в стандартной (МКС) — джоуль (дж). 1 эрг (дн- см = г • см2/сек2)
представляет собой работу, производимую силой в I дн при пе-
перемещении точки ее приложения на I см по направлению дейст-
действия этой силы; 1 джоуль (н-м = кг = м2/сек2) есть работа силы
в 1 н при перемещении точки ее приложения на 1 м.
В технике оценка работы машин часто производится в ки-
киловатт-часах (квт-ч), ватт-часах (вт-ч) и ватт-секундах (вт-
сек)**, а работа, совершаемая газами при их расширении, — в
литро-атмосферах (л-ат).
Зависимость между единицами измерения работы дана в
табл. 2.
Примечания: 1. Способность тела производить работу
называется энергией. Энергия измеряется теми же единица-
единицами, что и работа. Из всех видов энергии в химических процессах
особо важную роль играет внутренняя энергия (U) тела, на
которой более подробно остановимся ниже при рассмотрении
первого закона термодинамики.
2. Формулы для подсчета работы на основании термодинамиче-
термодинамических законов (см. главу IV).
МОЩНОСТЬ
Мощностью (N) называется работа, совершаемая телом или
над телом, в единицу времени. В технической системе мер сдини-
* Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1949 г., стр. 70.
•* В научно-технической литературе ватт-секунда носит название меж-
международного джоуля в отличие от абсолютного джоуля
стандартной системы мер (МКС). Однако в связи с тем, что 1 абсолютный
джоуль равен 0,99968 международного джоуля, в технических расчетах не
делают разграничения между указанными понятиями.
1* 19

Таблица 2
Зависимость между единицами измерения работы (энергии)
Единицы измерения
Киюграммометр (кГм)
Джоуль (дж) или катт-секунда
(вт-сек)
Эрг (э)
Киловатт-час (квт-ч) .
Ватт-час (вт-ч)
Литро-атмосфера {л-ат)
кГм
1
0,102
1,02-Ю-8
3,67-Ю6
367
10,333
дж. или
em-сек
9,81
1
ю-7
3,6Ш6
3,6-Ю3
101.33
е
9,81-Ю
107
1
3,6-1018
3,6-Ю10
1,0133-Юв
квт-ч
2,72-2О~6
2,78-Ю-7
2,78-10~14
1
ю-8
2,82-10~5
вт-ч
2,72-10"
2,78-Ю-4
2,78-10-"
103
1
0,0282
л-ат
0,0968
9.87-10~3
9,87-10—10
3,55-104
35,5
1

цей измерения мощности служит I кГм/сек (кгм2/свк3), в абсо-
абсолютной— эрг н секунду (эрг/сек) и в стандартной — джоуль в
секунду (дж/сек) или, что то же, ватт (вт). Наиболее употреби-
употребительной в технике величиной для измерения мощности является
ватт и киловатт (кит).
1 ar=10'3 квт = 0,\02 кГм1сек=\07 эрг/сек.
Иногда также пользуются одной из устаревших единиц из-
измерения мощности — лошадиной силой (л. с), которая равна
75 кГм/сек, или 736 вт.
Пример. Если каким-либо путем совершается работа в
количестве 15 кГм в течение 1 мин. (т = 60 сек), то для этого
нужна мощность
Л/= —=0,25 кГм/сек @,34 кет, или 0,00334 л. с.)
ТЕПЛОТА
Единицами измерения количества теплоты служат джоуль и
калория (ГОСТ 8550—57). В практике расчетов необходимо раз-
различать малые калории (кал) и большие калории, или килока-
килокалории (ккал). Одна малая калория представляет собой количе-
количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 г, а ккал —
1 кг воды на 1е (с 19,5 до 20,5° С) при нормальном атмосферном
давлении.
Количество теплоты, необходимой для нагревания единицы
массы вещества на 1°, называется теплоемкостью этого
вещества с (с кал/г • град.; с ккал/кг ¦ град; с дж/моль • град и
т. д.). Таким образом, 1 кал по своей величине равна теплоем-
теплоемкости воды.
Теплота, как и всякая форма движения материи, обладает
способностью производить работу. Опытным путем установле-
установлено, что 1 ккал теплоты, если она полностью превращается в ме-
механическую энергию, совершает 427 кГм работы. Наоборот,
1 кГм работы при полном превращении ее в тепловую энергию
дает —!— = 0,00234 ккал.
427
Величина 427 называется тепловым эквивалентом
работы, а = 0,00234 — механическим эквива-
427
л е н т о м тепла.
Пример. Если газу сообщают 5 ккал тепла и все это
тепло идет только на расширение газа, то газ при своем расши-
расширении (увеличении объема) может совершить работу, равную
5-427= 2135 кГм.
21

Зависимость между теплотой и механическими единицами
энергии (работы) приведена в табл. 3.
ТЕМПЕРАТУРА
Температура есть основная величина, характеризующая теп-
тепловое состояние тела; она является мерой тепловой энергии
тела и в случае газов определяет собой кинетическую энергию
их частиц (атомов, молекул). В технике температура всегда из-
измеряется в градусах стоградусной шкалы (f С). Однако в очень
многие расчетные формулы входит а б с о л ю т и а я те м п ера-
тура Т (температура шкалы Кельвина, °К), которая пред-
представляет собой температуру, приведенную к так называемому
«абсолютному нулю», т. е. к —273° С (точнее —273,16° С):
T-----2T3 + t, A2)
где / — температура в градусах стоградусной шкалы.
В технике для всех контрольно-измерительных приборов при
их градуировке установлена единая температура в +20° С, яв-
являющаяся для данного случая нормальной температурой *.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
В результате избытка или недостатка электронов на поверх-
поверхности данного тела (проводника) возникает некоторое количе-
количество электричества (С), или так называемый заряд тела. Заряд
измеряют кулонами. Заряд в 1 кулон соответствует заряду
6.24 ¦ I018 электронов.
Количество электричества (электронов), которое проходит
через проводник через единицу времени, называют силой
т о к а (/, i).
Единицей измерения силы тока служит ампер (а).
При силе тока в ! ампер через поперечное сечение провод-
проводника за 1 сек протекает количество электричества, которое со-
соответствует 6,24- 1018 электронам.
Количество электричества, которое проходит через сечение
проводника в 1 см2 (или через 1 см2 активной поверхности элек-
* В естественных науках и и р .м а л ь п о и температурой принято назы-
называть 0° С. Так, если говорят, что данным газ находится при нормальных ус-
лоииях или чю его нужно принести к нормальным условиям, то здесь в"егд;1
имеется в виду состояние газа паи давлении 7G0 мм рт. ст. и температуре 0°С.
В физической химии температура +20° С носит название стандартной
температуры и условия состояния сшетемы при этой температуре и 760 мм
рт. иг называются стандартными условиями; за последнее время
в физической химии стандартной температурой многими авторами принято
также считать +25° С.
>2

тродй), называется плотностью тока (У, /). Иногда плот
ность тока откосят к сечению проводника в 1 дм2, 1 м2 или
1 кв. дюйм.
Сопротивление (R, г), которое оказывает проводник
прохождению через него электрического тока, измеряется ома-
омами. Практически за единицу сопротивления проводника принято
сопротивление столба ртути высотой 106,3 см при 0° С, имею-
имеющего одинаковое поперечное сечение по всей длине, рав-
равное 1 мм2.
Электрический потенциал (напряжение электриче-
электрического поля — V, напряжение тока и электродвижущая сила —
Е, V), измеряется в вольтах (v). 1 вольт представляет собой
разность потенциалов, под действием которой в проволоке, име-
имеющей сопротивление в 1 ом, возникает ток силой в 1 а.
Мощность (W) электрического тока измеряется ваттами
(вт), а работа тока джоулями (дж) или, что то же, ватт-секунда-
ватт-секундами (вт-сек). 1 в представляет собой мощность неизменяющегося
электрического тока силой в 1 а при напряжении в 1 в, а 1 джо-
джоуль— работу, совершаемую электрическим током в течение
1 сек при мощности его в 1 вт.
1 вт = 1 в- \ a; W -- V ¦ L A3)
Ввиду того, что ватт является величиной очень малсм. в тех-
технике мощность измеряется киловаттами (кет), отнесенными не
к 1 сек, а к 1 часу. Соответственно этому и количество электри-
электричества в технике измеряется ампер-часами. Таким образом,
1 ампер-час представляет собой количество электричества, про-
протекающего через поперечное сечение проводника в течение
1 часа при токе силой г, 1 ампер.
ПРОЦЕНТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ (КОНЦЕНТРАЦИИ) ВЕЩЕСТВ
1?сли имеется смесь веществ, то в практике количество каж-
каждого из них обычно выражают в процентах (весовых, объемных
или молярных) по отношению ко всей смеси, или же в грамм-
молях па 1 л смеси (моль/л).
Необходимо иметь в виду, что для всех газов объемные и
молярные проценты по величине полностью совпадают, так как
1 моль любого газа занимает один и тот же объем.
Перевод весовых процентов в молярные и объемные произ-
производят на основании следующих подсчетов.
Пусть имеется смесь газов или жидкостей, содержащая по
весу а% вещества (компонента) А, в% вещества (компонента)
S, с% вещества (компонента) С и т. д. Если Ма— молекуляр-
молекулярный вес вещества Л, Мв — вещества В, Мг— вещества Сит. д.,
23

то в каждых 100 кг смеси содержится:
а кг, пли ' кг-.моль компонента А;
и т.
или
Д-,
»
а всего
я
— »
— »
а +Ь
1 " 1
6
•— »
м„
с
мТ
+ с +
С 4-
—
—
¦¦¦ ^ 100
¦ . . . : П Кс
кг
'-ЛОЛ 6
Г/I;
С
CMC
Отсюда содержание каждого компонента в молярных процен-
процентах (а для газов это то же, что и в объемных процентах) соста-
составит:
компонента А
A4)
компонента
я
м л
в
!00
Ь
100
Г
ь
100
Ма
¦ а
¦ п
--¦= «o%;
М(, ¦ п.
A5)
Пример. Воздух содержит 21,0% (объемных или моляр-
молярных) Оа и 79,0% N2. В пересчете на весовые проценты содержа-
содержание Оо и N2 в воздухе равно [по уравнению A5)]:
^°3A?iM 2з,з% а.
21,0 ¦ 32.0 -1-79,0 ¦ 28,0
29*1*±.™ ... :76,7%Nf.
21,0 • 32,0 -1-79,0 ¦ 28,0
Отсюда также вытекает, что 1 лг;! воздуха содержит:
-~21- - 0,00937 кг/мп.чьО.,, -bZL --= 0,03527 кг-моль N2;
22,4 ' Ч1А
1 кг воздуха содержит:
-— ¦¦= 0,00728 кг-моль О,, -^- = 0,02739 /сг-люль N2.
32,0 " 28
24

ЗАДАЧИ
эрг;
\
Трубопровад
1. Произвести следующие пересчеты: а) работу в 8 кГм выразить в
джоулях; б) работу 50 квт-ч выразить в кГм, джоулях и эргах; в) тепло-
теплопроводность (X) 1 дж. см/сек ¦ см2 ¦ град выразить в кпл/м2 час • град; г) мощ-
мощность 75 кат выразить в кГм/сек и л. с.
Отпет: а) 78,4 дж; б) 1,83 - 107 кГм, 1,8 - 10я дж и 1,8-1015
в) 86040 кал{м? -час ¦ град; г) 7650 кГм/сек, или 102 л. с.
2) Какую работу могут совершить 200 икал тепла? Какая при этом мо-
может быть развита мощность, если указанное ко-
личестгю тепла будет сообщено телу в течение i 1
5 мин.? ) *~~ (
Ответ. 85 400 кГм, или 8,38-105 дж, или
8,38 • 1012 эрг; 284,6 кГм/сек, или 2,79 кет. или
3,79 л. с.
3. Газ находится под давлением в 1,2 ата. Вы-
Выразить давление: а) в мм рт. ст.; б) в мм вод. ст.
Ответ, а) 912 мм рт. ст.; б) 12 400 мм вод.
ст.
4. Давление газа 748 мм рт. ст. Выразить это
давление: а) в ата; б) в мм, вод. ст.
Отрет, а) 0,984 ата; б) 10170 мм вод. ст.
Г). На воздушной магистрали (трубопроводах)
поставлены ртутный, водяной и керосиновый ма-
манометры. Разность уровней столбов жидкости в
керосиновом манометре равна 56 мм (см. рис. 3),
т. е. избыточное давление в трубопроводе равно
56 мм керосинового столба. Подсчитать, какое
давление будет показывать: а) ртутный манометр;
б) водяной манометр, если давление по всей маги-
магистрали одинаково; в) каково в магистрали абсо-
абсолютное давление (Р ата), если барометрическое
давление (Рд) равно 756 мм рт. ст.
Ответ, а) 3,3 мм; б) 44,8 мм; в) 769,;? мм
рт. ст.
6. Азото-водородная смесь, идущая для сип-
теза аммиака, имеет состав (по объему): 25% N2
и 75% Н2. Выразить состав этой смеси: а) в ве-
весовых процентах и б) в моль/л при нормальных условиях.
Ответ, а) 17,65% И2; 82,35% N2; б) 0,0345 моль/л Н2; 0,0115 моль/л N2.
7. Пересчитать состав следующих газовых смесей, выраженный в объем-
объемных процентах, в весовые проценты: а) печной газ: 6,3% О2. 14,6% SO2 и
79,1% N2; б) аммиачно-воздушная смесь: 21,1% О2, 69,8% N2 и 9,1% NH3.
Ответ, а) 6,0% О2, 27,9% SO2 и 66,1% N2; б) 24,2% О2, 70,2% N2 и
5,()% NH3.
8. По данным анализа лаборатории азотная кислота содержит 70% HNO3
(по несу); уд. вес кислоты 1,42. Подсчитать состав кислоты: а) в молярных
процентах и б) в моль!л, допустив, что остальные 30% в ней приходятся
на воду.
Отпет, а) 39,6% ИМО3 и 60,4% Н,О; б) 15,8 моль/л HNO3 и 21,0 моль/л
М2О.
9. Смешано 500 мл бензола (ССН6) и 300 мл толуола (С6Н5СН3). Опре-
Определить состав смеси: а) в весовых процентах; б) в объемных процентах; в) в
молярных процентах; г) в моль/л, если принять удельный вес бензола 0,88,
а толуола 0,87. При подсчете пренебречь температурным коэффициентом рас-
расширения толуола и бензола и изменением их объема при смешении.
25
Рис. 3. Схема замера
давления (к задаче 5)

Ответ. аN2,8% бензола и 37,2% толуола; б) 62,5% бензола и 37,5%
толуола; в) 66,6% бензола и 33,4% толуола; г) 7,07 моль/л бензола н
3,55 моль/л толуола.
10. Из газометра отобрано 1,5 л СЬ (нри нормальных условиях) и раство-
растворено в 2 л воды. Определить концентрацию СЬ в растворе: а) в весовых про-
процентах; б) в молярных процентах; в) в моль/л, если объем раствора остался
тот же, что и объем воды до растворения в ней хлора; принять молярный
объем хлора равным 22,4 (см. табл. 5).
Ответ, а) 0,24% B,41 г/л); б) 0,066%; в) 0,0335 моль/л.
11. Компрессор засасывает при данных условиях 1070 м3 воздуха в 1 час.
Подсчитать: а) среднюю скорость воздуха в трубопроводе (до компрессора),
!'сли внутренний диаметр этого трубопровода 76 мм; С>) динамическое дав-
давление воздуха, если температура его при поступлении в компрессор равна
18° С, а 6а[шМ1 трическии даи.ичше иоздуха 75") мм рт. ст.; принять w=
¦¦¦¦-- 0,Я5 ffiiMai<L .
Ответ, а) 65,6 м/сек; б) 25,2 мм рт. ст.

Глава II
ОСНОВЫ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА
РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА
И СОСТАВА ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
В промышленной практике довольно часто приходится иметь
дело с вычислениями количественных соотношений между ком-
компонентами начальных и конечных продуктов производства, в
основе которого лежат физические процессы. При этих процес-
процессах не образуется новых компонентов, а только происходят из-
изменения состава продуктов, которые подвергаются обработке
или хранению при определенных условиях. Поэтому, составляя
материальный баланс этих процессов, следует иметь в виду, что
н приходной и расходной частях его участвуют одни и те же
компоненты, но только в различных количественных соотноше-
соотношениях.
Пример 1. Влажность 125 т каменного угля при его хра-
хранении на складе изменилась с 6,5% до 4,2%. Определить, на-
насколько изменился при этом вес угля.
Решение. Вес влаги в первоначальном количестве угля
равен 125-0,065 = 8,125 ш. Вес сухого угля 125—8,125 =
= 116,875 га. Вес угля, при содержании в нем 4,2('/о влаги, со-
116,875 1ООП
ставит - = 122,0 т.
1,0—0,042
'Л

Таким образом, 125 т. угля за счет уменьшения влажности
потеряли в весе 125—122 = 3 т.
Пример 2. На кристаллизацию поступает 10 т насыщен-
насыщенного водного раствора хлористого калия при 100° С. Во время
кристаллизации раствор охлаждается до 20° С. Определить вы-
выход кристаллов хлористого калия, если растворимость его при
100° С составляет 56,7 г, а при 20° С — 34,0 г на 100 г воды.
Решение. Обозначим вес кристаллов КС1 через G. На-
Начальная концентрация раствора хлористого калия
56,7 ¦ 100 „„ 0 .
сня„ = =00,2%;
56,7 + 100
конечная концентрация его
34,0 • 100
25,4%,
34,0+100
Приход.
Вес КС1 в 10 т начального раствора при
Ю0°С ..... . 0,362- 10 -3,62 ,п
Расход.
Вес кристаллов хлористого калия . . . G/n
Вес маточного раствора A0—G) т
Вес КС1 в маточном растворе при 20°С . 0,254A0—G) т
Отсюда имеем
3,62= G + 0,254 A0— G).
Решая это уравнение, получим
G = 1,45m.
Пример 3. Аккумуляторную кислоту, содержащую 92,5%
H2SO4, нужно разбавить водой до содержания в ней
28,5% H2SO4. Сколько нужно взять воды на 100 кг разбавляе-
разбавляемой кислоты?
Решение. Обозначим количество воды х килограммов.
Тогда количество приготовленной кислоты будет равно (ЮО + д:)
килограммов. В 100 кг аккумуляторной, а следовательно, и
A00+х) килограммах приготовленной кислоты содержится
92,5 кг моногидрата, которые должны составить в ней
28,5% H2SO4. Отсюда имеем:
Q9 ^ Q9 S
' . 0,285 или х = --—----- 100 ---224,5 кг.
100 + х 0,285
Таким образом, для получения 28,5-процентной кислоты из
92,5-процентной требуется брать на разбавление 100 кг послед-
28

ней 224,5 кг воды. Общее количество полученной при этом 28,5-
процентной кислоты составит 324,5 кг.
Пример 4. Свежедобытый торф имел следующий состав:
Влага 85,2% Кокс 5,2%
Летучие ... . 8,8% Золя 0,8%
После сутки содержание влаги в нем оказалось 10%. Подсчи-
Подсчитать состав торфа: а) абсолютно сухого; б) после сушки.
Решение. В 100 кг свежедобытого торфа содержится
8,84-5,2 + 0,8 = 14,8 кг летучих, кокса и золы. Отсюда состав
абсолютно сухого торфа следующий:
п 8,8 • 100 гп г.,.,
Летучие — = 59,о %
14,8
т, 5,2 • 100 ог , „.
Кокс ¦— = 35,1 %
о 0,8 - 100 г ...
Зола —: = 5,4%
В пересчете на высушенный торф с 10% влаги это составит:
Летучие A00 — 10) • 0,595 = 53,5 кг или 53,5%
Кокс A00— 10) ¦ 0,351 = 31,6 кг » 31,6%
Зола A00—10) ¦ 0,054= 4,9 кг » 4,9%
Влага 10 кг » 10,0%
1-1 тог о... 100 кг—100%
Пример 5. Сколько нужно взять купоросного масла кон-
концентрации 96% H2SO4 и серной кислоты концентрации
64% H2SO4, чтобы получить 2800 кг 92,0-процентной кислоты?
Решение. Обозначим: х — вес купоросного масла и у —
вес 64-процентной серной кислоты, идущей на смешение.
Тогда
х 4- У = 2800 кг. (а)
При этом, смешивая купоросное масло и 64-процентную серную
кислоту, мы вводим моногидрата H2SO4: с купоросным маслом
0,9Ь х кг, с серной кислотой 0,64 у кг, а всего @,96 х + 0,64 у) кг.
Это количество моногидрата H2SO4 содержится в 2800 кг
вновь приготовленной кислоты, составляя 92,0% ее.
Таким образом
0,96. +0,64j/_ = Q 92_ (б)
2800
29

Решая совместно уравнения (а) и (б), получим:
0,96—0,64
у = 2800 — 2450 -= 350 кг.
СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Расчеты технологических процессов, в результате которых
происходит химическое изменение вещества, основаны на сто
хиометрических законах: законе постоянства состава
и законе кратных отношений, которые выражают
собой взаимное отношение атомов и молекул при их химиче-
химическом взаимодействии друг с другом.
Согласно закону постоянства, любое вещество, ка-
какими бы способами его ни получали, имеет вполне определен-
определенный, постоянный состав.
Закон кратных отношений состоит в том, что при
образовании какого-либо простого или сложного вещества эле-
элементы в молекулу последнего входят в количествах, равных
или кратных их атомному весу. Если же отнести этот закон к
объемам, вступающих в реакцию веществ, то он примет следу-
следующую формулировку: если вещества вступают в химическую
реакцию в газообразном состоянии, то они при одинаковых
условиях (Р и t) могут соединяться только в объемах, которые
откосятся между собой, как целые числа.
Пример. Химический анализ природного известняка по-
показал следующее. Из навески известняка 1,0312 г путем се
растворения, последующего осаждения ионов Са " щавелево-
щавелевокислым аммонием и прокаливанием осадка СаС2О4 получено
0,5384 г СаО, г из навески 0,3220 г путем разложения кислотой
получено 68,5 см3 СО2 (приведенных к нормальным условиям).
Подсчитать содержание углекислого кальция и магния в изве-
известняке, если весь кальций в нем находится только в ви-
виде СаСОд, а угольная кислота — в виде карбонатов кальция
и магния.
Решение. Мол. в. СаО равен 56,08, СО2 — 44,0, СаСО3 —
100,1 и MgCO3 — 84,32. Мол. объем СО2 равен 22,26 л/моль
B2260 еле/моль). По данным анализа из 100 г природного из-
известняка получено:
0,5384 ¦ 100 п по ., „
0,931 мол СаО;
1,0312 - 56,08
68,5 • 100
0,3220-22260
30
= 0,956 мол СО2

Отсюда следует, что в- 100 г известняка содержится 0,931 мол,
или 0,931 • 100,1 = 93,2 г СаСО3. На это количество СаСО3 выде-
выделится при разложении 0,931 моль СО2. Остальные
@,956—-0,931) = 0,025 моль СО2 связаны в известняке в виде
MgCC>3. Следовательно, в 100 г известняка содержится
0,025 • 84,32 = 2,1 г MgCO3. Таким образом, природный извест-
известняк содержит: 93,2% СаСО3, 2,1% MgCO3 и 4,7% пустой по-
породы.
УРАВНЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА
Как было уже указано выше, материальный баланс любого
технологического процесса или части его составляется на осно-
основании закона сохранения веса (массы) вещества;
EGHCX = XGK0H, A6)
где *-GHCX— сумма весов (масс) исходных продуктов процес-
процесса (цикла),
-^>«л< — сумма весов (масс) конечных продуктов его в тех
же единицах измерения.
Таким образом, если в какой-либо аппарат или технологи-
технологический узел поступает GA кг продукта Л, GB кг продукта В и
т. д., а в результате переработки их получается (выходит из
аппарата) Gc кг продукта С, Gи кг продукта D и т. д., а так-
также если в конечных продуктах остается часть начальных про-
продуктов А (СА. кг), В (Ga. кг) и т. д., то при этом должно со-
сохраниться равенство
Gc
A6a)
B. + Gc+ GD + . . . + &
где AG — производственные потери продукта.
Результаты этих подсчетов сводят обычно в таблицу мате-
материального баланса.
Типовая таблица материального баланса
статья
Продукт А
г В
Ит
Приход
прихода
ОГО ...
количество,
кг
GA
GB
G
1
Расход
статья расхода
Продукт А (остаток) . .
Я ' » »
с
D ....
Производственные потери
Итого . . .
количество,
кг
GA-
ав,
Gc
GD
ДО
G
31

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Па упаривание поступает 9200 кг/час 56-про-
56-процентного раствора аммиачной селитры NH4NO3. После упарива-
упаривания из выпарного аппарата выводится 5350 кг/час раствора с
концентрацией 96% NH4NO3. Составить материальный баланс
процесса упаривания.
Решение. В выпарной аппарат поступает 9200 кг/час
раствора аммиачной селитры. Расходная часть процесса упа-
упаривания будет составляться из: а) выпаренного раствора ам-
аммиачной селитры в количестве 5350 кг/час; б) вторичного пара
(пара, выделяющегося из раствора) и в) производственных по-
потерь, которые подсчитываются по разности между весом посту-
поступающего в аппарат раствора и количеством выпаренного раст-
раствора и вторичного пара.
Подсчитаем количество пара, удаляющегося из раствора
аммиачной селитры в выпарном аппарате.
Количество растворителя (воды), посту-
пающсго на выпаривание с 56-процент-
56-процентным раствором селитры 9200 • A—0,56) =4048 кг/час
Количество растворителя (воды), уходя-
уходящего из выпарного аппарата выпари-
выпариваемым раствором селитры 5350 ¦ A—0,96) = 214 »
Количество растворителя (воды), удаляю-
удаляющегося из раствора в виде вторичного
паря 4048—214 ---3834 кг/час
Колмчестро выпаренного раствора и вто-
вторичного папа 5350+3834 = 9184 кг/час
Производственные потери 9200—9184 = 16 »
Свед'ем результаты подсчетов в таблицу материального
баланса.
Материальный баланс процесса упаривания аммиачной селитры
Приход
статья прихода
-процентный раствор
аммиачной селитры
Итого . . .
количество,
кг/час
9200
9200
Расход
статья расхода
Раствор выпаренный (кон-
(концентрация 96%) . . .
Пар вторичный
Производственные потери
Итого . . .
количество,
кг/час
5350
3834
16
9200
Пример 2. На кристаллизацию поступает 5000 кг 96-про-
v-нтного раствора (плава) аммиачной селитры. Готовый про-

дукт (аммиачная селитра) содержит 99,8% NH4NO3 и 0,2% вла-
влаги. Составить материальный баланс процесса кристаллизации.
Решение.
Количество оезиолнон селитры N!I4NO3 в перво-
первоначальном растворе , 5000-0,96=4800 кг
Количество влаги в этом растворе 5000—4800 = 200 кг
Количеств готового продукта, полученного пос-
после кристаллизации 4S00-0 , 998=4810 кг
Количество влаги в готовом продукте 4810—4800=10 кг
Количество влаги, удаленной в виде паров ко
время кристаллизации 200—10=190 кг
Результаты подсчетов представим в виде таблицы матери-
материального баланса.
Материальный баланс процесса кристаллизации аммиачной селитры
Приход
статья прихода
Раствор селитры (плав)
В нем:
а) М-ЦЫОз 4800 кг
б) влаги 200 кг
Итого ...
количество,
кг
5000
5000
Расход
статья расхода
Готовый продукт (селит-
(селитра)
В нем:
a) NH4NO3 4800 кг
б) влаги 10 кг
Пары воды из раствора
селитры
Итого ...
количеств 1
кг
4810
190
5000
Пример 3. Раствор сернокислой меди CuSO4 в процессе
кристаллизации охлаждается со 100 до 20° С. Определить ко-
количество полученного при этом медного купороса Си5О4-5Н2О
из 1 г начального раствора CuSO4, если растворимость серно-
сернокислой меди при 100° С равна 75 г, а при 20° С равна 20,7 г на
100 г воды.
Решение. Обозначим вес медного купороса, получаемого
из 1 т начального раствора CuSO4, через G тонн. Отсюда вес
маточного раствора определится A — G) тонн. Начальная кон-
концентрация сернокислой меди
75 • 100 ,„ осп/
снач = = 42,86%,
на 75+100
конечная концентрация сернокислой меди
20,7 • 100
20,7 + 100
= 17,15%.
3 С. Д. Бесков
33

Составим баланс приходной и расходной части процесса
кристаллизации CuSO-j:
Приход
Вес CuSO4 в 1 т начального расткора при 100° С . . 0,4286 т
Расход
а) Вес CuSO4 в полученном медном купоросе (мол.
вес CuSO4= 159; мол. вес CuSO4-5H,O =-249) . .
249
б) Вес CuSO4 D маточном растворе при 20° С ... 0,1715 A— G) m
Таким образом,
0,4286= -1^ + 0,1715A —О).
Отсюда G = 0,55 т.
Материальный баланс кристаллизации медного купороса
Приход
статья прихода
Раствор CuSOj (при
100° С) с содержанием
75-100
100+75 -42'80^-^°*
Итого . . .
количество,
кг
1000
1000
Расход
статья расхода
Медный купорос CuSO4X
X51-UO
Маточный раствор (при
20е С) с содержанием
20,7-100
100+20,7 '' и/0
CuSO4
Итого . . .
количество.
кг
550
450
1000
Пример 4. Какой концентрации и в каком количестве
надо взять серную кислоту (или олеум), чтобы при смешении
ее с 72-процентной азотной кислотой получить 1800 кг смеси со-
состава: 62% H2SO4, 30% HNO3 и 8% Н2О?
Решение. Смесь (конечный продукт) должна содержать:
Моногидрата H2SO4 1800 0,62=1116 кг
Моногидрата MNO3 18000,30=540 кг
Воды 18000,08=114 кг
Для получения в конечном продукте 540 кг моногидрата
540
Н1МО3 необходимо взять 72-процентной азотной кислоты =•
= 750 кг. Остальные 1800—750 = 1050 кг приходятся на серную
кислоту (или олеум), концентрация которой определится сле-
следующим образом.
34

Вместе с 750 кг 72-процентной азотной кислоты вводится
750—510 = 210 кг Н2О. В кислотной смеси должно содержаться
144 кг воды. Следовательно, с азотной кислотой вводится избы-
избыток воды в количестве 210—144 = 66 кг.
Таким образом, для смешения следует брать олеум (в коли-
количестве 1050 кг, см. выше), для того чтобы свободный SO3 олеу-
олеума связал эту избыточную воду.
SO3 + Н2О = H,SO4
80,1 18,0 98,1
Следовательно, на 66 кг избыточной воды потребуется
66 80,1
18,0
Значит, в 1050 кг олеума должно содержаться 293,7 кг свобод-
свободного SO3, что составит (крепость олеума):
293.7 ¦ 100
1050
= 27,96%.
Пример 5. Из 1200 кг смеси кислот (I) состава: 68%
H2SO4, 22% HNO3 и 10% Н2О необходимо приготовить 2000 кг
смеси (II), содержащей 63% H2SO4, 28% HNO3 и 9% Н2О. Для
дозировки имеются 82-процентная азотная кислота, 92-процент-
92-процентная серная кислота (купоросное масло) и 20-процентный олеум,
который соответствует 104,5-процентной концентрации H2SO4-
Сколько требуется взять азотной кислоты, купоросного масла
и олеума?
Решение. Смесь (II) должна содержать моногид-
моногидрата HNO3
2000 • 0,28 = 560 кг.
Со смесью кислот (I) вводится моногидрата HNO3
1200-0,22 = 264 кг.
Следовательно, 560—264 = 296 кг моногидрата HNO3 необходи-
необходимо ввести, пользуясь имеющейся в нашем распоряжении 82-
процентной азотной кислотой. Отсюда количество последней
296
составляет —-— ---- 361 кг.
0.82
Остальные 2000—A200 + 361) =439 кг исходного продукта
должны быть компенсированы серной кислотой или олеумом,
крепость которых определится следующим образом.
Смесь (I) содержит 1200-0,1 = 120 кг воды. Кроме того,
вводится ее с азотной кислотой 361-0,18 = 65 кг. Следователь-
Следовательно, добавляя к 1200 кг смеси (I) 361 кг 82-процентной азотной
3* 35

кислоты, получаем ! 561 кг новой смеси, содержащей 120 + 65 =
= 185 кг воды.
В заданной смеси кислот (II) должно содержаться воды
2000-0,9= 180 кг. Таким образом, с азотной кислотой введен
избыток воды в количестве 5 кг. Значит, недостающие 439 кг
исходного продукта (см. выше) для приготовления 2000 кг сме-
смеси (II) следует компенсировать олеумом, свободный SO3 которого
должен связать этот избыток воды. Крепость олеума опреде-
определяется так. На 5 кг избыточной воды требуется SO3 для обра-
образования H9SO4.
80Л5 = 22,25 кг.
18,0
Это количество SO3 вводят с 439 кг олеума. Отсюда в послед-
последнем должно содержаться свободного SCD3
22.25-100 =507%j
439
Олеум такой крепости соответствует 0,225-5,07+100= 101,14-
процентной концентрации H2SO4 *.
По условиям задачи в нашем распоряжении имеется 20-про-
20-процентный олеум и 92-процентная серная кислота. Подсчитаем,
3,П
/2.5 .
Рис. 4. Правило прямой (к
3,36
примеру 5)
42V щн°/. ту/.
сколько требуется взять последних для приготовления 5,07-про-
5,07-процентного олеума.
Рассчитывая по правилу прямой (рис. 4), получаем, что на
439 кг 5,07-процентного олеума нужно брать 20-процентного
олеума
_9J!J39_ кг
12,5
439—321 = 118 кг.
и 92-процентной серной кислоты
Таким образом, для приготовления 2000 кг смеси (II) ука-
указанного выше состава следует взять:
Смеси A) 1200 кг
82-процентной азотной кислоты 361 кг
20 процентного олеума 321 кг
92 процентной серной кислоты 118 кг
* Для (подсчета крепости олеума в процентах H2SO.1 в зависимости от
98,1
содержания в нем свободного SO3 (х%) служит формула—— х + A00—х) =
= @,225* 4- Ю0)% H2SO4.
36

Пример 6. .Сколько можно получить (теоретически) би-
хромата натрия Na2Cr207 из 1 т хромистого железняка, содер-
содержащего 70% Cr2O3-FeO. Мол. вес Сг2О3 ¦ FeO 223,8,
Na2Cr207 — 2G2.
Решение. Процесс получения Na2Cr207 из хромистого же-
л'езняка схематически можно передать уравнениями
2Сг2О3 • FeO + 4Na2CO3 + 3,?О2 — 4Na2CrO4 + Fe2O3 + 4СО2
4Na2Cr04 + 2H2SO4->2Na2Cr2O, + 2Na2SO4 + H2O.
Отсюда следует, что 1 кг-моль B23,8 кг) Cr2O3-FeO дает в ре-
результате реакции 1 кг-моль B62 кг) бихромата натрия —
Na2Cr207. Если в руде содержится 70% хромистого железняка,
то для получения тех же 262 кг Na2Cr207 потребуется руды
223,8-0,70 = 320 кг. Следовательно, из 1 т хромистого желез-
железняка, содержащего 70% Сг2О3 • FeO, можно теоретически полу-
получить -^- = 0,82 т Na2Cr207.
320
Пример 7. Сколько потребуется аммиака для получения
1 т азотной кислоты, если производственные потери азота со-
составляют 6%?
Решение. Получение азотной кислоты из аммиака идет
в несколько стадий: сначала аммиак окисляется в окись азота,
затем в двуокись азота, которая многократным поглощением
водой или слабой азотной кислотой превращается в HNO3. Схе-
Схематически это можно представить следующими реакциями:
4NH3 + 5О2 -* 4NO + 6Н2О,
2NO + Оа -> 2NOa,
3NO. + Н2О -* 2HNO3 + NO.
Если этот расчет вести последовательно по отдельным реак-
реакциям, то он окажется довольно сложным. Для решения же по-
поставленного в нашем примере вопроса сделаем следующий про-
простой подсчет.
Из химических формул аммиака NH3 и азотной кисло-
кислоты HNO3 видно, что молекула каждого из этих веществ содер-
содержит по 1 атому азота. Следовательно, из 1 кг-моль A7,0 кг) NH3
теоретически можно получить 1 кг-моль F3,0 кг) HNO3. Отсюда
следует, что на 1 m HNO3 при потерях в процессе производства,
составляющих 6% азота, потребуется аммиака
0,94 • -1™.= 0,245m.
63,0
Пример 8. Анализ нефелино-апатитовой руды показал,
что она содержит 20,6% Р2О5 и 8% А12О3. Подсчитать отдельно
37

содержание в руде апатита и нефелина, если принять химиче-
химическую формулу
первого [Саа(РО4J]3 • СаС1я • 2CaF2l
второго Na2O • КЛ ¦ А12О3 • 4SiO2
и если весь Р2О5 в руде связан в виде апатита, а А12О3 в виде
нефелина.
Решение. Молекулярные веса:
Апатита [Са:1(РСШ3 • СаС12 • 2CaF2. .. 1198,0
Нефелина №2О • К2О • А12О3 • 4SiO2.. 498,3
Окиси алюминия А1.,О3 101,9
Пятиокиси фосфора Р2О6 142,1
Химическая формула апатита показывает, что в состав его
молекулы входит G атомов Р, которые соответствуют трем мо-
молекулам Р2О5. Следовательно 20,6% Р2О5 в составе руды будут
соответствовать содержанию апатита в количестве
20,6.1198,0
142,1 • 3
Делая аналогичный подсчет содержания нефелина в руде по
количеству в ней А12О3
8,0- 498,3
101,9
== 39,1 %.
Таким образом, в апатито-нефелиновой руде содержится 57,9%
апатита, 39,1% нефелина и 3,0% пустой породы.
Пример 9. Негашеная известь содержит 94% СаО,
1,2% СО2 и 4,8% примесей. Получается она обжигом извест-
известняка, содержащего 89% СаСО3. Определить расходный коэф-
коэффициент известняка на 1 т извести указанного состава и сте-
степень обжига известняка.
Примечание. СО2 в негашеной извести получается из-за наличия в
ней карбонатов (СаСО3), количество которых определяет степень обжига из-
известняка.
Решение. Мол. вес СаО 56,1, СО2 44,0 и СаСО3 100,1.
Для получения 94% СаО, содержащихся в 1 т негашеной из-
извести, потребуется СаСО3:
i^-- 0,94= 1,677m.
56,1
Кроме того, СаСО3 содержится в негашеной извести в виде не-
неполного обжига (недопала) в количестве
100,1
0,012 = 0,027т.
44.0
38

Таким образом, на 1 т негашеной извести расходуется
СаСО3 1,677 + 0,027= 1,704 т, что составит
= 1,91т известняка (содержащего 89% СаСО3).
0,89
Степень обжига известняка:
1,677 ¦ 100
1,704
= 98,4 о/о .
Пример 10. Определить состав полуводяного газа, если в
генератор поступает паро-воздушная смесь в отношении 1:3,
т. е. на 1 объем водяного пара 3 объема воздуха. Определить
выход газа на 100 кг углерода.
Примечание. Состав воздуха (по объему): 21% О2 и 79°/о N2
Решение. В 100 /i3 паро-воздушной смеси при соотноше-
соотношении в ней водяного пара и воздуха 1 :3 содержится:
Н2О (пар) -100 ' ' = 25 мл
4
4
100 ¦
4
100 -
3
3
О, 0,21 • - 1Ш ' 3 = 15,75 м3
4
N2 0,79 . - 10° ' 3 = 59,25 м3
4
При газификации протекают реакции (теоретически):
С + Н2О = Н2 + СО и 2С + О2 = 2СО.
Таким образом, из 1 объема Н2О получается 1 объем Н2 и
1 объем СО, а из 1 объема О2 образуется 2 объема СО. Следо-
Следовательно, на каждые 100 м3 паро-воздушной смеси, при содер-
содержании в ней 25 м3 Н2О и 15,75 м3 О2, получается 25 л«3 И2,
25 л3 СО (за счет Н.О) и 15,75-2 = 31,5 м3 СО (за счет О2);
останутся непрореагировавшими 59,25 At3 азота. Всего из 100 м2
паро-воздушной смеси образуется B5 + 25 + 31,5 + 59,25) =
= 140,75 мй газа; теоретический его состав:
Н2 2510° =17 %
, %
140.75
СО -i2^!'5'-100 ^40,Ю/0
140,75
N2 ^25-'0
140,75
39

ЗАДАЧИ
1. Железная руда при сушке на воздухе потеряла 5% своего веса. При
анализе воздушно-сухой руды найдено п ней 3% влаги, 61,5% Fe и 9% «пу-
«пустой породы». Подсчитать начальный состав руды (перед сушкой), считая,
что все железо в пей находится в виде Fe.03.
Ответ. 7,9% влаги, 83,6% Fe_O3 и 8,6% «пустой породы».
2. Рассол, содержащий 21,5% КС1 и 16,9% NaCl, подвергают кристалли-
кристаллизации. Состав маточного раствора, выходящего из кристаллизатора' 12,5% КС1
и 18,5% NaCl. Подсчитать: а) количество маточного раствора, получаемого
из 1 т первоначального рассола; б) количество выкристаллизовавшегося KCI
(в процентах).
Ответ, а) 913,5 кг; б) 47,0%.
3. Сухой конвертированный газ (азото-водородная смесь) состава:
28% СО:, 3,0% СО, 51,4% Н2, 16.8% N2, 0,5% (О2 + СН4) и 0,3% H2S под-
подвергается полной очистке от СО2. СО и H2S. Подсчитать: а) состав газа после
очистки; б) сколько можно получить элементарной серы из 1000 м3 сухого
га.ча, если очистку его от НгБ вести с утилизацией серы.
Ответ, а) 74,8% Н2, 24,5% N2 и 0,7% (О2 + СН4); б) 2.8 кг серы.
4. Требуется приготовить 38,0 т 80,0-процентной серной кислоты из кис-
кислот, содержащих 74,0% H2SO4 и 95,0% H2SO4. Подсчитать необходимое ко-
количество исходных кислот.
Ответ. 27,14 m 74-процентной и 10,96 т 95-процентной кислоты.
5 Смешано: а) 12,25 т смеси кислот состава: 66,0% H2SO4 и 34,0 HNO3;
б) 5,63 т олеума, содержащего 104,0% H2SO4; в) 2,24 т купоросного масла
концентрации 94,0% H2SO4. Определить состав полученной смеси (конечного
продукта).
Ответ: 80,5% H2SO4 и 20,6% HNO3.
6. Требуется приготовить смесь кислот состава: 68,5% H2SO4 и 23,5%
HNO3. В качестве исходных продуктов служат: а) смесь состава: 52,7% H2SO4
и 38,2% HNO3; б) купоросное масло с содержанием 94,0% H2SO4; в) отра-
отработанная кислота, содержащая 74,0% H2SO4. Сколько требуется взять каж-
каждого из исходных продуктов для приготовления 10 т конечной смеси?
Ответ. 6,15 т смеси, 3,81 т купоросного масла и 0,04 т отработанной
кислоты.
7. Отработанную кислоту состава: 56,5% H2SO4 и 25.2% HNO3 требуется
укрепить до содержания в ней 68,5% H2SO4 и 27.5% HNO3. Для укрепления
служат: азотная кислота концентрации 93% HNO3 и олеум с содержанием
105,0% H2SO4. Сколько следует взять исходных продуктов для приготовле-
приготовления 1 т смеси?
Ответ. 260,2 кг отработанной кислоты, 225,2 кг азотной кислоты и
514,6 кг олеума.
8. Вычислить теоретический выход фосфорной кислоты при обработке
фосфата кальция серной кислотой; определить также расход фосфата кальция:
Са:)(РО4), ! 3H,SO4 - 3CaSO4 !-2H,PO4.
Ответ. 0,67 кг фосфорной кислоты и 1,05 кг фосфата кальция на 1 кг
серной кислоты (считая на моногидрат).
9. Рассол в количестве 9.5 т упапииают от начальной концентрации рас-
растворенного в нем вещества, равной 20%, до конечной концентрации — 65%.
Составить материальный баланс процесса упаривания, с учетом производ-
производственных потерь 0,2%.
Ответ. Приход: рассол неупаренпый — 9500 кг; расход — рассол упа-
упаренный до концентрации 65%—2917 кг, выпарено растворителя 6564 кг, по-
потери 19 кг.
10. Химический состав оконного (силикатного) стекла выражают фор-
формулой: Na,0 • СаО ¦ 6SiO2; составные части стекла образуются из следующих
40

продуктов: Na2O —из соды, СаО — из известняка, SiO2 —из песка. Подсчи-
Подсчитать теоретические расходные коэффициенты по сырью при производстве
стекла если сода содержит 93,8% Na2CO3, известняк — 90,5% СаСО3 и песок
99,0% SiO2.
Ответ. 0.224 соды, 0,230 известняка и 0,761 песка.
П. Суперфосфат получается разложением фосфоритов серной кислотой.
При этом протекают следующие реакции с основными составными частями
фосфорита:
Са3(РО4J + 2H,SO4 = ЗСаН4(РО4J + 2CaSO4,
СаСО3 + H2SO4 = CaSO4 + СО2 + Н2О,
RaO, + 3H2SO4 = R2 (SO4K + ЗН2О.
Подсчитать расход серной кислоты для этого процесса, если суперфосфат
имеет в своем составе 25,5% Р2О5, 4,1% СО2 и 5,9% R.O3.
Ответ. 591 кг моногидрата серной кислоты на 1 пг фосфорита.
12. Выход фосфора из фосфата кальция Са3(РО4J составляет 91% от
теоретического. Подсчитать расход фосфорита, содержащего 25% Р2О5 на
1,0 кг фосфора.
Отпет. 10,1 кг.
13. Суперфосфат Са(Н2РО,|J • 2Н.0 + 2CaSO4 • 2Н2О получают разложе-
разложением фосфорита Ca3(POdJ серной кислотой. Действуя на суперфосфат ам-
аммиаком, получают аммонизированный суперфосфат СаНРО4 + NH4H2PO.(;
смешение суперфосфата с сульфатом аммония дает аммиачный суперфосфат
CaSO^ • 2Н2О + 2NH4H_PO<. Подсчитать: а) сколько теоретически можно по-
получить аммиачного или аммонизированного суперфосфата из 1 m 60-процент-
60-процентного фосфорита; б) сколько для этого требуется 25-процеитной аммиачной
воды и сульфата аммония? Потери не учитывать.
Ответ, а) 582 кг аммиачного суперфосфата или 486 кг аммонизиро
ванного суперфосфата; б) 157 кг аммиачной воды и 212 кг сульфата аммония.
14. Подсчитать, какова должна быть производительность аммиачного за-
завода C112 -г N2 = 2NH3), если водородный цех при нем имеет 15 генерато-
генераторов производительностью каждый 350 ж3 водорода в 1 час, если чистота
водорода 98% и производственные потери Н2 составляют 2%.
Отпет. 34,4 т NH3 в сутки.
15. Производительность аммиачного завода 34 т NH3 в сутки. Какой
минимальной емкости должны быть газгольдеры для Н2 и N2 для того, чтобы
последних было не менее двухчасового запаса?
Ответ: 1867 ж3 N2 и 5600 Л13 Н2.
16. Цианамид кальция получают азотированием карбида кальция: СаС2 ¦+¦
i N2 = CaCN2 + С. Карбид кальция в свою очередь получают при взаимо-
взаимодействии углерода (угля) и извести при высокой температуре (СаО + ЗС =
= СаС2 + СО). Известь — обжигом известняка (СаСО3 = СаО + СО2) и азот
путем физического разделения воздуха на N2 и О2. Определить производи-
производительность цианамидного завода и расходные коэффициенты по сырью, если
а) при азотировании СаС2 расходуется 1600 м3 азота и коэффициент его ис-
использования равен 0,75, б) содержание СаС2 в готовом продукте равно 65%
и в) известняк, идущий в переработку на известь в известковообжигатель-
них печах, содержит 85% СаСО3.
Ответ. 156 m цианамида кальция в сутки.
17. Подсчитать расход: а) аммиака и 0) воздуха на 1 т моногидрата
HNO3, если степень окисления NH3 и NO равна 0,96, а степень абсорбции 0,98.
При подсчете учитывать расход воздуха только для реакций окисления NH3
и NO.
Ответ, а) 289 кг NH3; б) 4550 м3 воздуха (при 0° С и 760 мм рт. ст.).
41

18. Подсчитать расход аммиака, воздуха и воды на 1 т 50-процентной
азотной кислоты при степени окисления, равной 0,95, и степени абсорбции,
равной 0,96. При подсчете расход воды и воздуха учитывать только на реак-
реакцию образования HNO3.
Ответ. 296 кг аммиака; 100 кг воздуха; 387 кг воды.
19. Сколько можно получить концентрированной B0-процентной) аммиач-
аммиачной воды из 1 т угля при его коксовании, ест содержание а.чота в угле
1,0%, причем в NH3 он переходит в количестве 20%,?
Отпет. 12,1 кг аммиачной воды.
20. Подсчитать объем газа (приведенного к нормальным условиям), ко-
¦орый получается при взрыве 1 кг следующих взрывчатых веществ:
а) пироксилина
C,4H2eO8(ONO2)u = 15СО + 9СО2 +9НаО + 5,5НЯ + 5,5N2;
б) нитроглицерина
2СаНйО3 (NO2K = 6СО2 + 5Н2О + 3N., + ~- О2;
is) тетранптропситаэритрита (тэна)
C(CH2ON(XL - 3,1 СО2 + 1.9СО + 3,9Н,О + 0,Ш2 + 2Na;
г) пикриновой кислоты
2С0Н2 (NO2KOH = 3N2 + СО2 + 1 ICO + Н2О + 2Н2;
д) аммонита состава: 17% тротила и 83% аммиачной се-
селитры
2CCH2CH3(NO2K + 27,7NH4NO3 = 14CO2 + 60,4НаО +
+ 30,7N2 + 3,35O2
Ответ (считая воду парообразной): а) 8й2 л; б) 714 л; в) 779 л\ г) 781 л;
д) 874 л.
21. Сколько требуется карбида кальция для получения 100 л сухого аце-
ацетилена (при нормальных условиях), если коэффициент использования СаС2
ранен 0,91 (СаС2 + 2Н2О = Са(ОНJ + CJb)?
Ответ. 0,311 кг.
22. Газ состава (по весу): 27,3% СО, 5.4% СО2, 0,6% О, и 66,7% N2
i-жнгают с воздухом BСО + Ог = 2СО2). При этом последнего берется такое
количество, чтобы был 20-процептпый избыток кислорода по отношению ч
сгораемому компоненту в газе (СО). Подсчитать: а) состав продуктов сго-
сгорания; б) вес их, получаемый н 100 кг сжигаемого газа, если СО сгорает
па 98%.
Ответ, а) 18,8% СО2, 1,8% О2, 0,3% СО н 79,0% N2 (по объему).
б) 178,2 кг.
23. Известняк, кроме карбоната кальция, содержит карбонат магния и
нерастворимый остаток. После обработки известняка 12-процентиой (по весу)
серной кислотой остаток от реакции подвергся анализу. Анализ показал, чт,(
в остатке содержится (по весу): 8,56% CaSO4, 5,23% MkSO4, 1,05% H2SO4,
0,12% СО2, 0,53% нерастворимого остатка и 84,51% ЫгО. Подсчитать: а) со-
состав взярого известняка; б) избыток взятой для реакции серной кислоты;
в) состав выделяющихся при реакции газов.
Ответ, а) 60,1% СаСОз, 34,9% MgCO3 и 5% остатка; б| 10,5%;
и) 95,8% Н2О и 4,2% СО2.
'¦1

24. Промышленное получение НС1 и сульфата натрия протекает в 2 ста-
стадии по следующим уравнениям:
1) NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl,
2) NaCl -f NaHSO4 = Na2SO4 + HCl.
Первая из этих стадий осуществляется сравнительно легко, вторая про-
протекает при сильном нагревании. Серную кислоту для этого процесса берут
в небольшом избытке по отношению к количеству ее, необходимому для пере-
перевода всего NaCl в среднюю соль (Na2SO4). Концентрация применяемой для
процесса серной кислоты равна 75%; сульфат, получаемый в результате этого
процесса, имеет следующий состав: 91,48% Na2SO4, 4,70% NallSO,, 1,98%
NaCl, 1,35% Н2О и 0,40% HCl. Хлористый водород вместе с водяными парами,
получающимися в результате испарения НгО из подпой серной кислоты, идет
после охлаждения в абсорбционную установку. Подсчитать: а) полноту реак-
реакции (степень превращения NaCl в ЫагЯО.»); б) количество полученного суль-
сульфата и:з 1 т загружаемой соли, считая, что она содержит 100% NaCl; в) со-
состав полученного газа; г) количество полученного газа; д) расход серной
кислоты.
Ответ, а) 94,4%; б) 1,26 т; в) 69,6% НС1 и 30,4% Н2О (по весу);
г) 691 кг на 1 гп сульфата, или 866 кг на 1 гп. загружаемой соли; д) 895 кг
на 1 m сульфата.

Глава III
ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
В практике технологических расчетов химических произ-
производств широко пользуются газовыми законами, которые выра-
выражают взаимную связь трех параметров (давление, объем, тем-
температура), характеризующих физическое состояние газа.
Если частицы газа отдалены друг от друга на такое расстоя-
расстояние, что силами взаимодействия между ними и частью объема,
который они занимают, можно пренебречь, то такое состояние
газа называется идеальным. Такому состоянию при нормаль-
нормальных условиях соответствуют все одноатомные газы (гелий, ар-
аргон, пары металлов и т. д.), при сравнительно высоких темпе-
температурах A00—200° С) —двухатомные газы (Н2. О2, N2 и т. д.),
и при некотором разрежении или достаточно высокой темпера-
температуре (порядка 300—400° и выше)—трехатомные и четырех-
четырехатомные газы (СО2, NH3, CH4 и т. д.).
В практике идеальными называются такие газы, которые под-
подчиняются уравнению Менделеева — Клапейрона (см. ниже) в
пределах допустимых ошибок измерения.
Газы, которые отклоняются от идеального состояния, носят
название реальных газов. Чем больше плотность и давле-
давление газа, тем больше взаимодействие между частицами, а сле-
следовательно, тем больше газ отклоняется от идеального состоя-
состояния.
41

Рассматриваемым ниже законам Бойля, Гей-Люссака, Мен-
Менделеева— Клапейрона и Дальтона строго подчиняются только
идеальные газы. Однако в технических расчетах этими законами
достаточно точно, без особо грубых ошибок, можно пользо-
пользоваться для любых газов до пределов их критических констант *.
ЗАКОН БОЙЛЯ
При постоянной температуре объем (V) дан-
данного количества газа обратно пропорциона-
пропорционален давлению (Р):
PV = const, A7)
или, что то же
где Vi — объем данного количества газа при давлении Pi,
V2 — объем того же количества газа при давлении Рг-
Так, например, если газ при давлении 3 ата (Pi) занимает
объем, равный 50 м3 {V\), то при 10 ата (Рг) и той же темпера-
температуре он займет объем AЛ>), равный
рг ю
ЗАКОН ГЕЙ-ЛЮССАКА
Закон Гей-Люссака выражает зависимость между объемом
и температурой идеального газа при постоянном давлении, а
также между температурой и давлением этого газа при посто-
постоянном объеме.
Если давление газа остается постоянным, то при повышении
температуры на Iе С объем его увеличивается приблизительно
на '/27з @,00367) ** часть того объема (Vo), который то же коли-
количество газа занимает при 0е С.
Отсюда следует, что если Vqm3 (или литров, см3) газа нагреть
от 0° до t° С, то объем его {V) при этой температуре опреде-
определится:
V = V° + -ЦтГ = Vo A + ~А = Vo(\ + 0,00367/), A9)
* Сравнительные вычисления параметров физического состояния [азов
по законам идеального и реального их состояний см. стр. 55.
** Реальные газы при больших давлениях отклоняются от этого закона.
Но для технических расчетов коэффициент расширения 0,00367 Оез заметной
ошибки можно принимать постоянным для любого газа.
45

откуда
/ffi^fl) Г (l9a)
273 / " 273
Из уравнения A9а) нетрудно вывести заключение, что
объемы, занимаемые данной массой газа, при
постоянном давлении относятся каких абсо-
абсолютные температуры:
~- = ZL~- B0)
В случае постоянства объема газа закон Гей-Люссака прини-
принимает следующую формулировку: давления данной мас-
массы газа при постоянном объеме пропорцио-
пропорциональны абсолютной температуре этого газа,
т. е.
-?- = -?-. B1)
Из законов Бойля и Гей-Люссака получаем очень часто при-
применяющуюся в технических расчетах формулу для приведения
объема газа к нормальным условиям @° С и 760 мм рт. ст.):
Vo = — B2)
760A+0,00367/)
ИЛИ
^ 273. V. В
0 760 .Г V
где В — давление газа в мм рт. ст.
Если давление (Р) выражено в атмосферах (ата), то
Vo = V-Z = ™L*L . B26)
1+0,00367-/ Т
Для влажных газов в формуле 22 учитывают также дав-
давление водяного пара (Ь):
Vo = <*=*> = 273-^5-^ B2в)
760A +0,00367/) 760 ¦ Т
Примечание. Значения b для различных температур даны с табл. А
(см. приложение 1), а также на рис. 5 в виде шкалы:
В целях большего удобства для приведения объема газа к
нормальным условиям нами приводится номограмма 1 (см. при-
приложение 1), применение которой ясно из следующих примеров.
46

Пример 1. Имеется 10 м? газа при давлении 2 ата и тем-
температуре 27° С G" = 300° К). По уравнению B26) объем его
при нормальных условиях равен
t°\b
0 =-?ZLJ?^_
зоо
t°\ ъ
При определении значения Vo по но-
номограмме 1 поступаем следующим об- " ~
разом. На шкале V находим значение 10 -g _1.
(V = 10 м3), а на шкале t — значение 27
(/ = 27° С) и соединяем эти точки пря- -•/ _
мой линией. Затем через точку пересече-
пересечения этой прямой со шкалой х (точка *i) '6 - ¦_
и точку 2 на шкале Р (Р = 2 ата) про- __ _ -
водим прямую. При этом на шкале Vo '
отложится деление 18,2. Следовательно, _4 _
объем газа при нормальных условиях
равен 18,2 м3. -J _
При давлении 5 ата и температуре
127° С (Т = 400° К) объем того же коли- -2 -
чества газа равен (из уравнения 226):
" V°T 18-2'400 =5,33*'.
273 ¦ Р
273 • 5
О -
То же значение V=5,3 м3 можно най-
найти по номограмме 1 (точка с); для это-
этого нужно проводить прямые не от шка-
шкалы V к Vo, а наоборот (линии Ьх2 и ас).
Пример 2. При давлении 785 мм
рт. ст. и температуре 40° С (Т = 313° К)
влажный газ занимает объем 10 л. При
нормальных условиях G60 мм рт. ст. и
0°С) объем газа (влажного) равен
v _ 10 • 785 • 273 _ Q .
760 • 313
2.-\
3 — -
t -
с _
То же значение Va находим, пользу- 8
ясь номограммой 1. Для этого соеди-
соединяем прямой точки 10 на шкале V и 40 9 -
на шкале /°С; затем точку 785 на шкале
В и точку х3 на шкале х (линия exs). W ~
Объем того же количества газа в с\
хом состоянии:
— 25
-3,5
-4,5
-50
-S,5
'-6,0
[-8,5
ю-
11-
12-
13-
21--
22-
23-
'-6,5 25-
~-7,0 26-
7 ---75 27-
'-8,0 28-
29
30-
-9,2
-10
-11
-12
15-
16-
17-
18-
19-
20-
-13
-п
-15
-16
-17
- 13
- 19
-20
~721
-22
-23
725
-26
г 27
Г 28
-29
-3D
-31
у _ ЮG85 —54.9) • 273 _
» о
313 • 760
= 8,4 л.
Рис. 5. Шкала давления
(в мм рт. ст.) насыщен-
насыщенного водяного пара при
различных температу-
температурах (t°C)
47

где 54,9—давление (в мм рт. ст.) водяных паров в газе при
температуре 40° С, найденная по табл. 4. То же значение Vo =
==8,4 л найдем, пользуясь номограммой, если соединим с точ-
точкой х3 (шкала х) значение В, равное не 785, а 785—54,9 = 730,1.
Примечание. На шкале V (номограмма 1) нанесены деления от 1 до
20. Если в задании V будет больше 20 (например, 45 ж3), то на этой ш'кале
надо брать деление в 10 раз меньше заданного (т. е. вместо 45 брать 4,5) и
находить значение Vo. как указано выше. Затем найденное значение Vo на-
до увеличить в 10 раз, что и будет соответствовать заданному V. При значе-
значениях же V < 1 необходимо поступать наоборот, т. е. V увеличить в 10 раз, а
найденное Va уменьшить в 10 раз.
ЗАКОН АВОГАДРО
В одинаковых объемах любого идеального
газа при одинаковых температуре и давле-
давлении содержится одно и то же количество мо-
молекул. При этом установлено, что при 0а С и 760 мм рт. ст.
1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает
объем, равный 22,4 л, или, что то же, 1 мг-моль — 22,4 мл (округ-
(округленно) и содержит 6,023 • 1023 молекул. Эти величины носят на-
название: 22,4 — молекулярный объем, 6,023-1023 — число Авогад-
ро. Отсюда вытекает, что, зная молекулярный вес (М) газа,
можно вычислить плотность его (ро) выраженной в г/л при 0° и
760 мм рт. ст.
Ро = -?j г/л. B3)
Так, например, плотность окиси углерода СО (мол. вес 28,0)
по уравнению B3) определится:
со^^А^ j 250 г/л.
22 4
Примечание. Так как молекулярный объем некоторых газов откло-
отклоняется от величины 22,4, то этот подсчет не является совершенно точным. Для
технических же расчетов им вполне можно пользоваться. Более точные значе-
значения молекулярного объема газов приведены в табл. 5
Для удобства вычислений плотности газов на основании их молекулярно-
молекулярного неса приводим график (рис. 6), на одной шкале которого даются значения
молекулярного веса (М) газа, а на другой (против этой цифры)—плотность
его Ро''\л при 0" С и 760 мм. рт. ст.
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Математическое обобщение законов Бойля и Гей-Люссака
приводит к уравнению, связывающему объем газа с его темпе-
температурой и давлением'(уравнение Менделеева — Клапейрона) и
48

характеризующему, таким образом, полное состояние газа:
PV = RT Г24)
для 1 г-моль газа или
PV = nRT B4а)
выражать в грам-
примет следую-
B5)
B5а)
для п г-моль его.
Если
мах, то
щий вид:
количество
уравнение
PV -
газа
B4а)
GRT
м
откуда
или
МРУ
RT
RT
PV
B56)
Здесь
G — количество газа в г;
М — молекулярный вес газа;
R — универсальная газовая постоянная
величина для всех газов одинако-
одинаковая;
Ро — плотность газа при нормальных ус-
условиях, выраженная в г/л (табл. 5).
Числовое значение R зависит от того, в ка-
каких единицах выражены давление и объем га-
газа. Так, например, если давление Р выражено
в абсолютных атмосферах, а объем V — в куб.
метрах, то R определится следующим обра-
образом: I г-моль любого газа при 0°С (Г = 273СК)
и 760 мм рт. ст. (Р = 1 ата) занимает объем,
ранный 22,4 л. Подставляя эти величины в
уравнение B4 а), получим:
PV :¦¦¦-¦= nRT
Рис. 6. График для подсчета плотно-
плотности газов (р г/л при О" С и 760 мм. рт.
ст.) в аамнсимости от их
молекулярного веса (A-I)
4 С. Д. Бесков
Ро
?,20-
w-
3,80-
3,60-
3,40-
3,20-
3,00-
2,го-
-
2,60-
2,40-
2,20-
2,00-
t
1,80-
1,60-
w-
1,20-
1,00-
-
0,80-
0,10-
0,20-
0,10-
0,00-*
M
у 95
'-90
'—
~r80
r?0
-
I
~r6D
I
-50
—
'—
'-30
--25
'-
-20
-
-15
r5
-2
49

или
/> ' om'22 4 л = 0,0821 л-ат/моль-град*
273 град
В абсолютном системе мер (СГС) значение R определится
A ат = 1,01325-106 дн/ои2, Vo = 22400 см\ п = 1 люль и 1 dw.
гм = 1 эрг):
п 1,01325 • 10е дн/см7 • 22400
1 моль ¦ 273 град
= 83,14 • 10е эрг/моль-град
В стандартной системе (МКС), т. е. когда давление газа выра-
выражено в н/м2, а молекулярный объем — в м3, значение R равно
A ат= 1,01325-105 н1м2, Vo = 0,0224 mz, n = 1 моль и 1 и. м. =
= 1 <Эж).
п 1,01325 • 1О«н/л('0,0224 л8 00,. д . я
R = ' : =8,314 дж/моль-град
1 миль ¦ 273 грчд
(или вт-сек/моль • град).
В технической системе (МКГСС) R определится A ат =
= 10332 кГ/м2, Vo = 0,0224 м3, п = 1
п 10332 кГ/м* 0,0224 м3 ,.о,о г , _ А
R = ' ¦ = 0,848 кГм моль • град.
1 моль ¦ 273 град
Наконец, в тепловых единицах R примет следующее значение
A кал эквивалента 0,427 кГм):
= ^Ь84? = j 985 кал/мояь.град**ш
0,427
Значения R в различных единицах измерения приЕ1едены в
табл. 3. Пользуясь уравнением B5а), нетрудно вывести форму-
формулу для подсчета плотности газа (f<) для любых давлений и тем-
температур:
273 р. -Я д 12.2. МР 26)
где р0 — плотность газа при нормальных условиях, которая бе-
берется из таблиц (см. табл. 8) или подсчитывается по
уравнению B3).
Если тот или иной газ находится в состоянии термической
диссоциации, то в уравнение Менделеева — Клапейрона должна
быть введена поправка i, равная
— =[1+а(т-1)], B7)
* При технических расчетах значение R обычно принимают равным
0,082 л-атм/г-моль ¦ град
** При расчетах обычно принимают У?=2,0 кал/г-моль ¦ град.
50

где п и п' — общее- число молей газа до (п) и после (я')
диссоциации;
а — степень диссоциации газа,
т — число частиц, на которое распадается 1 молекула
исходного газа.
С учетом укачанной поправки уравнение Менделеева—Кла-
Менделеева—Клапейрона для диссоциированных газов принимает следующий вид
(для п молей газа):
PV=inRT=\\+a.{m—\)\nRT. B8)
Таким образом, пользуясь уравнением B8), можно подсчи-
подсчитать степень диссоциации газа.
Пример 1. Сколько содержится по весу азота в 50 м? его
при давлении 5 ата и температуре 127° С (Т = 400° К).
Решение. Пользуясь уравнением B5а), получим:
Q 2*5-50
0,0821 • 400
Пример 2. Какой объем займут 560 г азота при давлении
784 мм рт. ст. и температуре минус 43° С.
Решение. Подставляя в уравнение B5) заданные величи-
величины: В = 784 мм рт. ст., или ^ = 1,032 ата, G = 560 г, Т = 273—
760
43 = 230° К, М = 28 и R = 0,0821 л-ат/моль град, получим
,, 560-0,0821 ¦ 230
V '
28 ¦ 1,032
= 366 А.
Пример 3. 0,756 г Н2О при 2500°С и нормальном давлении
(Р = 1 ата), частично диссоциируя, занимает объем 9,76 л. Вы-
Вычислить степень диссоциации НгО при указанной температуре.
Решение. Один моль водяных паров образует 1,5 молей
продуктов диссоциации (Н2О= 1B + 0,5 Ог). Следовательно,
величина m в уравнении B8) равна 1,5.
Исходя из условий задачи определяем п:
п = Jhl?± = 0,042 мольН20.
18,0
Подставляя в уравнение B8): ш— 1,5, п = 0,042 мол., р =
= 1 ата, V = 9,76 л, « = 0,0821 л-ат/моль град, Т = 2773° К и
решая его в отношении а получим:
1 • 9,76= [1 +аA,5— 1)]0,042 • 0,0821 • 2773,
откуда а = 0,04 14.
¦ Если объем дан в кубических метрах, то вес будет выражен в кило-
килограммах; если же объем дан в лнграх, то вес будег выражен в граммах.
4» 51

Следовательно, степень диссоциации Н2О при 2500° С равна
4,Н%.
Пример 4. Найти плотность воздуха при температуре 315° С
(Т = 588° К) и давлении 45 ата, если плотность его при 0°С и
760 мм рт. ст. равна 1,2928 г/л.
Решение. Подставляя данные в условиях задачи в уравне-
уравнении B6), получим:
273- 1,2928 -45 о-7 п ,
р = = 27,0 г/л.
588
ЗАКОН ДАЛЬТОНА. ГАЗОВЫЕ СМЕСИ
Если имеется смесь газов, составные части которой друг с
другом химически не взаимодействуют, то по закону Дальтона
общее давление ее (Р) равно сумме парциаль-
парциальных давлений (pi, р2, р3) отдельных составных ча-
частей:
Р = Pi + Рг + Рз +
На основании этой зависимости, а также из закона Бойля по-
получаем следующее равенство:
Pi -- »,Я, B9)
где р\ — парциальное давление отдельного газа, входящего в со-
состав газовой смеси;
О] — парциальный объем этого газа в единице объема газо-
газовой смеси;
Р — общее давление газовой смеси.
Из закона Дальтона вытекает очень важное следствие, к ко-
которому довольно часто прибегают в расчетной практике: если
известен объемный (или молярный) состав
смеси газов, то все физические константы ее
(молекулярный вес, удельный вес, удельный
объем, теплоемкость и т. д.) подчиняются прави-
правилу аддитивности, т. е. их можно вычислить по
правилу смешения. Допустим, что k\, /г2, кз¦¦¦ — константы
составных частей газовой смеси, a vu v2, v3... — молярные (или
объемные) доли этих частей в смеси. Тогда общая константа (К)
этой газовой смеси определится:
К = 'hvi + kuvu + k3v3 -|- ... C0)
Пользуясь законом Дальтона и уравнением Менделеева —
Клапейрона, можно подсчитать концентрации отдельных компо-
компонентов газовой смеси в г-моль/л, зная их процентное содержание.
Если общее давление газовой смеси равно Р, а количество како-
62

го-либо компонента А в ней равно а0 % (объемных, или, что то
же, молярных), то парциальное давление этого компонента со-
составит:
Ра = -^~ Р- C1)
А 100
Отсюда, согласно уравнению B4а), получим:
РА = nRT, C2)
где
Ра — парциальное давление компонента А в смеси, выражен-
выраженное в ата;
У — общий объем газовой смеси (в моль/л), который в дан-
данном случае принимаем равным 1 л, так как мы выводим
расчетную формулу для 1 л газа;
п — число молен компонента А в общем объеме смеси (в дан-
данном случае в 1 л);
R — газовая постоянная, равная 0,0821 л-ат/моль град;
Т — абсолютная температура газа.
Подставляя указанные величины в уравнение C2), получаем
значегие п, т. е. количество компонента А в моль на 1 л смеси в
зависимости от процентного содержания его, температуры и об-
общего давления Р (в ата) смеси:
n =
RT 100 • RT
или
n = = моль л. (Зо)
8,21 B73+0 8,21 -Г
Пример 1. Газ состава 30% СО, 60% N2 и 1О°/о Н2 нахо-
находится под давлением 5,0 ата. Найти парциальные давления каж-
каждого из составных частей этого газа.
Решение. Пользуясь уравнением B9), получим:
рсо 5,0 ¦ 0,30= 1,5 ата
рм =-= 5,0 ¦ 0,60 = 3,0 ата
р.. = 5,0 -0,10=-. 0,5 ата
Пример 2. Подсчитать плотность р и приведенный моле-
молекулярный вес (М) воздуха, если состав его (по объему)
21% О2) 78% N2 и 1% Аг, а плотность кислорода 1,429 г/л, азо-
азота 1,251 г/л и аргона 1,781 г/л.
53

Решение. Мол. вес О2 равен 32,0, N2—28,0 и Аг—39,9. От-
Отсюда по уравнению C0) получим:
Р --=0,21-1,429 +0,78 1,2.51 +0,01-1,781 = 1,293 г/л
М = 0,21 -32,0 +0,78-28,0+0,01.39,9 = 28,96.
Пример 3. Газ содержит (по весу): 82% N2, 8% SO2 и
10% О2; удельная теплоемкость: сн =0,25, cso =0,15, cQ =
= 0,22 кал/кг *.
Теплоемкость газа указанного состава равна:
с = 0,82-0,25 + 0,08 0,15 +0,10-0,22 =0,24 кал/кг.
Пример 4. Водород при температуре 127° С G = 400° К)
находится под давлением 624 мм рт. ст. Определить содержание
его в моль/л.
По уравнению C3) имеем (ао= 100%):
а0 Р 100 624 _ noc.
п = — = • = 0,025 моль/л .
8,21 ¦ Т 8,21 • 400 76U
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Чем больше плотность газа, т. е. чем меньше расстояние
между его частицами, тем больше такой газ отклоняется от иде-
идеального состояния. Действительно, с увеличением плотности га-
газа начинают увеличиваться не только силы взаимодействия
между его частицами, но также и относительный объем их по
сравнению с общим объемом газа. Это обстоятельство вызывает
необходимость внести соответствующие поправки в уравнение
B4) для идеальных газов: внешнее измеряемое давление Р газа
должно быть увеличено за счег сил взаимного притяжения его
частиц, а объем V — уменьшен на величину объема, занимаемо-
занимаемого массой частиц. Силы взаимного притяжения частиц, называе-
называемые ван-дер-ваальсовыми силами, могут рассматриваться как
внутреннее давление газа, и величина их, в первом приближе-
приближении, обратно пропорциональна квадрату объема, занимаемого
газом.
Таким образом, реальное состояние газа можно выразить
следующими уравнениями:
для 1 моля
C4)
р==
V — b
* Так как удельная теплоемкость относится к весовым единицам, то про-
процентный состав смеои при подобного рода подсчетах необходимо выражать
в весовых процентах.
54

для п молей
)У (?-_.!*.), C4а)
где а и b — константы, зависящие от природы газа; значение
констант а и b—для некоторых газов приведены в табл. 5 для
давления, выраженного в атмосферах, и объема, выраженного
в литрах.
Решение. Применяя уравнение C4а) к состояниям газа
при температурах 7( и Г2) получим:
V*(P,Vf ->rn^a){Vl~nb) Г,
C46)
где Р\, Vit T\ — начальное состояние газа;
Ръ V2, T2 — конечное состояние его.
Пример 1. Подсчитать давление 1 моля сернистого газа
SO2 П|ри 100° С, заключенного в сосуд емкостью 10 л.
Подсчитаем давление SO2 в баллоне, пользуясь уравнением
B4) для идеальных газов
V
Подставляя сюда п = 1, R = 0,0821 л-атIмоль ¦ град, Т = 273 +
+ 100 = 373° К и V = 10 л, получим:
Р = °'°821^- = 3,062 апш.
ю
Подсчитаем давление SO2 по уравнению C4) для реальных
газов:
(
\V~b
Заменяя в этом уравнении буквенные выражения цифровыми
значениями, получим *:
ур
значениями, получим
' 3?3^9 = 3,012 шпа
Р
10 — 0,0568 10'
что отличается от вычисленного по закону идеального состояния
ка величину 3,065—3,013 = 0,052 ат, или 1,4%.
П р и м е р 2. В сосуде емкостью 5 л находится 208,2 г ацетиле-
ацетилена при температуре 27° С. Подсчитать давление ацетилена в со-
сосуде.
* Значения а и b см. табл. 5.
55

Подсчет ведем по уравнению C4а) состояния реальных газов:
D /"* RT па
Р = П
\V-nb V*
Из заданных условий следует:
V = 5 л п = -208А- = 8,0 молей
26,0
Т = 273 + 27 = 300°К а = 4,37 л-am/моль-град.
^==0,0821 л-aml моль-град Ь = 0,0512 л/моль-град.
Подставляя эти величины в уравнение C4а), получим:
7^8 Of 0-0821 -300 8^37_\ шпа
\ 5 — 8,0 • 0,0512 52 /
Вычисляя значение Р по уравнению для идеальных газов,
получим:
п 8,0- 0,0821 ¦ 300 „„ .
Р —. —L = 39,4 ama,
что дает расхождение с вычисленным выше значением Р на
joo (зм-з!^ =
39,4
П р и м е р 3. 22,1 л NH3l находящихся при 18е С под давлением
536 мм рт. ст., требуется сжать до объема 2,2 л. Подсчитать ко-
конечное давление NH3, если температура его после сжатия повы-
повысится до 32° С.
Решение. Подсчет производим по уравнению C46):
Начальное состояние газа Конечное состояние газа
р = J5E_ =ii ama Po = ?
760
Vt= 23,1 л Уа = 2,2 л
Г, -= 273+18 -= 29ГК Т1 = 273 Ь 32 =--= 305°К
Количество моль NH3, соответствующих объему в 22,1 л, без
особо большой ошибки можно вычислить по уравнению Менде-
Менделеева — Клапейрона B4 а):
PV 1.1-22,1 . „1О
п = , или п — =- \,0\ймоль.
RT 0,0821 • 291
Для 1 моля NH3: а = 4,17 л-ат, b = 0,0373 л. Подставляя эти
данные в уравнение C4), получим:
2,2аA,1 • 22,12 -1-4,17 • 1,0182)B2,1 — 1,018 - 0,0373) _ 291
22,12(Р2 • 2,22 + 4,17 • 1.0182) B,2— 1,018 • 0,0373) 305 '
56

откуда
Р2 = 11,1 ата.
Производя тот же подсчет по уравнению B4а) состояния
идеальных газов, получим:
п 1,1 • 22,1 • 305 . , _
Р2 ~ = 11,6 ата.
2,2-291
Уравнение Ван-дер-Ваальса дает достаточно точные результа-
результаты для всех газов даже в области их критических температур и
давлений. Однако при высоких давлениях, когда плотность газа
велика или когда газ находится вблизи точки сжижения, это урав-
уравнение дает значительные отклонения от действительного поведе-
поведения газа (ср. приведенные выше примеры 2 и 3). Отклонения
объясняются тем, что при большой плотности газа на его давле-
давление оказывают влияние не только силы взаимного притяжения,
но также и силы взаимного отталкивания частиц, обусловленные
внешними электронными оболочками этих частиц. Кроме того,
здесь на реальное поведение газа в значительной мере также ока-
оказывают влияние неупругие столкновения его частиц и другие
факторы. В связи с этим, кроме уравнения Ван-дер-Ваальса, был
предложен ряд других, более сложных уравнений для реального
состояния газов, на которых мы здесь останавливаться не будем,
так как они для практики технологических расчетов интереса не
представляют. Уравнением Ван-дер-Ваальса в производственных
расчетах также пользуются довольно редко; наиболее удобными
и более точными для этого являются энтропийные диаграммы
(глава IV, стр. 103).
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Газгольдер емкостью 2000 м2 наполнен азотом;
давление в газгольдере равно 940 мм рт. ст., температура 22°С.
Привести объем азота к нормальным условиям и вычислить вес
азота.
Решение. Так как запорной жидкостью в газгольдере слу-
служит вода, то азот здесь насыщен водяными парами. Поэтому
подсчет значения Vo производим по уравнению B2а). Давление
водяных паров при 22° С равно 19,8 мм рт. ст. (см. табл. 4).
Таким образом,
= _2ra2000(940i98)
2U5 ¦ 700
Подсчитаем весовое количество азота в газгольдере.
57

Первый метод. Так как плотность азота равна 1,252 г/л
(или, что то же, 1,252 кг/м3, см. табл. 5), то вес азота в газгольде-
газгольдере равен
2245- 1,252 = 2806 кг.
Второй метод. Молекулярный объем азота 22,4 (см.
табл. 5). Следовательно, 2245 м3 его составят:
2245
п -— — = 100,2 кг-моль
22,4
ИЛИ
G= 100,2 • 28- 2806 кг.
Третий метод — по уравнению Менделеева — Клапейро-
Клапейрона. Выряжая в уравнении B5а) давление н мм рт. ст. и вводя в
него поправку на давление паров воды получим:
G = 2U940-19,8).2000
760 • 0,082 • 295
П р и м е р 2. В баллоне находится 12 кг кислорода под давле-
давлением 120 ата. Когда часть газа была взята для работы, давление
в баллоне понизилось до 30 ата. Какое количество кислорода ос-
осталось в баллоне, если температура во время отбора не измени-
изменилась?
Решение. Объем V кислорода до и после отбора остался
один и тот же. Согласно уравнению B5а), имеем:
п MP.V п MP2V
О, = — и О, = —
RT RT
откуда
V =
МРГ МР2
.. G,RT G.,RT G,
V = -!— = -f—, или —J-
Подставляя в это выражение заданные величины, получим:
Pi 120
Следовательно, в баллоне осталось 3 кг кислорода.
Пример 3. В газгольдере имеется 2500 м3 водорода под
давлением 798 мм рт. ст. и при температуре 27°С. Сколько бал-
баллонов емкостью в 25 л можно наполнить этим водородом, если
баллоны наполняют под давлением 140 ата и при температуре
27° С?
Решение. Пользуясь уравнением Менделеева — Клапейро-
Клапейрона, находим, что в газгольдере при 798 мм рт. ст. и 27°С (Т =
58

= 300° К) содержится:
798 2500 „
п, = • кг-моль Н2,
760 0,0821 • 300
а каждый баллон при 27° С и давлении 140 ата вмещает:
140-0 025 ,.
л, = кг-моль И...
0,0821 ¦ 300
Если обозначить количество баллонов через х, то, согласно
условиям задачи, должно быть соблюдено следующее равенство:
nL = хп2.
Отсюда
п, 798 • 2500 „е- - *
х = —!— или х = = 750 баллонов*.
пг 760- 0,025 ¦ 140
Пример 4. Кислород, находящийся в баллоне емкостью 20 л
под давлением 120 ата, расходуется для сожжения в калоримет-
калориметрических бомбах. На сколько сожжений хватит этого кислорода,
если объем бомбы 350 мл, а давление, необходимое при сожже-
сожжении, 25 ата?
Решение. Если х — количество заполняемых бомб, т. е. чис-
число сожжений, V\ — объем калориметрической бомбы, то количе-
количество кислорода, необходимое на все сожжения, определится:
РД, 25 ¦ 0,35 „
xrii = х ——— = х г-моль Оо.
По окончании последнего сожжения в баллоне останется 20 л кис-
кислорода под давлением 25 ата, что составит:
P>V2 25-20 ,_
щ = —— = г-моль Оо.
RTt RTl
Количество же кислорода в баллоне до сожжения было
п, == ——— = г-моль О...
РТ DT
t\ 1 i (\ / х
По условиям задачи имеем:
хп1 -4- п2 = пш или — 1 L-— = 2 2- .
Отсюда получим:
* По следует забызагъ, что законы состояния идеального газа, к которым
относится и уравнение Менделеева — Клапейрона, при пысокнх давлениях
могут расходн и,( я с истинным повелением газа. Но в приведенных здесь при-
примерах, где особой точности не требуется, применение этих законов вполне до-
допустимо.
59

или
X = P*v*-Pivi 120 -20—25-20
P1Vl 25-0.35
Следовательно, кислорода хватит на 217 сожжений.
Пример 5. Определить плотность водяного газа, находяще-
находящегося под давлением 2,5 ата при температуре 427° С, если состав
его: 50% Н2, 38% СО, 6% N2, 0,2% О2, 5% СО2 и 0,8% СН4.
Решение. По уравнению C0) находим приведенный молеку-
молекулярный вес М водяного газа (мол. вес Н2 равен 2,0; СО — 28,0;
N2 — 28,0; СО2 — 44,0; О2 — 32,0, СН4 — 16,0):
М = 2,0 ¦ 0,5 + 28,0 ¦ 0,38 + 28,0 ¦ 0,06 + 32,0 • 0,002 +
+ 44,0 ¦ 0,05 + 16,0 • 0,008 = 15,71.
Плотность газа указанного состава по уравнению B6) соста-
составит:
12,2/ИР 12,2 ¦ 15,71 ¦ 2,5 л со, ,
р = = — ' — = 0,684 г/л.
273 -I- / 700
Пример 6. Сколько потребуется сухого воздуха для испаре-
испарения 900 г воды при 5е С, если давление насыщенного водяного
пара при этой температуре равно 6,51 мм рт. ст.?
Решение. Для решения воспользуемся уравнением B5)
V
МР '
где G — вес водяных паров в насыщенном при 5° С воздухе,
равный 900 г;
Р — давление водяных паров при этой температуре (Т =
= 298° К), равное —'— ата;
/ DU
М — молекулярный вес водных паров, равный 18,0;
R — газовая постоянная, равная 0,0821 л-атjмоль • град.
Подставляя эти данные, получим:
_9001010821_L2Z81760_ = зу
18,0-6,51
Пример 7. Через бромбензол при 30° С (Т = 303° К) барбо-
тируют 20 л сухого воздуха. По окончании барботажа вес бром-
бензола уменьшился па 0,950 г. Подсчитать давление паров бром-
бензола в воздухе при 30° С, если степень его насыщения равна
0,85*.
Решение. Количество паров бромбензола в воздухе после
пропускания его через бромбензол составляет 0,950 г. Согласно
* Степень насыщения барботирующего газа зависит от глубины барбо-
тирдаамия, диаметра пузырьков барботируемого газа и других факторов.
60

уравнению B5), давление р паров бромбензола при степени на-
насыщения 0,85 равно
_ 0,85- GRT
MV
где V — объем, занимаемый парами бромбензола и воздухом
при 30° С, равный 20 л;
М — молекулярный пес бромбензола, равный 157,0;
G — вес бромбензола, равный 0,950 г;
R -- газовая постоянная, равная 0,0821 л-ат/моль -град.
Подставляя эти данные в уравнение для р, получим:
0,85 • 760 ¦ 0,950 • 0,0821 • 303 . от
р = — ¦ = 4,87 мм рт. ст.
157 • 20
Пример 8. В сосуд емкостью 6,0 л под вакуумом было вве-
введено по 1 г воды и гексана, которые после испарения были нагре-
нагреты до 250° С (Т = 523° К). Подсчитать, какое при этом давление
окажется в сосуде *.
Решение. Общее давление Р в сосуде составится из пар-
парциальных давлений воды PHfO и гексана рс н ;
Парциальные давления паров воды (мол. вес 18,0) и гексана
(мол. вес 76,0) соответственно определяются по уравнению B4а):
RT _ RT
Рн,о — "н.о у • Рс,н„ ~ пс.н„ у ¦
Отсюда
RT , . RT /gh,o , °с.н,. \ RT
Р-п
+п ( I
Подставляя в это уравнение имеющиеся данные, получим:
р = (_L2_ + АА.) °-0821 • 523 . 760 = 374 мм рт. ст.
\ IS 7G ) 6,0
Пример 9. В сосуде емкостью 2,0 л находится 5,23 г азота
и 7,10 г водорода. Определить, какое давление будет в сосуде при
25° С.
Решение. В сосуде находится
А2^_ = о,187молей N2 и -^- = 3,550молейН2,
28,0 2,0
• При расчете следует пренебречь давлением, которое было в сосуде до
введения в него воды и гексеша.
61

а всего
n = О,187 -f 3,550 = 3,737 молей газа
которые занимают объем, равный 2,0 л.
Отсюда давление смеси водорода и азота, при 25° С G" =
298° К) определится [по уравнению B4 а)]:
п 3,737 • 0,0821 ¦ 298 .„ с
Р = — = 46,5 ата.
2,0
Пример 10. При температуре 27° С относительная влаж-
влажность воздуха составляет 51,5и/о- Парциальное давление водяных
паров при этой температуре равно 26,5 мм рт. ст. Определить
вес водяных паров, содержащихся в 1 мг воздуха при этой тем-
температуре.
Решение. Парциальное давление водяных паров в воздухе
при относительной их влажности 51,5% составит:
рн>о = 0,515 • 26,5 = 13,65 мм рт. ст.
Следовательно, вес их в 1 м3 A000 л) воздуха, вычисленный по
уравнению B5а),равен:
^ MPV 18 • 1000 13,64 ,о ,с
Gur. = = • = 13,15г.
н'° RT 0,0821 • 300 1760
ЗАДАЧИ
1. Производительность компрессора 1000 м3/час воздуха (при нормаль-
нормальных условиях). Подсчитать объем этого количества воздуха па выходе из
компрессора, если давление воздуха равно 50 ата и температура его 97° С.
Ответ. 27,1 м3.
2. Наинысшая температура в газгольдере в летний период +42° С, а наи-
наименьшая зимой —38° С. Подсчитать, на сколько больше (по весу) может
вместиться водорода в газгольдере емкостью 2000 м3 зимой по сравнению
с летними условными, если давление в нем 780 мм рт. ст.
Ответ. Па 54,1 кг.
3. В скруббер, орошаемый водой, входит 300 м3 в 1 час газа (приведен-
(приведенного к нормальным условиям), состав которого: 50% Н?, 25% СО, 13"/о СО2,
8% N2 и 4% других газов. Манометрическое (избыточное) давление газа на
выходе из скруббера 150 мм вод. ст., давление барометрическое 758 мм рт. ст.,
температура газа 12° С. По выходе из скруббера газ имеет следующим состав:
56,2% П., 27,8% СО, 1,9% СО*. 9,6% N2 и 4,5% других газов Определить: а) ко-
количество гада на выходе из скруббера; б) скорость его, если диаметр трубо-
трубопровода 1 10 мм; в) концентрацию СО2 в водном растворе, выходящем из
скруббера, если в последний подается 8 м31мии воды.
О ч в е т. а) 273 мл1чис (при данных в примере условия); б) 8,1 м/сек;
в) 0,1392 г/л, или 0,00316 г-миль/л, или 0,00051% {моль).
4. Газ состава: 52% 112. 30% СО2. 15% N2 и 3% СО находится под дав-
давлением 1,2 ата и при температуре 450° С. Определить состав его: а) в весо-
весовых процентах и б) в г-моль, а также в) плотность при данных и нормаль-
нормальных условиях.
62

От в ет. а) 5.4% Hs. 4,4°/о CO, 21,8% N2 и 68.4 % СО2; б) 0,01031 г-моль/л
Нг, 0.00606 г-моль/л СО2, 0,00303 г-моль/л N2, 0,000606 г-моль/л СО; в) о =
= 0,3944 <>/л, '-„ =-0,8607 г/л.
5. В баллоне находится 0.64 г кислорода при температуре 14.5° С. Опре-
Определить концентрацию кислорода в г-моль/л. если давление его равно 0,85 ата.
О т ве т 0.0231 г-моль/л.
6. Азого-водородная смесь, идущая для синтеза аммиака, имеет состаз
(по объему): 75% li2 и 25% N2. 11ерееииыгь состаз ее в г-моль/л при 27° С
и 240 ата.
От пет. 7,31 г-моль/л Н2 и 2.44 г-моль/л N2.
7. Сколько граммов воды содержится в 10 л воздуха при относительной
его влажности 73,5%, если темпера i > рл воздуха 27° С и парциальное давле-
давление насыщенных водяных паров н воздухе при этой температуре равно
26,8 мм рт. ст.
Ответ. 0,189 г.
8. Подсчитать плотность и приведенный молекулярный пес азото-кисло-
родной смеси, если состав ее по объему следующий: а) 50% N2 и 50% О2;
б) 20% N2 и 80% О2: в) 55% N2 и 45% О2; определить также: г) плотность
и молекулярный нес смеси газов, если состав ее по весу 90% О2 и 10% N2;
д) 10% О2 и 90% N2.
Ответ а) р= 1,342, М = 30,1; б) р= 1.394. М = 31,3; в) р = 1,334,
М = 29.7; г) р = 1,409, М = 29.7; г) р = 1.409, Л1 =31,6; д) (-=1.272,
М = 28,4.
9. Компрессор подает в минуту 150 кг воздуха. Манометр на всасываю-
всасывающей трубе при этом разрежении показывает 125 мм вод ст.; барометриче-
барометрическое давление 720 мм рт. ст. Определить объем всасываемого воздуха, если
температура его 12° С и плотность р = 1,293 кг/мъ.
От в е т 129.5 м3/мин.
10. По трубопроводу с внутренним диаметром 75 мм поступает воздух
при температуре 17° С. Трубка Пито, поставленная на трубопроводе, пока-
показывает давление (динамическое) 20 мм керосинового столба, а манометр
(статическое давление) 750 мм рт. ст. Определить количество воздуха, про-
протекающего по трубопроводу в 1 час, если плотность его при нормальных
условиях равна 1,293 кг/мг; принять w = 0,8 гамаке-
Ответ. 246,5 кг/час.
11. Воздух с температурой 20°С сжимается компрессором до манометри-
манометрического давления 7 кг/см2 (ити). При этом вакууметрнческое давление (раз-
(разрежение) на всасывающей трубе компрессора 0,1 ат. Определить степень
сжатия воздуха, если барометрическое давление его 720 мм рт. ст.
Ответ. 9,1.
12 Барометрическое давление воздуха 740 мм рт. ст. и температура 30= С
Парциальное давление водяных паров в нем при этой температуре равно
22 мм рт. ст. После охлаждения воздуха до 15° С часть водяных паров скон-
сконденсировалась и парциальное давление их понизилось до 12.5 мм рт. сг. Под-
Подсчитать: а) объем воздуха после охлаждения; б) вес сконденсиров чшой во-
воды, если первоначальный объем влажного воздуха (до охлаждения) равен
1000 л3.
Ответ, а) 987 м3; б) 9,2 кг.
13. Продукты сгорания имеют в начале дымохода температуру 1200° С,
а в конце его 250° С. Определить, во сколько раз объем их в конце дымохода
меньше, чем в начале, если давление остается одним и тем же.
Ответ. В 2,81 рапа.
11 Воздух нагревается в закрытом резервуаре до манометрического дав-
давления в 2 кг/см*. Начальное давление его Р = 1 ата, а температура / = 15° С.
Определить конечную температуру воздуха.
Ответ. 584° С.
63

15. Из газогенератора поступает 700 м3/час водорода при температуре
47° С и давлении 840 мм рт. ст. Определить, сколько из этого количества во-
водорода теоретически можно получить аммиака.
О т и е т. 334 кг.
16. В автоклав, наполненный водородом, при 25° С и 740 мм рт. ст. по-
помещено 20 мл этилового спирта; после нагревания автоклава до 352°С спирт
испарился полностью. Определить давление в автоклаве, если емкость его
2 л, а удельный вес спирта 0,8.
Ответ. 11,1 ата.
17. Компрессор подает 250 м3/час воздуха при манометрическом давле-
давлении 5 ати и температуре 27° С. Подсчитать, сколько получается из этого ко-
количества жидкого воздуха *.
Ответ. 2050 л.
18. Подсчитать, какой объем газов получится из 1 кг пироксилина (за-
(задача 21, стр. 42) при температуре 2760° С и нормальном давлении.
Ответ. 9,7 м3,
19. Сосуд емкостью 0.5 л выдерживает максимальное давление 500 ата.
Какое наименьшее количество тротила может разорвать сосуд, если разло-
разложение тротила при взрыве протекает по реакции
2CeH2CH8(NCUs = ^N2 + 12СО + 5На + 2С
и температура взрыва 2000° С?
Ответ. 32,1 г тротила.
20. В баллон помещено некоторое количество серного ангидрида SO3.
Затем баллон нагрели настолько, что SO3 перешел в газообразное состояние,
причем 48% его диссоциировало по уравнению
Давление, под которым находится смесь газов после нагревания сосуда, равно
2,90 ата. Определить парциальное давление каждого из газов.
Ответ. рао = 1>2U ита; р0 = 0,38 ата, ро = 1,32 ата.
21. В сосуде емкостью 11,45 л находится 17,2 г N2O4. Подсчитать: а) сте-
степень диссоциации N2O4 (Г\1.О4 ;J 2NO*); б) состав газа в сосуде, если давле-
давление в нем равно 720 мм рт. ст., а температура 100° С.
Ответ, а) 0,9%; б) 5,35% N2O4 и 94,05% NO., (по объему).
2. В сосуде при 35° С и давлении 1 ати находятся 85,0 г N2O4. Вычис-
Вычислит!, объем газа, если 27% NkO4 при этом диссоциировано.
Ответ. 29,7 л.
2.4. Пользуясь уравнением состояния реальных газов, подсчитать давле-
давление: а) 0,5 г-моль/л СО2 при 20° С; б) 1 г-моль/л SO2 при 0° С; в) 1 г NH3
в объеме 290 мл при 0° С.
О г и е т. а) 11,4 ата; б) 17,1 ата; а) 4,4 ата.
24. При производстве соляной кислоты газ состава: 25,0% НС1, 15,75% О2
и 59,25% N2 проходит поглотительную систему, в которой абсорбируется
98% 1ICI; хлористый водород поглощается водой. Газ входит в систему при
температуре 4У° С и давлении 743 мм рт. ст., а выходит из псе с температурой
27° С п давлением 73S мм рг. ст. Подсчитать: а) насколько уменьшится
ооъем [аза при прохождении ею через систему; б) состав выходящею из
системы газа; в) сколько 11С1 абсорбируется в системе на 100 м2 н.ходящего
га.ча; г) сколько из этого количества 11С1 получится соляной кислоты уд.
неса 1,127 (см. табл. 29).
О: вит. я) па 29,2% (при данных в задаче условиях); б) 0,66% НС1,
20,86% О2 и 78,-18% N2; в) 33,3 кг 11С1; г) 132,0 кг.
* Уде.чьпый вес жидких газов см. табл. 5; при подсчете принять, что щоз-
дух состоит из 21% О2, 78% N2 и 1% Аг.
64

25. Сухие топочные газы при температуре 200° С и давлении 743 мм рт. ст.
поступают в водяной испаритель, из которого выходят с температурой 85е С.
На выходе испарителя содержание Н2О в газе равно 39%; давление его
740 мм рт. ст. Исходя из этого, подсчитать для 100 мъ топочного газа;
¦л) объем его на выходе из испарителя; б) количество воды, испаряющейся
в испарителе.
Ответ, а) 123,8 ж3; б) 29,3 кг.
26. Газ, содержащий 4,9% NH3 (по объему), со скоростью 300 л/мин по-
поступает в абсорбционную башню, в которой NH3 поглощается водой. Содер-
Содержание NH3 а отходящем из башни газе равно 0,13%, температура газа при
входе в башню равна 40° С; па выходе 20° С; вакууметри"еское давление на
газопроводе: при входе газа 20,3 мм вод. ст., на выходе 20 мм рт. ст. Под-
Подсчитать: а) линейную скорость газа при выходе из абсорбционной башни,
если внутренний диаметр газопровода равен 150,1 мм; б) количество аммиака,
абсорбируемого в башне.
Примечание. При подсчетах растворимость других газов пренебречь;
влажность газа до и после бгшпи принять одинаковой.
Ответ, а) 2,32 м/сек; б) 5,062 кг NH3 в 1 час.
27. Гипохлорнт кальция получают при взаимодействии хлора с нзвестко-
1;ым молоком:
2Са (ОНJ -f 2С12 = Са (ОС1J -|- 2Н2О + СаС12.
Газ, поступающий для этого процесса при давлении 740 мм рт. ст. содержит
7,97% С1г * (по объему) и имеет температуру 24° С. Пройдя сосуд с извест-
известковым молоком, газ имеет температуру 27° С и давление 743 мм рт. ст. Пар-
Парциальное давление хлора в отходящем газе равно 27 мм вод. ст. Подсчи-
Подсчитать: а) насколько уменьшится объем газа после процесса хлорирования;
б) сколько получится чистого гипохлорита кальция на 100 м3 поступающего
газа при условии, что весь абсорбируемый хлор вступает в реакцию с Са(ОНJ.
Ответ, а) на 7,0% (при данных в задаче условиях); б) 44,0 кг Са(ОС1)г-
* Предполагается, что 92,03% составляют газы, которые не вступают а
химическое взаимодействие с известковым молоком.
5 С. Д. Бесков

Глава IV
ТЕПЛОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
ЗАКОНЫ
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики, который называется также
законом эквивалентности теплоты и работы, является одним из
частых случаев закона сохранения энергии и служит основой всех
тепловых и энергетических расчетов. Этот закон формулируют
следующим образом: тепловая энергия не может ни
исчезнуть бесследно, ни возникнуть вновь из ни-
ничего; она может только перейти в строго эквивалентное коли-
количество энергии другого рода. При этом установлено, что если си-
система поглощает извне или отдает в окружающее пространство
тепло, то последнее расходуется только на изменение внутрен-
внутренней энергии данной системы и на совершение ею внешней работы
(если таковая имеет место в данном процессе). Таким образом,
если внутренняя энергия какой-либо системы (например, газа в
сосуде и т. п.) после сообщения этой системе некоторого коли-
количества тепла (AQ) изменилась на Д?/, то, согласно первому зако-
закону термодинамики, имеем:
Д Q = Д U + А C5)
или, при бесконечно малом изменении процесса
dQ = dU + А, C5а)
66

где А-- внешняя работа, совершенная системой (например, ра-
работа расширения газа, работа, связанная с могущими
возникнуть в системе химическими изменениями
и т. д.) *.
Изменение внутренней энергии системы представляет собой
изменение: а) кинетической энергии поступательного и враща-
вращательного движения молекул, б) сил притяжения и отталкивания
между молекулами, в) внутримолекулярной вибрации и враще-
вращения отдельных атомов и электронов в молекуле и т. п. В случае
идеальных газовых систем, при чисто физических процессах, из-
изменение внутренней энергии состоит лишь в изменении кинети-
кинетической энергии молекулярного движения, т. е. в изменении тем-
температуры газа.
Математическое выражение первого закона термодинамики
показывает, что закон этот дает только количественную
характеристику одного из свойств тепловой и внутренней энергии
системы: эквивалентность перехода их в работу и, наоборот, ра-
работы в тепловую и внутреннюю энергию. Однако этот закон не
выявляет направленности процесса, т. е. не дает качествен-
качественной характеристики проявления тепловой энергии. Эту вторую
сторону важнейшего свойства тепловой энергии — направлен-
направленность при переходе ее в работу или в другой вид энергии — уста-
устанавливает второй закон термодинамики, на котором мы остано-
остановимся ниже (стр. 158). При расчете технологических процессов
исключительно большое значение имеют процессы, связанные с
расширением или сжатием газа. Если в подобного рода процес-
процессах под влиянием внешнего давления Р происходит изменение
объема данной системы от V\ до V2, то работа, совершаемая ею,
равна:
у,
А = j PdV. C6)
vt
Подставляя уравнение C6) в уравнение C5), получаем сле-
следующее выражение первого закона термодинамики:
v,
Д<2= AU\PdV, C6a)
откуда
Q = Ui-Ul + P(V1~V2) C66)
или для бесконечно малого изменения процесса:
dQ = dU + PdV, (Збв)
* Если работа затрачивается на систему, то в выражении C5) А будет
отрицательной величиной, т. е. AQ = AU — А, хотя следует отметить, что
некоторыми авторами принято и обратное обозначение.
5* 67

где Q — количество тепла, сообщенное системе,
U{ и Vi — внутренняя энергия {U\) и объем (Vj) системы
до сообщения ей тепла,
U2 и V2—тоже, после сообщения ей Q ккал тепла.
Работа изотермического процесса
Изотермическим процессом называется про-
процесс, идущий при постоянной температуре Т =
= const). Таким образом, если газу сообщается Q калорий теп-
тепла, причем температура, а следовательно, и внутренняя энергия
его при этом остается постоянной (dil = О), то все тепло, кото-
которое получает газ, идет только на совершение внешней рабо-
ты (Л):
dQ --= PdV C7)
или
V,
Q =, А= ) PdV C7а)
v,
Подставляя сюда из уравнения Менделеева — Клапейрона зна-
п nRT ,. nRT
чение Н = —^-, или, что то же, V = , п интегрируя полученное
при этом выражение для Q, получим:
Q ::; А = nRT In -i^- --= nRT In --±- C76)
или, выражая п (число г-моль вещества) через вес его (G) и мо-
молекулярный вес (М), получим:
Q =¦ А = — -- RT lg -^- —— RT In -'-'- . C7в)
* М V, М Р, V
В приведенных уравнениях:
Р\ и У\—давление и объем газа до расширения (или сжа-
сжатия);
Р2 и V2 — то же после расширения (или сжатия);
Т — абсолютная температура газа во время его расши-
расширения или сжатия (при изотермическом процессе
Т = const);
U — газовая постоянная **;
* Во всех руководствах по физической химии подсчет работы ведут и
эргах, или джоулях, или в л-ат. В технических нее расчетах работу почти
всегда выражают в кГм или квт-час: поэтому в формулах для подсчета ра-
работы мы всегда будем выражать А в кГм.
** Необходимо иметь н р.иду, что если работу А подсчитывают в кГм, то
значение R также необходимо брать в кГ'м- моль .град при этом для 1 моля
газа R=0,848 кГм/моль ¦ град. Если же работу выражать в л-ат, то /? =
=0,0821 л. art моль .град.
68

n — число г-моль газа;
О — количество газа в данной системе, выраженное в г;
М — молекулярный вес газа.
Заменяя в указанных уравнениях натуральные логарифмы
десятичными и подставляя в них значение R, получим:
или
Л= l,95n74g-^- = 1,95/i74g -^-/сГл< C8)
Vl Р2
А =--- 0,189 пТ lg —^- - 0,189 пТ lg ~l— л-am. C8а)
Vi Pi
Количество же тепла определится из уравнения
Q = 4,5655 пТ lg -^i- = 4,5655 пТ Ш -^- /шл. C86)
^i Pi
В практике технических расчетов уравнения работы изотер-
изотермического сжатия или расширения C8) и C8а) занимают очень
незначительное место, так как все процессы сжатия фактически
протекают настолько быстро, что температура газа при этом не
остается постоянной, а сильно изменяется. В практике расчетов
уравнение изотермы широко применяют только в форме уравне-
уравнения Ьойля, на котором мы подробно останавливались выше
(стр. 45).
Пример 1. Требуется повысить давление 2 л кислорода с
340 мм рт. ст. (Р = 0,447 ата) до 1 ата при постоянной темпера-
температуре 100° С. Подсчитать работу сжатия и количество выделив-
выделившегося при этом тепла.
Решение, По уравнению Менделеева — Клапейрона под-
подсчитаем количество г-моль кислорода в 2 л его:
PV 0,447-2 „mm
п — = —: == 0,0292 г-моль.
RT 0,0821 • 373
Отсюда по уравнению C8) работа сжатия 2 л кислорода равна:
А = 1,95 пТ lg -^- =--: 1,95 • 0,0292 • 373 lg ^^- = —7,43 кГм*.
Количество выделившегося при этом тепла составит (по урав-
уравнению 386):
Q = 4,5655 • 0,0292 • 373 lg ¦ 0,447 -¦- — 17,4 кал,
или, пользуясь механическим эквивалентом тепла A кал =
= 0,427 кГм) для перепода величины А в калории, получим то
* Знак минус показывает, что (работа затрачивается на систему, а тепло
выделяется системой.
69

же значение Q:
Q -.=, — li*L = — 17,4 кал.
0,427
Пример 2. Изотермически сжимают 1000 м3 а:юта от 1 до
5 ата\ температура азота 127° С. Подсчитать: а) объем азота
после сжатия; б) работу, затраченную на сжатие; в) количество
тепла, выделенное при сжатии.
Решение. Количество азота равно:
PV 1 ¦ 1000 оп .г
п = = 30,45 кг-моль\
RT 0,0821 • 400
Отсюда:
а) объем азота после сжатия:
б) работа сжатия:
А= 1,95 ¦ 30400 • 400 • lg — = — 16320000 кГм
О
(работа затрачивается на систему);
в) количество тепла, выделенное системой
п —16320000 „,от
Q = — — 35800 икал.
427
Работа адиабатического и политропического процессов
А д и а б а т п ч е с к и м процессо м называется га-
кой процесс, при котором между системой
и о к р у ж а ю щей средой не происходит т е п л о-
обмена. Из этого следует, что для адиабатического процесса
dQ-=0, а работа затраченная на систему пли совершенная систе-
системой, идет исключительно .на изменение внутренней энергии ее;
Подобные процессы являются идеальными, так как в дейст-
действительности абсолютно изолировать систему от окружающей
среды, а следовательно, и предотвратить теплообмен между ни-
ними практически невозможно.
Однако при работе компрессоров, где сжатие газов идет на-
настолько быстро, что выделившееся при этом тепло не успевает
передаваться окружающей среде, в технике холодильного дела,
где аппаратура, в которой совершается процесс, изолирована от
70

окружающей среды и т. п. — все расчеты без особо большой
ошибки можно вести, пользуясь приведенными ниже уравнения-
уравнениями адиабатического процесса *.
Уравнения адиабатического процесса следующие:
PV% = const, C9)
TVX ~ ' = const, C9a)
I — x
TP x - const, C96)
где у. —постоянная (показатель адиабаты), равная
¦——, т. е. отношению молекулярной теплоемкости
при постоянном давлении Ср к теплоемкости при по-
постоянном объеме С.,.
Отсюда получаем следующие уравнения состояния системы
при адиабатическом процессе:
X 1
D0)
V,
где Р\, V\, T\ — начальное состояние газа;
Р'2, V'2, Т2 — конечное состояние его.
Решая уравнение C7а) по отношению к адиабатическому
процессу, получим следующие выражения для работы А этого
процесса:
A- P>V
х-1 L \ i'2
или
I — 1
А -- *
или
•/.- 1 I Tl ) ¦/.- 1 I rt / 7.-1 V J W V ;
A~W-p*V*. D 1b)
7. — 1
Урапнение D1) дает выражение работы так называемого
абсолютного адиабатического процесса, т. е.
такого процесса, при котором рабочее тело (газ) при своем адиа-
адиабатическом расширении или сжатии не совершает замкнутого
* Более точно подобные расчеты производятся по уравнениям долит.ро-
пнческого процесса (стр. 73).
71

(кругового) цикла. Однако сжатие и расширение газа или пара
в двигателях (паровых машинах, компрессорах и т. п.) протекает
таким образом, что рабочее тело (газ, пар), совершая в цилинд-
цилиндре двигателя работу, периодически возвращается в начальное со-
состояние. Работа такого периодического (замкнутого или круго-
кругового) процесса при сжатии и расширении газа или пара в дви-
двигателях в у. раз больше работы абсолютного адиабатического
процесса*. Следовательно, в случае подсчета работы компрессо-
компрессоров и двигателей, уравнение D1) примет следующий вид:
т^ЧКтП D2)
или
х— 1
х- 1
nRT, 1--9Ч I D2а)
у- - 1 V Pi
или
А = -JL- PiVl f 1 - -^Ц ---= —'— nR G\ - 72); D26)
MW . D2в)
¦А 1
Как уже отмечалось выше, в действительности сжатие и рас-
расширение газов протекает не адиабатически и не изотермически,
а в каждом отдельном случае, в зависимости от конкретных ус-
условий ( скорости процесса, степени сжатия и изолированности
системы и т. д.), лишь приближается к одному из этих процес-
процессов. Такие реальные процессы, при которых имеет место отвод
тепла наружу или поступление его в систему из окружающей
среды, называются политропическими процессами.
Подсчет физических параметров системы (Р, V и 7"), а также ее
работы при подобного рода процессах производится по уравне-
* В случае изотермического процесса значения работы как при замкну-
замкнутом цикле, так и абсолютное, равны друг другу и подсчитываются по урав-
уравнениям C8) и C8 а). Более подробно понятия абсолютного и кругового ади-
адиабатического цикла, а также вывод уравнений работы для них подробно из-
изложены в учебниках по технической термодинамике. Из определения абсо-
абсолютного и кругового цикла следует, что практически все расчеты адиабати-
адиабатических процессов производят по уравнениям кругового цикла.
72

ниям политропы, анологичным уравнениям адиабаты C9), в ко-
которые вместо показателя адиабаты у. входит показатель по-
политропы т. Таким образом, политропические процессы опре-
определяются следующими уравнениями:
т — I
т
D3)
Vl \m-\
= —— nRT1 \ 1 — / -^—у '1; D3а)
или
т- I
т - 1 Ч I Рх j
т- 1
D36)
]
Примечание. Уравнения D3а) и D36) одинаково применимы как к
адиабатическим, так и к политропическим процессам.
Если расширение газа протекает по законам адиабаты или
политропы, то необходимо иметь в виду, что здесь могут иметь
место два случая: 1) когда расширение идет с совершением
внешней работы, т. е. когда сжатый газ действует на поршень в
цилиндре расширительной машины, приводя его в движение;
2) когда расширение протекает без совершения внешней работы,
т. е. когда газу при его расширении не противостоит никакое
препятствие (подобно поршню). Второй случай имеет место, на-
например, при переходе газа через вентиль (или дроссельный кла-
клапан) из сосуда высокого давления в сосуд низкого давления.
Отсюда ясно, что так как во втором случае газ никакой внеш-
внешней работы не совершает, то для него неприменимы уравнения
C9) — D2в). Неприменимость указанных уравнений следует
также из того, что вывод этих уравнений состояния основан па
принципе сжатия газа за счет внешних усилий, т. е. такого сжа-
сжатия, когда на этот процесс затрачивается определенная механи-
механическая работа.
Таким образом, если адиабатическое сжатие или расшире-
расширение газа идет с затратой или, соответственно, с получением оп-
определенной механической работы, то подсчет любого параметра
его состояния (Р, V, Т, А) производят по уравнениям адиаба-
адиабатического процесса C9) — D26). Если же расширение газа про-
протекает без совершения внешней работы (в «пустоту»), то здесь
73

указанные выше уравнения неприемлемы; в этом случае подсчет
производится по эмпирическим формулам или по тепловым диа-
диаграммам (см. ниже).
В то время как при адиабатическом расширении любого га-
газа, происходящем с совершением внешней работы, его темпера-
температура сильно меняется, температура идеального газа при расши-
расширении без совершения внешней работы остается постоянной в
течение всего процесса. Однако опыт показывает, что при адиа-
адиабатическом расширении без совершения внешней работы темпе-
температура реальных газов хотя и незначительна, но снижается; сни-
снижение его происходит за счет работы внутримолекулярных, так
называемых ван-дер-ваальсовых, сил. Это явление носит назва-
название холодильного эффекта, для подсчета которого су-
существует ряд эмпирических формул:
АР; D4)
@71 .2
-уЧ ДР; D4а)
Д Р = 5,75 Гд Т — 2043,55 lg /1 — )] и др. D46)*
[ \ 888,5 — т{ /J
В уравнениях D4)—D46):
Д7 = 7| — 7"г — перепад температуры;
АР = Р\—Р2 — перепад давления при адиабатическом расшире-
расширении газа;
Т[ и Р\ —температура и давление газа до расширения, а Т?
и Р2 — после расширения;
a, a, b — коэффициенты, найденные опытом и зависящие от
рода газа **.
Однако уравнения D4)—D46) дают точные результаты
только для сравнительно высоких температур и низких давле-
давлений, так как эмпирические коэффициенты, входящие в эти урав-
уравнения, в свою очередь также зависят от температуры и от дав-
давления. Поэтому подсчет конечных температур при адиабатиче-
адиабатических процессах без отдачи внешней работы в расчетной практи-
практике обычно производят при помощи тепловых 7"—-5 или /—Т диа-
диаграмм (стр. 106).
Пример 1. Имеется 150 м3 водорода, который подвергают
адиабатическому сжатию от 1 до 5 ата; температура газа до
* Ураннепмс D4 б) выведено теоретически на основании уравнений сос-
состояния реальных гачов.
** Например, для углекислого газа и кислорода: а = 0,35, а — 0,313, 6 =
= 0.00085; для во.иуха и = 0.287, а = 0,268, b = 0,00086; для азота и = 0,32:
для водорода а = 0,031 и т. д.
74

сжатия 17° С. Температура и объем водорода после его сжатия
определятся по уравнению D0):
х-1 Г,
r2
Подставляя в эти уравнения
7\ = 273 + 17°, Рх =-- 1 ата, Р2 = 5 ата, VL = 150 м3 и /- = 1,41,
получим:
72 -=- 290 ¦ 50'29 = 463° КA90°С).
Vn2'41 --= 150
о,41 290
463
откуда
V2 =: 48,4 м3.
В приложении приведены номограммы 2 и 3, дающие воз-
возможность быстро подсчитывать отдельные параметры уравне-
уравнения адиабаты и политропы.
Применим номограмму 2 для вычисления величины V2 в при-
примере I. Соединяем прямой линией точки Я, = 1 и Р2 = 5. Затем
через точку пересечения ее со шкалой А (точка а) проводим
прямые от точек /=17° С u V1=15,0 (или Vi=150) * до пересе-
пересечения их со шкалами U w V2. При этом на первой шкале отло-
отложится деление 189, а на второй 4,84. Следовательно, температу-
температура газа равна 189° С, а объем его после адиабатического ежа-
тия составляет 48,4 Л13.
Пример 2. Компрессор засасывает 100 м3 водорода в
1 мин. и сжимает его с 1 до 8 ата. Определить потребную мощ-
мощность мотора для компрессора, если сжатие водорода идет адиа-
адиабатически; -/ для водорода 1,41 и коэффициент полезного дейст-
действия (к. п. д.) передачи от мотора к компрессору 0,8.
Решение. По уравнению D2а) подсчитываем работу ком-
компрессора:
а— I
х-1 [ [ Р,
* Так как значенше V, по шкале мы берем не 150, а 15,0, т. е. в 10 раз
меньше, го и результат на шкале V2 нужно увеличит!, в 10 раз, т. е. нместо
4,84 надо взять 48.4. По номограмме 2 такой способ подсчета можно приме-
применять только для одноименных шкал. т. е. нельзя, например, за счет увеличе-
увеличения или уменьшения t и Р уменьшать или увеличивать V.
75

Подставляя сюда значения х, Pi, V\, P2, получим:
А 1,41 ¦ ЮЗЗЗ- 100
1,41-1
Г _ /_8 \°-291
[ \1 ) \
1457000-A — 1,83) = — 2947000 кГм*.
0,41
Отсюда мощность компрессора:
,ю 2947000 ,oi с
W = = 481,5 кет,
60 • 102
или потребная (минимальная, без учета запаса) мощность мо-
мотора для компрессора равна:
481,5 сг,п
— = 602 кет.
0,8
Пример 3. Требуется посредством адиабатического расши-
расширения (с использованием работы сжатия) охладить воздух от
+ 25° до •—55° С. Какова при этом должна быть затрачена рабо-
работа на 1 кг воздуха?
Решение. Примем состав воздуха 21% О2 и 79% N2 **. От-
Отсюда приведенный молекулярный вес его: 32,0 • 0,21 +28,0 ¦
•0,79 = 28,84. Следовательно, в 1 кг воздуха содержится азота и
кислорода
1 ¦ 1000 о , _
=-- 34,7 г-моль.
28,84
По уравнению D16) определяем работу при охлаждении
1 кг воздуха от +25° С (Г, = 298° К) до —55° С (Г2 = 218°К):
А = -^- (Т1 — Т2) = °'848'34'7 B98 — 218)= 5740 кГм.
у.— \к 1 2/ 0,41 v
Пример 4. Воздух, имеющий давление 0,9 ата и темпера-
температуру 27° С, сжимают адиабатически так, что объем его после
сжатия уменьшается в 12 раз. Определить: а) давление Я2 и
температуру Т2 воздуха в конце сжатия; б) давление Р3 после
того, как сжатый воздух примет снова температуру 27° С.
Решение. По условию задачи отношение объемов до и
мосле адиабатического сжатия равно 12, т. е.
V,
= 12.
* Не следует забывать, что отрицательный знак величины А указывает,
что работа затрачивается па систему.
** Фактически воздух содержит 1% Аг; однако в технических расчетах,
как правило, принимают состав воздуха 21% О2 и 79% N2.
76

По уравнению адиабаты определяем конечное давление воз-
воздуха Р2 и температуру Т2; при этом начальное давление Р\ =
= 0,9 ата и температуре 7, = 273 + 27 = 300° К, х для воздуха =
= 1,40, -=^-=0,286:
7.
Отсюда находим 7~2 и Р2:
Тг = 300 • 12°'40= 811°К, или 538°С,
Р2 = 0,9 • 12'-40 = 29,2 ата.
Таким образом, после сжатия температура воздуха t2 =
= 538° С и давление Р2 = 29,2 ата. После охлаждения давление
воздуха Рз определим по уравнению Гей-Люссака:
п ,, '!\ 29,2 • 300 ,„ о
Рч -— Ро—— -~ —L = 10,8 ата.
' Т, 811
Пример 5. Атмосферный воздух (Р = 1 ата) компримиру-
ют до 5,0 ата. Подсчитать работу сжатия 1 кг воздуха, если
этот процесс протекает по закону политропы с показателем m =
==1,3; начальная температура воздуха 27° С.
Решение, m = 1,3, R = 0,848 кРм/моль ¦ град,
Т, = 300°К, Рх = 1 ата, Р2 -= 5,0 ата, п = -^- --= 34,6 г-моль*.
Х 28,96
По уравнению D36) получим:
,._!=!_ 34.6. 300 P
= 17100 /сГл* на 1 кг воздуха.
(Сделаем тот же подсчет, пользуясь номограммой 3. Для
этого от точки 5,0 шкалы — опустим перпендикуляр на линию
т A,3). Полученную при этом точку пересечения а соединим с
точкой 27 шкалы / (Т = 300° К). Эта новая линия пересечет
шкалу А в точке. 494. Отсюда работа сжатия 1 кг C4,6 г-моль)
воздуха равна:
А = 494 • 34,6= 17100/сГж**
* Приведенный молекулярный вес воздуха равен 28,96 (см. выше закон
Дальтона, пример 2, стр. 52).
** Следует обратить внимание, что на шкале А номограммы II нанесены
абсолютные значения работы А. В данном случае работа затрачивается на
систему. Следовательно, согласно принятому нами обозначению, работа здесь
должна иметь отрицательное значение (—17100 кГм).
77

Пример 6. В баллоне находится углекислый газ под мано-
манометрическим давлением 45 кг/см2; температура его 27° С. Кран
баллона быстро открывают и углекислый газ выпускают в окру-
окружающую среду, т. е. производят адиабатическое расширение.
Определить температуру газа в момент его выпуска.
Решение. Так как по условию задачи адиабатическое рас-
расширение СО2 протекает без совершения внешней работы, то
здесь по одному из уравнений D4)— D46) следует подсчитать
холодильный эффект.
Произведем этот же подсчет по уравнениям D4) и D4а),
подставляя в них: Т\ = 300° К, АР = 46—1=45 атм, а = 0,35,
а = 0,313, Ь = 0,00085.
По уравнению D4)
ДТ= 0,35 f^L'f. 45= 13°.
\ 300 /
Следовательно, температура (t2) углекислого газа в момент его
выпуска из баллона равна 27—13= 14° С.
По уравнению D4а):
Д Т = @,313 + 0,00085 • 45) (J™-)'. 45 = 13°.
v '[ 300 /
Отсюда t2 = B7—13) = 14° С.
Примечание. Как уже указывалось, подсчет холодильного эффекта
но уравнениям D4) — D46) дает неточные результаты. Поэтому в практике
расчетов дроссель-эффектов всегда пользуются тепловыми (J — Т) и энтро-
энтропийными (S — Т) диаграммами (см. примеры 5 стр. 77).
Работа изобарического процесса
Изобарический процесс это процесс, идущий
при постоянном давлении (Р = const). Такие процессы
практически имеют место в работе всякого рода холодильников,
теплообменников и т. п. Подставляя в уравнение C6а) Р =
= consl и интегрируя полученное выражение, находим работу
изобарического процесса (на п г-моль газа):
A=nP(Va — Vl), D5)
i4 = n/?G-a —7\), D5а)
где п — число г-моль газа, участвующего в процессе;
Г| и 7<i — начальная и конечная температура газа;
1^! и V2 — начальный и конечный объем газа;
Р — давление газа во время процесса.
78

Количество тепла, полученное или отданное газом при этом
процессе равно: _
Q^nCATt-TJ, D6)
Q=!^(Va-V1), D6a)
где ср — средняя молекулярная теплоемкость газа в пределах
температур 7, и Т2 при постоянном давлении.
Выражение работы [уравнения D5) и D5а)] изобарического
процесса в практике расчетов технологических процессов почти
не применяется. Уравнения же D6) и D6а) широко используют-
используются при расчетах теплообменников, холодильников и аналогич-
аналогичных аппаратов, т. е. в тех случаях, когда процесс протекает с
изменением температуры и объема при постоянном давлении.
Как следует из первого закона термодинамики, все тепло,
сообщенное газу при изобарическом процессе, идет на изменение
его внутренней энергии или, что то же, на повышение его тем-
температуры (для идеальных газов) и на производство работы рас-
расширения газа. При этом более детальное исследование уравне-
уравнения C5) показывает, что на повышение температуры газа при
изобарическом процессе расходуется —Q, а на работу расшире-
ния его A ) Q единиц тепла (и— отношение теплоемкости
газа при постоянном объеме).
Пример 1. Подсчитать работу, которую производят
3 кг-моль газа при расширении его объема 35 м3 до объема
75 .и3 при постоянном давлении в 2 ата.
Решение. Подставляя данные величины в уравнение D5),
получим:
А= 3-2G5 — 35) = 240 кГм.
Пример 2. Определить количество тепла, которое следует
сообщить 6 кг-моль F000 г-моль) газа, чтобы повысить темпера-
температуру его от 17 до 67° С, если давление газа во воемя процесса
остается постоянным A,2 ата)\ средняя теплоемкость газа в
пределах этих температур равна 8.2 кал/г-моль. Подсчитать так-
также: а) какая часть тепла при этом расходуется на повышение
температуры газа и какая часть—на совершение работы его
расширения; б) на сколько увеличился объем газа; в) теплоем-
теплоемкость газа при постоянном объеме.
Решение. Из уравнения D6) находим:
Qx= 6 - 8,2C40 — 290) = 2460ккал.
79

Работа расширения газа определяется из уравнения D5а)
А = 6000 • 0,848 C40 — 290) = 254400 кГм*,
на что расходуется тепло:
Q2 = _?54400_ = 595,8 ккал,
427
что составляет
Q2 595,8
Q! 2460
= 0,242,
или 24,2% общего количества тепла, сообщенного газу.
Объем газа при этом увеличится на
Д V = — = J54-00 = 35 300 л C5,3 м3).
пР 6-1,2 V ' '
Теплоемкость газа при постоянном объеме определяется из
следующих соотношений:
a) SL. .; х; б) 11 - ~j Q, = Q2,
откуда
Подставляя сюда значения -^ =0,242 и Ср =8,2, получим:
Qi
Cv -¦= 8,2 — 8,2 • 0,242 = 6,22 кал/моль.
Изохоричвский процесс
Изохорическим процессом называется про-
процесс, протекающий при постоянном объеме
(V = const). Все тепло, сообщаемое газу при этом процессе,
идет исключительно на увеличение его внутренней энергии;
вследствие постоянства объема газа работа здесь равна нулю
(Л =0). Этот процесс выражается следующими уравнениями:
Q^-nCATz-TJ D7)
или
где п — число молей газа;
Р\ и Г[ — начальное состояние газа;
Р2 и Т2 — конечное состояние газа;
* Значение R, равное 0,848, выражено для 1 г-моль таза (стр. 50).
S0

Cv — средняя молекулярная теплоемкость газа при по-
постоянном объеме в пределах температур Тх и Т2.
Изохорические процессы в промышленной практике занима-
занимают незначительное место, так как большинство производствен-
производственных процессов протекает при постоянном давлении *.
Пример 1. В автоклаве находится 20 л водорода под дав-
давлением 1,2 ата и 17° С {Т\ = 290° К). При нагревании автоклава
давление в нем поднялось до 6 ата. Подсчитать: а) сколько теп-
тепла сообщено водороду в автоклаве, если молекулярная тепло-
теплоемкость его при постоянном объеме Cv =5 к.ал/г-моль; б) до
какой температуры нагреется при этом водород.
Решение. Нагревание водорода протекает при постоянном
объеме, т. е. здесь имеет место изохорический процесс. Количе-
Количество тепла, сообщенное водороду, определяем по уравнению
D7а), где
P,V, 1,2-20 . ЛПО
п = ' ' = = 1,008 г-моль.
RTX 0,0821 • 290
Подставляя имеющиеся данные в уравнение D7а), получим:
Q = ' '°08 ' 5 290 F —1,2)= 5846 кал.
По уравнению D7) определяем температуру водорода 7
после его нагревания:
5846 = 1,008-5 (Га —290),
откуда
Г2= 1450° К(П77°С).
Можно определить 72 и непосредственно по закону Гей-Люсса-
ка. Так как объем водорода в этом процессе не изменился
откуда
Т2 =- 6 ' 290 = 1450°К.
1,2
УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
Как уже было указано выше, в основе уравнения теплового
баланса любого процесса или аппарата лежит закон сохранения
энергии, согласно которому количество теплоты BQ'), поступа-
поступающей в данный процесс, если в последнем нет превращения
* За исключением работы автоклавов.
6 С. Д. Бесков 81

ее в другой вид энергии, равно количеству теплоты, выделяю-
выделяющейся при процессе SQ")*,
? Q' - Е Q" D8)
или
EQ' — ?<2" = 0. D8а)
При составлении теплового баланса должна быть учтена вся
теплота как приходуемая, как и расходуемая в данном процессе:
1) теплота, которую несут с собой входящие и выходящие про-
продукты; 2) теплота, образующаяся за счет физических и химиче-
химических превращений, если таковые имеют место в данном процессе
(теплота химической реакции, теплота растворения, теплота
плавления, возгонки, парообразования и пр.); 2) теплота, теряе-
теряемая аппаратом в окружающую среду, и т. д. При этом необходи-
необходимо отметить, что в уравнение теплового баланса входят, глав-
главным образом, следующие величины:
в приход: а) теплота (Qi), входящая в аппарат продуктов;
б) теплота (Q2) физических и химических превращений, проте-
протекающих в данном аппарате**; в) теплота (<3з), вносимая за счет
посторонних продуктов, не принимающих непосредственного
участия в процессе (например, подогрев извне);
в расход: г) теплота (Q4) выходящих из аппарата продуктов;
д) потери тепла (Qs) в окружающую среду. Как уже было ука-
указано, в расходе может быть также и величина С?2, если она яв-
является отрицательной.
Таким образом, уравнение теплового баланса D8) принимает
следующий вид:
<3i + Q2 + Q3=Q4 + Qs. D86)
Подсчет каждой из указанных величин является одной из
главных задач при расчете технологического процесса и для
проектирования химической аппаратуры. Остановимся коротко
на каждой из них.
a) Q\ — теплота входящих в аппарат продуктов — подсчиты-
вается по уравнению
Qi --= Msi D9)
* Если все тепло или часть его в данном процессе превращается в другой
вид энергии, например, и механическую работу или работу электрического
тока и т. п., то эта работа должна входит в одно из значений 2Q" уравнения
D8) или D8а). При этом другой вид энергии необходимо обязательно вы-
выражать в эквивалентном количестве тепловой энергии.
** Величина <Эг может быть отнесена и в правую часть уравнения D8),
г. е. в расход, если данное химическое или физическое превращение идет
с поглощением тепла.
82

или же __
Q--=MsCt, D9a)
где Ms — количестпо продуктов, входящих в процесс (в кг, м3
или молях) *; эту величину берут из данных мате-
материального баланса, который обычно подсчитывают
раньше теплового баланса;
i — теплосодержание продуктов при данной температуре;
С—средняя теплоемкость продуктов при температуре
t поступления их в процесс;
t—температура продуктов при поступлении в процесс.
Величина С должна быть взята или под-
подсчитана в соответствии с величиной Ms : если Ms
взято в килограммах, то с следует взять в больших калориях;
если Ms взято в кубических метрах, то С — в калориях на куби-
кубический метр и т. д. Значение теплоемкости для очень многих про-
продуктов (главным образом, для газов) очень сильно зависит от
их температуры и давления. Кроме того, для газов оно также за-
зависит и от того, протекает ли данный процесс при постоянном
объеме или при постоянном давлении, т. е. протекает ли процесс
изохорически или изобарически.
Так как теплоемкость играет одну из самых существенных
ролей в тепловых подсчетах, мы на ней более подробно остано-
остановимся ниже.
В большинстве случаев при техно-химических расчетах при-
приходится иметь дело не с чистыми веществами, а со смесями их.
Теплоемкость же и теплосодержание последних почти всегда не-
неизвестны, так как таблицы и формулы теплоемкости и теплосо-
теплосодержания имеются только для чистых веществ. Поэтому в слу-
случае подсчета величины Q{ для продуктов, состоящих из несколь-
нескольких компонентов (например, смесь водяного пара, водорода,
окиси углерода и т. п.), формулы D9) и D9а) примут следую-
следующий вид:
Q, - I Mfit = / (Msfiy -|- М ~Сг + М,?Л + ...) D96)
или
Q2 = MJ (/лД + тгСг Л- т..Ся) D9в)
ИЛ:И
Qi = Л*,Л + M,j2 -j M,ti3 +;. . . D9г)
или же
Qi = Ms (п?1>1 -f m2i2 + m3i3 -f . . .), D9д)
* Если значению Ms для газон берется ,в объемных единицах, то объем
га.ш нужно обязательно принести к нормальным у. с л о п и я IM,
т. е. 0° С и 760 мм рт. ст.
6* 83

где M,t, MStl MSt, .,. — количество каждого компонента
в отдельности;
Ms —общее их количество, которое
равно
Ms = M,t +М,, +MS. ....
mb m2, m3 ... —доля каждого компонента в еди
нице объема (или веса) всей сме
_ _ _ си их;
Съ С2, Ся ... — соответствующие средние тепло-
теплоемкости;
h> к, h ¦¦¦ —соответствующие теплосодержа-
теплосодержания.
Таким образом, при подсчете величины Q\ вопрос сводится
* нахождению значении Cut или же /, так как величины M,t,
W.t, Мг, ... обычно известны из материального баланса или из
задания.
Определим, например, количество тепла Q\, которое несут с
собой 200 л3 газа (приведенных к нормальным условиям), со-
состоящего из 25% N2 и 75% #2 при температуре 400°С, если
средние удельные теплоемкости Нч и jV2 при этой температуре
Сн = — = 0,312 ккал/м3, а Сы =.i^-8= 0,316 ккал1м* (см
иш 22_4 i • n. 22,4
табл. 10).
Пользуясь приведенными выше уравнениями, получим [по
уравнению D9в)]:
Q, -=&1(т?ы, + ЩСн,) =
--= 200 ¦ 400@,25 • 0,316 + 0,75 ¦ 0,312)=- 25 040 ккал.
или, принимая во внимание, что в 200 ж3 содержится:
п 200 ¦ 25 СА ,,, п 200 -75 . _„ а „
G = 50 ju37V2 и G2 = == 150 м3 И2,
100
Gj 50 ju7V2 G2
100 100
получим по уравнению D96):
Qi -=400E0 -0,316 + 150 ¦ 0,312) = 25 040 ккал.
Подсчитаем количество тепла по уравнению D9г). Теплосо-
Теплосодержание 1 кг-моль B2,4 м3) N2 при 400° С равно 2831 ккал, а
теплосодержание 1 кг-моль Нч при той же температуре равно
2791 ккал (см. табл. 16). Отсюда, теплосодержание 1 м3 N2
будет:
84
; =: 2_^L^ 126,4 ккал,
W« 22,4

а теплосодержание 1 м3 #2
2791
1
— 124,6 икал.
Ht 22,4
Величина Q\, определенная по уравнению D9г), равна:
(?!= 126,4 ¦ 50+ 124,6 • 150 =25 010 ккал*.
Следовательно, для подсчета величины Q\ (а также Q3 и Q4,
см. ниже) необходимо знать или уметь вычислять значение сред-
средних теплоемкостей С или же теплосодержаний i данных веществ.
С этим мы более подробно познакомимся ниже.
б) Q2— теплота химических и физических превращений,
протекающих в данном процессе. Как было указано выше, эта
величина включает или теплоту протекающих химических реак-
реакций, или теплоту превращения продукта из одного агрегатного
состояния в другое (например, из жидкости в пар или твердое
село), или теплоту растворения и т. д., или же, наконец, и то и
другое одновременно. Таким образом, в значение Q2 могут вхо
дить несколько величин в зависимости от того, какие химические
и физические превращения имеют место в данном процессе. По-
Поэтому при подсчете величины Q2 необходимо предварительно
знать и ясно представлять себе эти превращения. Значения теп-
тепловых величин (тепловой эффект реакции, теплоты парообразо-
парообразования и т. д.), всегда берут из таблиц и диаграмм, где они да-
даются в калориях для определенных условий и отнесены к опре-
определенному количеству вещества. Эти табличные данные нередко
приходится пересчитывать для тех условий работы (давления и
температуры), при которых должен работать рассчитываемый
аппарат **. Величины, входящие в значение Q2, могут быть поло-
положительными и отрицательными; это обстоятельство всегда необ-
необходимо иметь в виду при подстановке этих величин в уравнение
теплового баланса. Положительные значения этих величин сле-
следует относить к приходу тепла, отрицательные—к расходу.
в) Q3 — теплота, подающаяся к аппарату извне через его
стенки продуктами, не принимающими непосредственного уча-
участия в процессе (например, подогрев аппарата горячими газами.
сжигание под ним топлива и т. п.). Эта величина подсчитывается
в зависимости от конкретных условий, т. е. от того, какой про
дукт и в каком виде является здесь носителем тепловой энергии
• Расхождение, полученное за счет округления цифр при подсчетах
30-100
составляет 25040—25010 = 30 ккал, или ——— =0,12%.
25040
** Подсчет и нахождение по таблицам и диаграммам теплосодержаний,
теп.ют растворения, парообразования и т. п., а также законы, которым под-
подчиняются эти величины, будут рассмотрены ниже.
8К

r) Q4 — теплота уходящих из аппарата продуктов — подсчи-
тывается точно так же, как и количество теплоты Q,.
Д) Qs — тепловые потери в окружающую среду, которые вы-
вызываются теплопроводностью стенок аппарата, переходом тепло-
тепловой энергии в лучистую и конвекцией. В основе подсчетов вели-
величины Q5 лежат законы теплопередачи. Учение о теплопередаче
составляет обширную область знания, которая при современном
ее состоянии дает достаточно точные методы вычисления тепло-
потерь. В большинстве случаев основные теплопотери в произ-
производственных процессах происходят за счет теплопроводности
стенок аппарата. Эти потери тепла подсчитываются по уравне-
уравнениям:
в случае плоских стенок:
С^Т* E0)
в случае цилиндрических стенок:
v e Jflu^. E0>)
В уравнениях E0) — E0а):
Д^ — разность температур между внутренней (/,) и внешней
{t2) стенками аппарата (At = t\ — t2);
F — поверхность стенки в м2;
S — толщина стенки в м;
L —длина стенки цилиндра в м;
г, — внутренний радиус стенки цилиндра в м;
га —внешний радиус стенки цилиндра в м;
х — время в часах;
А — коэффициент теплопроводности материала стенки в
ккал/м ¦час•град.
Для твердых тел значение X обычно берут из таблиц; для
жидкостей и газов коэффициент теплопроводности чаще всего
определяют по формулам:
Для жидкостей:
0.239 . 2.15-1.55^0.192
>- — ¦ ккал/м ¦ час ¦ град, E1)
у]0-12
для газов
X. -1,25^A,8^-0,
где 7 — удельный вес жидкости;
с — средняя удельная теплоемкость жидкости;
86

ср и cv—средняя удельная теплоемкость газов при посто-
постоянном давлении и постоянном объеме;
М — молекулярный вес жидкости;
¦>] — вязкость жидкости или газа в сантипуазах.
Следует, однако, отметить, что при составлении теплового
баланса процессов иногда величиной Qs задаются на основе
практических данных или же выводят ее как разность между
(Q1 + Q2 + Q3) и Q4.
ТЕПЛОЕМКОСТЬ
При тепловых расчетах следует различать теплоемкость ве-
вещества при данной температуре, которая называется истинной
его теплоемкостью (Cs), и теплоемкость в пределах заданных
температур t\ — /2, которая носит название средней теплоемко-
теплоемкости (Cs). Исчисляется теплоемкость, как правило в калориях
на 1 градус*.
Истинная теплоемкость представляет собой отно-
отношение бесконечно малого количества тепла {dQ), затраченного
на нагревание единицы массы вещества к бесконечно малому
повышению его температуры (dT).
С=-^-. E2)
s dT
Средней теплоемкостью (Cs) называется количе-
количество тепла, которое необходимо для повышения температуры
единицы массы вещества на 1° в температурном интервале
t\ — t2. Следовательно, средняя теплоемкость выражается част-
частным от деления количества тепла (Q), затраченного на нагрева-
нагревание тела от Т{ до Г2 на разность этих температур:
Сж= —«_=_«_ E3)
В таблицах значение Cs обычно дается с указанием этого
интервала температур.
Теплоемкость веществ, отнесенная к весовым единицам изме-
измерения их массы, называется удельной теплоемкостью
(с кал/г-град., с ккал/кг-град, с дж/кг-град), а к молярным
единицам измерения — молярной теплоемкостью
* В некоторых таблицах теплоемкость дается в джоулях на градус (на-
(например, в справочниках Технической энцикло-педии). Для перевода в боль-
большие калории необходимо значение теплоемкости в джоулях .разделить на пе-
переводный коэффициент 4,182 (или умножить на 0,239), так как 1 джоуль
рааен 0,239 клал.
87

(С кал/моль-град, С ккал/кг-моль-град). Иногда теплоемкость
газов выражают в ккал на 1 м3 или в кал на 1 л объема газа
(ккал/м3• град и т. д.). Это выражение называется объемной
теплоемкостью {Со6). Для газов, кроме того, особенно важно
различать теплоемкости при постоянном объеме (С№ Cv, и т. д.)
и постоянном давлении (Ср, Ср и т. д.), так как значения их
сильно отличаются друг от друга.
Таким образом, пользуясь таблицами теплоемкостей, необхо-
необходимо всегда иметь в виду единицу измерения, для которой они
рассчитаны.
При всех подсчетах теплового баланса, как правило, поль-
пользуются средней теплоемкостью (с, Ср и т. д.) от 0° до t°C. При
этом получают изменение количества тепла при t° С, по сравне-
сравнению с количеством его при 0°С. Так, например, если требуется
определить, сколько тепла отдадут 2 кг водяных паров при ох-
охлаждении их от 400 до 200° С, то надо взять среднюю теплоем-
теплоемкость пара между 400 и 200° С или же найти отдельно среднюю
теплоемкость водяного пара от 0° до 200°С, подсчитать отдель-
отдельно относительные количества тепла при t\ = 400° С и при ti =
— 200°С и вычесть одно из другого. Полученное количество
тепла <7 определит собой тепло, отданное водяным паром при его
охлаждении, т. е.
<7=2- с D00 — 200) ккал,
где с — средняя удельная теплоемкость водяного пара между
400 и 200°С,
или же
Q = 2 (с4Оо • 400 — с200 • 200) ккал,
где с4Оо — средняя удельная теплоемкость водяного пара от 0°
до 400° С и cioo — от 0° до 200° С.
Из этого примера видно, что величина q может быть подсчи-
подсчитана для любого интервала температур, лишь бы была известна
средняя теплоемкость вещества для предель-
предельных температур этого интервала (от 0°С).
Пределов температур, в которых ведутся тепловые подсчеты,
может быть бесчисленное множество. Так, например, если в таб-
таблице лается значение средней теплоемкости (cs или Cs) между
0° и 400° С, то это ее значение будет правильным только в интер-
интервале температур от 0° до 400° С.
Если же брать пределы температур 200—400° С, 300—
400° С, 100—400° С, 0—100° С и т. д., то теплоемкость будет
иметь уже другое значение.

Таких пределов в интервале 0—400° С будет очень много, и
указанное значение средней теплоемкости в каждом случае бу-
будет различно.
Таблица значений средней теплоемкости для любого интерва-
интервала температур получилась бы очень громоздкой и неудобной
для пользования. Поэтому средние теплоемкости cv, cpt Ср
и т. д. обычно даются в пределах от 0°С до температуры, ука-
указанной в таблице.
Допустим, что найденное в таблице значение средней удель-
удельной теплоемкости для какого-либо вещества равно 0,455 при
500° С*. Это значит, что для нагревания одного кг данного ве-
вещества на 1° в пределах от 0° до 500° С необходимо в среднем
затратить 0,455 ккал тепла. При этом в расчетах значение с, рав-
равное 0.455 ккал, можно вполне точно брать только в пределах от
0е до 500° С. Если же это вещество нагревается от 400 до 500° С
или охлаждается от 500 до 400° С, то указанная величина тепло-
теплоемкости, равная 0,455, будет уже не вполне точна. Точное зна-
значение средней теплоемкости можно вычислить для любых преде-
пределов температуры, если известна математическая зависимость
истинной удельной теплоемкости от температуры. Это вычисле-
вычисление производится при помощи интегрирования уравнений истин-
истинных теплоемкостей, на чем мы коротко остановимся ниже.
В практике же теплопых расчетов гораздо легче и быстрее
производить такое вычисление непосредственно на основании
средних теплоемкостей от 0° до /°С, как это было показано вы-
выше на примере охлаждения водяного пара от 400 до 200°С**.
Теплоемкость газов зависит от температуры и давления.
Теплоемкость жидкостей и твердых тел с давлением не изме-
изменяется или изменяется так мало, что в практических расчетах
этим вполне можно пренебречь. В зависимости от температуры
теплоемкость их изменяется, но в значительно меньшей степени,
чем теплоемкость газов; почти не изменяется теплоемкость
твердых тел при высоких температурах.
Если изменение теплоемкости какое-либо вещество в зави-
зависимости от температуры выразить графически, то при переходе
его через различные агрегатные состояния в большинстве слу-
случаев получатся кривые, подобные изображенным на рис. 7.
Из определения понятий удельная, молекулярная и объем-
объемная теплоемкости следует, что
С = Мс и С = Мс; E4)
* Вместо термина «средняя теплоемкость от 0° яо ГС» в практике обычно
применяется термин «средняя теплоемкость при t"С».
** Еще лучше, удобнее и точнее вести тепловой подсчет, непосредственно
пользуясь значениями теплосодержаний (стр. 98 пример 2).
89

Кроме того, для газов:
С=22,\Соб и С = 22,4 С'оГ> E4а)
и для жидкостей:
9С=Соб, E46)
где С, С, с, с, Соб, Соб — соответственно истинная молекуляр-
молекулярная, средняя молекулярная, истинная
удельная, средняя удельная, объемная
и средняя объемная теплоемкость ве-
вещества;
М — молекулярный вес;
р — плотность жидкости. \
i
1
0>8
1
Рис.
<
53
СЗ
f/
пГРРа
Вода.
Кипе
Водяной.
i Ппав!
1вние
пар
Пары
серы
0,2
00
200 100 О 100 200 300 kOO 500
Температура, "С
7. Схема температурной зависимости удельной теплоемкости
воды и серы в их различных агрегатных соединениях
Зависимость теплоемкости от температуры
и давления. Как было указано выше, теплоемкость почти
всех тел зависит от температуры. Эта зависимость на основании
экспериментальных данных имеет следующий вид *:
С. = а + ЬТ + сТ2, E5)
* Иногда (в очень редких случаях) температурная зависимость теплоем-
теплоемкости выражается четырехчленным уразнением:
с = а + ЬТ + сТ2 + dT3.
90

где а, b, с—эмпирические коэффициенты, найденные для каж-
каждого вещества из опыта;
Т — температура, при которой определяют значение
теплоемкости вещества.
Так, например, если истинная молекулярная теплоемкость
азота выражается уравнением (см. табл. 6).
С = 6,30 + 0,0018197" + 0,345 • 10~6 Т2,
го при температуре 123° С (Г = 400° К) значение ее равно:
С123 =6,30+ 1,819- 10~3- 400 + 0,345- 10~6 - 4002 =
= 7,082 кал-моль.
Зная температурную зависимость истинной теплоемкости ве-
вещества, нетрудно определить эту зависимость и для средней
теплоемкости его в любых интервалах температур Т{—Т2. Для
этого из уравнения E2) путем его интегрирования определяют
значение Q, а затем, подставив его в уравнение E3), получают
выражение для средней удельной теплоемкости:
т
Cs = —-1— [\а +ЬТ+ сГ-) dT E6)
или, после интегрирования:
— Ь (Т1 — т?) с (То — Т?)
С = сЧ — — -\ — — , E6а)
s 2 (Т .— Ту) 3 (Г2 — TL)
откуда
— h с п о
— о. -\ (Т2 + Ту) -\ (Г2 + 1 \i 1 + / i) E66)
2. о
Практически в таблицах справочников температурная зави-
зависимость средней теплоемкости приводится с указанием интерва-
интервала температур 7\ — 7. В этом случае уравнение E6 6) имеет
следующий вид: _
Cs ~ at + btT + схТг, E6в)
где п\,Ь[,С\ — эмпирические коэффициенты;
Т — температура, при которой подсчитывается
значение С s в интервале температур, указанных
в таблице.
Указанная выше зависимость теплоемкостей газов, твердых
тел и жидкостей от температуры дана в табл. 6—9, 12—14 и 15.
Теплоемкость твердых и жидких тел практически не зависит от
давления. Теплоемкость же газов в зависимости от давления
91

меняется значительно, что ясно видно из приведенных здесь
диаграмм (рис. 8 и 9) для воздуха и водяных паров.
Пример 1. Определить значение средней молекулярной
теплоемкости аммиака в интервале температур от 27 до 127°С.
(Тх = 300°, 7 = 400°), если зависимость истинной его теплоем
кости от температуры передается уравнением
С. = 5,92 + 0,8963 • 1 (Г8 Т — 1,764 • 1 (Г6 Т2.
^~
I
1
S
*,
1
1
0.3
0.7
0.6
0.5
0.1
0.3
воздух
i
P-farna
\
\
-100
,12В
IW no
-¦—
-200
L
— -,
no
¦ -
—
—
—
-
во
m
=
-—
— —
100
>?00ц
P- 1 —:
да -no -120 -too -so -so-w -го о го w во so wo /го t<*o wo но гои
Температура. 'С
Рис. 8. Зависимость истинной удельной теплоемкости воздуха от те-Mtit
ратуры и давления
Решение. Пользуясь уравнением E66), находим:
С. =-- 5,92 + ' ¦ D00 + 300) —
1,764 ¦ 10"
¦ D002 + 300 • 400 + 3002) = 8,84 кал/моль-г рад.
Пример 2. Пользуясь табличными данными, подсчитать:
а) истинную молекулярную и удельную теплоемкость воздуха
при постоянном давлении и постоянном объеме при 400° С, если
Q
-2- =х для воздуха равно 1,4;
Cv
92

б) объемную теплоемкость и в) среднюю теплоемкость в тем-
температурных интервалах 200—500° С.
Решение. Температурная зависимость истинной молеку-
молекулярной теплоемкости воздуха выражается следующим упрощен-
упрощенным уравнением (см. табл. 6):
Ср= 6,50-fO.OOIT.
Отсюда:
а) истинная молекулярная теплоемкость воздуха при посто-
постоянном давлении при 400° С (Г = 673°К) равна:
С, 400о = 6,50 + 0,001 -673 = 7,173 кал/моль-град.
а при постоянном объеме:
^о 4оо« ~ ~ =5,12 кал/моль-град.
Приведенный молекулярный вес воздуха (с учетом аргона)
ранен 28,L6. Следовательно, истинная удельная теплоемкость его
при 400° равна:
7 \11
С„ 4П,.. = -^-^ = 0>248 КпЛ/г''
р- 40° 28,96
б) учитывая, что 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л
@,0224 мл), находим, что истинная объемная теплоемкость воз-
лука при постоянном давлении составит:
С к Jnno= -LlLL± = 0,320 ккал/м";
об , 400 92 4
в) средняя молекулярная теплоемкость воздуха при постоян-
постоянном давлении в пределах 200—500° С G, = 473° К), 72 = 773°К)
определится по уравнению E66)
Ср = 6,5 + —— G73 |- 473) = 7,12 кал/моль.
Зависимость Сл и С,, для газов. В соответствии с
первым законом термодинамики
dQ --= dU + A
теплоемкость может быть выражена следующим уравнением:
/"» '-'Q и U . it Л /С7\
C' = 7r" = -5F + F- E?)
Если нагревание вещества происходит без изменения его объе-
объема (V = const), то, как известно из предыдущего, в этом про-
процессе
dA = 0.
93

Отсюда теплоемкость тела при постоянном объеме (Cv ) равна:
=
v
E8)
500 fSQ
Рис. 9. Зависимость истинной удельной теплоемкости водяных
паров от температуры и давления
Аналогично этому выражение теплоемкости тела при посто-
постоянном давлении (P = const, dA = PdV) примет следующий вид:
dT
dU
~дТ
ЗУ
дТ
E9)
Отсюда следует, что Ср всегда больше Сь, так как при на-
нагревании тела при постоянном давлении тепло расходуется не
только на изменение внутренней энергии тела, но и на работу
94

его расширения. Разность между Ср иС, составляет:
Т)р [dTJv
„ / dU \ I dU \
Для идеального состояния газа = , так как
\ dT /р \ <IT lv
здесь силы взаимного притяжения молекул друг к другу ничтож-
ничтожно малы. Следовательно,
Г —Г — Pi dV
Согласно уравнению Менделеева—Клапейрона (для I моля
к т
газа) V= ; тогда:
J(^\ F0)
дТ V Р 1р
Дифференцируя правую часть полученного уравнения при
Р = const, получим:
Ср — Cv— R~ 1,985 ккал/кг-моль-град. F0а)
Таким образом, разность между молекулярными теплоемко-
стями идеального газа при постоянном давлении и постоянном
объеме численно равна газовой постоянной. Для реальных газов
эта разность несколько больше, но при технических расчетах,
в случае если не требуется большой точности, значение
Ср —Cv = 1,985 вполне приемлемо. Из уравнений E4а) и F0а)
разность между удельными тсплоемкостями составляет:
ъ-'-Чт' F0б)
где М — молекулярный вес газа.
Теплоемкость смесей. Теплоемкость смесей, если
между их составными частями не происходит химического взаи-
взаимодействия, подчиняется свойствам аддитивности, т. е. ее можно
подсчитывать, пользуясь правилами смешения, на чем мы уже
останавливались при рассмотрении закона Дальтона (стр. 52):
с ---= (ас, -I- be» -4- ) F1)
100 V х
ИЛИ
С = * ta с -\- b С +. ) F1а)
100 ° 2
где а, Ь ... —процентное содержание (по весу) отдельного
компонента в смеси;
t'j, c2 — соответствующие удельные теплоемкости;
95

Go, b0 — молярный (а для газов то же, что и объемный)
процент отдельного компонента в смеси;
Сг, С2 — соответствующие молярные теплоемкости.
Пользуясь этим правилом, подсчитывают величину всех ви-
видов теплоемкости газовых смесей, технических продуктов, су-
суспензий, эмульсий и т. п. Так, например, теплоемкость железной
руды, имеющей состав (по весу): 7,5% влаги, 84,1% Fe2O3 и
8,4% пустой породы (SiCb и проч.) определится:
с =0,075- 1,0 + 0,841 • 0,146 + 0,084 - 0,278 = 0,221 ккал/кг,
где 1,0 — теплоемкость воды, 0,146 — теплоемкость Fe2O3 и
0,278—пустой породы.
Теплоемкость жидкостей. Как уже указывалось
выше, теплоемкость жидкостей и, в частности, жидких растворов
практически не зависит от давления. Поэтому табличными дан-
данными теплоемкости жидких тел в справочниках можно пользо-
пользоваться для любых давлений. В табл. 15 приведены теплоемкости
некоторых жидкостей и сжиженных газов.
С повышением температуры теплоемкость жидкостей обычно
незначительно возрастает.
Теплоемкость растворов, с повышением их концентрации,
как правило, падает и не подчиняется строго свойствам аддитив-
аддитивности. Однако без особо грубой ошибки теплоемкость растворов
в пределах концентраций до 40—50% можно определить по пра-
правилу смешения, как это имело место в случае газовых смесей.
Так, например, если теплоемкость воды равна 1,0 ккал/кг, а
теплоемкость углекислого натрия 0,279 ккал/кг, то теплоемкость
20-процентного раствора соды равна:
с = 0,8 • 1,0 + 0,2 • 0,279 = 0,858 ккал/кг*.
Для водных растворов кислот и щелочей подсчет теплоемко-
теплоемкости по правилу смешения приемлем только при незначительных
концентрациях, так как кислоты и щелочи при растворении
их в воде претерпевают глубокие физико-химические изменения.
На рис. 10 приведена зависимость теплоемкости некоторых
водных растворов и кислот, щелочей и солей от концентрации.
Теплоемкость твердых тел. Значение теплоемкости
твердых тел обычно берется из таблиц, которые составлены на
основании опытных данных (см. табл. 12—14).
Для приближенных и ориентировочных подсчетов можно
пользоваться эмпирической формулой, которая дает очень про-
* Значение теплоемкости, 20% -процентного раствора соды, определенное
опытом, равно 0,858 (.рис 10 или Справочник технической энциклопедии, т.
VII, стр. 309).
96

стую злвисимость молекулярной теплоемкости
(С) от числа атомов (п) в молекуле:
С -- 6Dлг ка i/.'-атом.
твердого тела
F2)
10
20 30 40 50 60 70
Концентрация растбора, %
80 90 100
Рис. 10. Заинсимоет!. удельной теплоемкости растворов некоторых кислот,
солен и щелочей от их концентрации при 20" С:
I Na2CO3- 2—NaOH: 3—NaCl; 4—Na2SO4; 5—(NH4JSO4; 6 NII.,C.; /
HNO.T, 8—HoSO.,; 9—HC1; 10—CaCI2; 11—NH4NO3; 12--Nai
Так, например, молекулярная теплоемкость сплава CuAl, со-
состоящего из двух атомов (п = 2), равна С = 6,4-2 =
7 С
Ц. Бесков
<J7

= 12,8 кал/г-моль; теплоемкость хлорплатината калия, состояще-
состоящего из 9 атомов (л = 9), равна С = 6,4 • 9 = 57,6 кал/г-моль*.
Для большинства соединений уравнение F2) дает очень
большое расхождение с опытными значениями теплоемкости С.
Поэтому в практической расчетной работе этим уравнением
пользоваться не рекомендуется.
При вычислении теплоемкости твердых тел наиболее употре-
употребительной является эмпирическая формула, на основании кото-
которой теплоемкость твердых соединении подчиняется правилу ад-
аддитивности, т. е. равна алгебраической сумме теплоемкостей эле-
элементов, входящих в данное соединение:
Cs = ZnC's, F3)
где п — доля элемента, входящего в данное соединение;
Cs —соответствующая теплоемкость данного элемента.
Формула F3) особенно пригодна для подсчета теплоемко-
теплоемкостей сплавов. Вследствие эмпиричности указанной формулы не-
необходимо брать для суммирования следующие значения тепло-
теплоемкости элементов:
Элемент П О N С Р S :i Si остальные
элементы
Атомная теплоемкость,
ккал/кг-моль 2,4 4,0 5,0 1,8 5,4 3,8 См. табл.
15 и 16
Пример 1. Подсчитать молекулярную теплоемкость медно-
медного колчедана (халькопирита).
Решение. Химическая формула халькопирита CuFeS2.
Атомная теплоемкость меди ССи =0,094-63,54 = 6,0 ккал/кг-атом;
железа CFe =0,11 -55,9 = 6,1 ккал/кг-атом (см. табл. 13) и серы
Cs= 5,4 ккал/кг-атом. Молекулярная теплоемкость медного кол-
колчедана по формуле F3) равна:
CCuFt,s = 1 ¦ 6,0 ~|- 1 • 6,1 -j- 2 ¦ 5,4 = 23,9 ккал/кг-моль.
Пример 2. Подсчитать удельную теплоемкость нафталина
С10На.
Решение. По формуле F3) имеем:
Сг ,, - 10 • 1 8 i 8 • 2,4 = 37,2 ккал/кг-моль
или (молекулярный вес нафталина равен 128,0)
Сс н = -37— =-0,29 ккал/кг**.
с,.н, 1280
* Значение теплоемкости, найденное экспериментально, составляет для
CuAl 11 Й кал/г-моль для КгРЮб 54,9 кал/г-моль.
** Найденное опытом значение CQ =0,31 ккал/кг.
98

Пример 3. Подсчитать удельную теплоемкость сплава, со-
состоящего из 50,7% Bi, 25,0% Pb, 10,1% Cd и 14,2% Sn.
Решение. Пользуясь приведенными в справочниках дан-
данными теплоемкости отдельных компонентов, входящих в состав
сплава (см. табл. 14), находим:
с = 0,507 • 0,0303 + 0,25 • 0,0297 -\- 0,101 • 0,0555 +
+ 0,142 • 0,0496 = 0,0354 ккал/кг*.
Для выражения зависимости теплоемкости любого твердого
тела от температуры в широких пределах ее не имеется простого
математического соотношения. Наиболее точные выражения для
этого существуют в виде формул или функций Дебая (закон
Т-кубов), Эйнштейна и Нернста — Линдемана, которые выведе-
выведены на основе квантово-механическнх представлений о строении
материи. Однако, ввиду сложности этих формул, ими в практике
технологических расчетов почти не пользуются. При расчетах
технологических процессов значение теплоемкости твердых тел
обычно берут из справочников (см. табл. 13 и 14) или же под
считывают по формуле F3).
Заключение. В заключение обобщим все сказанное выше о
теплоемкости.
1. Значения теплоемкостеи, которые приводятся в таблицах,
необходимо брать в больших калориях на 1 кг вещества или в
малых калориях на 1 г (ккал/кг, ккал/кг-моль, ккал/м3 или
кал/г, кал/г-моль, кал/л).
2. Для всех веществ необходимо различать истинную и сред-
среднюю теплоемкости, зависимость между которыми дается в виде
уравнения E6).
3. Значения средних теплоемкостеи, приведенные в таблицах,
действительны только для того интервала температур, который
указан в таблице. Обычно эти таблицы составлены для интерва-
интервала от 0° до f С, т. е. до температуры, указанной в таблице.
4. Теплоемкость твердых тел и жидкостей от давления прак-
практически не зависит. Поэтому для них при практических расчетах
нет понятия теплоемкостеи при постоянном давлении н посто-
постоянном объеме и табличными значениями теплоемкостеи в атом
случае можно пользоваться для любых давлений.
5. Теплоемкость твердых тел при низких температурах меня-
меняется очень сильно, приближаясь при 0° К к нулю. Эта зависи-
зависимость дается в справочных таблицах и графиках (например,
табл. 12—14, а также рис. II и 12). Если теплоемкость твердого
тела неизвестна, то для ее подсчета следует пользоваться эмпи-
эмпирической формулой F3).
* Значение теплоемкости сплава указанного состава равно 0,0352 ккал/кг.
7* 99

6. Теплоемкость газов сильно меняется в зависимости от тем-
температуры и давления. Эта зависимость приводится в таблицах
и в тепловых диаграммах (см. табл. б—11).
7. В случае газов необходимо различать теплоемкость при по-
постоянном давлении ( ср и Ср ) и теплоемкость при постоянном
объеме (cv и Сг,). Поэтому при тепловых подсчетах для газов
необходимо точно знать условия, при которых протекает процесс,
который необходимо рассчитать. В технологической практике
большинство процессов протекает при постоянном давлении.
Поэтому и в практике расчетов газовых систем чаще всего поль-
пользуются значениями Cf) (молярной) и с., (удельной).
8. В тепловых расчетах наиболее употребительной является
средняя теплоемкость, которой и следует поль-
пользоваться при подсчетах любой тепловой величины. Од-
Однако при подсчетах тепловых эффектов реакции, констант рав-
равновесия и свободной энергии всегда необходимо пользоваться
истинной теплоемкостью (см. ниже).
9. Если при тех или иных расчетах имеются в наличии табли-
таблицы теплосодержания / (I) или энтропийные G'—S), или тепло-
тепловые (/—Т) диаграммы, то удобнее, проще и быстрее пользо-
пользоваться ими, не прибегая к теплоемкостям (см. ниже). .
ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕ*
В практике тепловых расчетов технологических процессов до-
довольно широкое распространение получил метод расчета при
помощи определения теплосодержания данного веще-
вещества.
Если нагреть единицу массы (например, 1 кг-моль) какого-
нибудь вещества от температуры Тх до температуры Т2 при пос-
постоянном давлении (P = const), то, как следует из уравнения E3).
необходимое для этого количество тепла определяется следую-
следующим образом:
Q -= С], (Т2 - Г,) = С„Т, - CpTlt F4)
* В современной науке теплосодержание называется более точным тер-
термином энтальпия или тепловая функция и обозначается ооычпо оуквий ti.
Однако в связи с тем, что в практике технологических расчетов и тепловых
диаграммах до сих пор наиболее широким употреблением пользуется термин
«теплосодержание», а не «энтальпия», мы его сохраняем и в настоящем учеб-
учебном пособии.
Следует, кроме того, отметить, что в литературе по расчетам тепловых
п.рощчхов нередко теплосодержание заменяется термином «физическое тепло»
того пли иного продукта (кокса, смолы, газов и т. д.) в отличие от «химичес-
«химического тепла» этого продукта, т. е. теплоты его сгорания.
100

или, согласно первому закону термодинамики [по уравнению
C5)],
Q (U2 — L ,) - Р (V2 - V,) =.-. (U, - /%) - (U, - PVJ. F4а)
Отсюда
или в общем случае:
С0Т ^U—PV 1, F5)
где С„ — средняя теплоемкость вещества при постоянном дав-
давлении в температурном интервале Т\ — 7"г;
С0.р—то же в пределах температуры 0°—7'° К.
Величина / (i), представляющая собой тепловую функцию
единицы массы вещества при постоянном давлении и температу-
температуре Т, носит название энтальпии, или теплосодержания. Вводя в
уравнение F4) величину теплосодержания, получим:
Q --= 1-2 — Л -W. F6)
Таким образом, если системе сообщается тепло при постоянном
давлении, то количество его Q численно равно увеличению теп-
теплосодержания (энтальпии) системы.
При расчете полного количества тепла, необходимого для на-
гревания 1 моля (или соответственно 1 кг) твердого вещества
до перехода его в газообразное состояние при температуре Т,
теплосодержание / его определяют, исходя из следующего.
1. Количество тепла на нагревание вещества от какой-то тем-
температуры То до температуры его плавления Т пл составляет
[по уравнению E3)]:
или, заменяя среднюю теплоемкость Cs, выражением истинной
теплоемкости С,г , получим:
V.
qx=\CsdT.
т.
2. Количество тепла для перевода вещества из твердого в
жидкое состояние численно равно теплоте плавления гпл:
Чг = гпл-
3. Количество тепла для нагревания вещества, находящегося
в жидком состоянии, от температуры плавления Тпл до темпе-
температуры кипения Ткап равно:
т
кип
Т
пл
101

4. Количество тепла для перевола вещества из жидкого в
газообразное состояние численно равно теплоте испарения гасп:
5. Количество тепла для нагревания вещества в газообраз-
газообразном состоянии от температуры кипения до температуры Т со-
составляет:
т
кип
Отсюда общее количество тепла, затраченное на нагревание ве-
вещества от 0° до температуры Т, или, что то же, теплосодержание
вещества при температуре Т относительно теплосодержания его
при 0° определяется по уравнению
или
Q =-- / - (cs йТ : г \ (с\ dT + r + f Cv dT. F7)
(J /" 7'
Из уравнения F5) следует, что абсолютная величина тепло-
теплосодержания является функцией абсолютного значения внутрен-
внутренней энергии тела. Однако в практике расчетов принято опериро-
оперировать не с абсолютными величинами теплосодержания, а с отно-
относительными. Для этого условно выбирают определенное, так на-
называемое «нулевое», состояние системы, от которого и исчисля-
исчисляют ее теплосодержание. При этом теплосодержание в принятом
«нулевом» состоянии условно считается равным нулю, и все ос
тальные величины его, исчисленные от этого состояния, соглас-
согласно уравнениям F4) и F6), определяется выражением
IT^Q ^--Cp(Tr-T0), F8)
где /,. — теплосодержание системы при температуре Гь относи-
относительно состояния ее при температуре То, принятой за
«нулевое»;
~Ср — средняя молекулярная теплоемкость системы при по
стоянном давлении и температурном интервале Т\—То.
В приведенном выше расчете теплосодержания твердого тела
от 0° до 7'° К нами принято «нулевое» состояние 1 моля его при
0° К. Довольно часто за «нулевое» состояние принимается так
же 0° С.
Если при подсчетах общего количества тепла за единицу
массы вещества принят 1 кг-моль, то теплосодержание выразит-
102

ся в ккал/кг-моль (кал/моль); если же за единицу массы при-
принят 1 кг, то единицей измерения теплосодержания является
ккал/кг (кал/г).
Тепловой расчет при помощи теплосодержании значительно
упрощает всю вычислительную работу. Так, например, если из-
известно, что теплосодержание воздуха при 57° С и давлении
10 ата равно 129 ккал/кг, а при температуре 3°С и том же дав-
давлении 116 ккал/кг, то это означает, что для нагревания 1 кг воз-
воздуха от 3 до 57° С при давлении 10 ата потребуется 13 ккал теп-
тепла (Q == 129—116). Если произвести тот же расчет при помощи
теплоемкостей, то он примет следующий вид (для 1 кг воздуха):
ч - с7, — с;/2 ГO?-;—зс;,
;,
где с'р ----- средняя удельная теплоемкость воздуха при темпе-
температуре 57° С и давлении 10 ата;
с"р --то же для температуры 3° С и давления 10 ата.
Из изложенного выше ясно, что если известно теплосодержа-
теплосодержание вещества при данных условиях, то совершенно отпадает не-
необходимость вычислять теплоемкость его для тех же условий.
Значения теплосодержаний берут или из таблиц, или же, ча-
чаще всего, из диаграмм, которые строятся на основании опытных
данных или подсчетов и носят название энтропийных (Т—S)
или тепловых (/ — Т) диаграмм. Такие диаграммы имеются
для всех наиболее часто встречающихся газов (Н2) N2, O2, воз-
воздуха, СЩ, СО2, С2Н2, NH3, SO2 и др.). Энтропийные (Т — S)
диаграммы построены таким образом, что на одной их оси (обыч-
(обычно ординат) отложены значения температуры газа, а на другой
оси (обычно абсцисс) —значения его энтропии 5. Па самой же
диаграмме нанесены линии давлений Р и их пересекают линии
теплосодержаний /. На многих диаграммах, кроме того, нанесе-
нанесены также линии удельного объема, удельного веса и др. Для
нахождения значении / (или i) ни шкалы S (т. е. вертикальных
линий), ни линий удельного объема и т. д. не требуется. Здесь
следует искать только две линии: линию температуры и
л и и и ю давлен и я. Затем, найдя для заданных условий (Р и
t) точку их пересечения, смотрят, какую величину имеет теплосо-
теплосодержание / (или I), определяемое по линии, проходящей через
эту точку пересечения линий Р и t. Эта величина / будет озна-
означать теплосодержание газа при данных условиях (Р и t). Кроме
Т — S диаграмм, существуют /—Т, а также / — Р-диаграммы,
где на одной оси отложены теплосодержания (/), на другой--
температуры (Т) или давления (Р); есть диаграммы, построен-
построенные специально только для высоких или только для низких тем-
иератур. Но при нахождении значений / (или i) всеми диаграм-
103

мами пользуются так же, как Т— ^-диаграммой: прежде всего
необходимо находите линии заданных условий состояния газа
(Р и /), а затем уже найти, какая линия / (или /) проходит через
их точку пересечения.
Следует отметить, что почти все таблицы теплосодержаний
построены таким образом, что в них «нулевым» состоянием яв-
является О" С и Р = 1 ата, при которых величина / (или I) прини-
принимается равной нулю, а все остальные значения / при темпера
туре Т (или с), в соответствии с тепловыми закономерностями
данного тела даются по отношению к этому «нулевому» состоя-
состоянию его.
В большинстве случаев температурная зависимость теплоем-
теплоемкости вещеегн приводится в таблицах только для Р = I ата, в то
время как довольно часто расчет приходится вести для состоя-
состояния газа при более высоких давлениях. В этом случае использо-
использование табличных данных (при Р -¦= 1 ата) теплоемкости и тепло-
теплосодержания газов дает значительную ошибку в расчетах, и эта
ошибка тем больше, чем выше давление газа. Эта ошибка исклю-
исключается, если применять при расчетах тепловые диаграммы, так
как значения температурной зависимости тепловых величин
в них даются почти для любых давлений, имеющих место в кон-
конкретных процессах производства. Поэтому, а также из-за про-
простоты применения / — Г и Т — S-диаграмм, они получили очень
широкое распространение в практике технологических расчетов.
В таблице теплосодержаний газов при Р = 1 ата (табл. 16),
а в приложении — энтропийные и тепловые D, 5 и 14) диаграм-
диаграммы, с которыми чаще всего приходится сталкиваться при расче-
расчетах. Для определения теплосодержания / газовых смесей необхо-
необходимо пользоваться правилом смешения, которое применяется
для подсчета парциальных давлений, теплоемкостей смесей
и т. п.:
I,- '- -— (aJi г boi2 i coia ¦¦¦(- . . .), (<>9)
где йо, bo, Cq — содержание (по объему) отдельного газа в сме-
смеси в %;
и, h, 'з — соответствующие теплосодержания газов, пай
денные по энтропийной диаграмме этого газа
(на 1 кг-моль) *.
В процессе одного и того же теплового расчета для одного и
того же вещества одновременно пользоваться и теплоемкостями
н теплосодержаниями не следует, так как это будет вызывать
большую ошибку в расчете ввиду неполного соответствия тепло-
Ь.ели энтропийные диаграммы построены для 1 кг вещества, то содер-
содержание каждого компонента в смеси следует брать в весовых процентах.
1Э4

вых данных. Так, например, если в каком-либо расчете теплоты
для кислорода и азота вычисляют по Т — S диаграмме, а тепло-
теплоты для других газов — по теплоемкостям, го необходимо этим
путем проводить расчет до конца.
Кроме изобарического процесса (Р = const), энтропийными
диаграммами очень часто пользуются также при расчетах и
адиабатического процесса. При этом необходимо всегда иметь
в виду следующее:
1) при адиабатическом процессе без отдачи внешней работы
теплосодержание системы до и после процесса остается неизмен-
неизменным; здесь все изменение внутренней энергии системы идег
исключительно на изменение температуры газа;
2) млн адиабатическом процессе с отдачей внешней работы
теплосодержание системы изменяется; здесь все изменение внут-
внутренней энергии системы идет на работу расширения или сжатия
газа.
Таким образом, если для первого случая известно начальное
состояние системы и один из параметров (Р или Т) конечного
состояния ее, то в /— Г-диаграмме, следуя от точки начального
состояния по линии / = const до пересечения ее с линией извест-
известного параметра (Р или Т) конечного состояния, в точке пересе-
пересечения определится значение другого параметра (Т или соответ-
соответственно Р). Разность же теплосодержаний начального и конеч-
конечного состояний системы, найденных но / — Г-диаграмме для вто-
второго случая AН — I ,с), непосредственно дает количество тепла,
затраченное системой на совершение внешней работы.
Пример 1. Подсчитать теплосодержание 1 кг жидкого алю
миния при температуре 800° С, если (см. табл. 12): а) скрытая
теплота плавления алюминия rl t = 86,6 ккал/кг; б) удельная
теплоемкость жидкого алюминия сж,.1И, = 0,259 ккал/кг; в) тем-
температура плавления алюминия 658° С; г) истинная удельная теп
лоемкость твердого алюминия с„.„ = 0,218 + 0,48- 10 ~4 t.
Решение. Пользуясь уравнением F7), находим:
658
Q - j @,218 -\- 0,48 • 10"1) |- 80,6 -| 0,259 (800 — 658) -
и
----- 287,6 ккал/кг.
Пример 2. 20 кг углекислого газа находятся под давлением
50 ата и температуре 27° С. Сколько потребуется тепла для того,
чтобы нагреть его до 100° С при том же давлении?
Решение. По энтропийной диаграмме СО2 находим, что
теплосодержание 1 кг СО2 при Р = 50 ата и t = 27° С равно
59,5 ккал (см. диаграмма 7, точка а); теплосодержание 1 кг СО2
при том же давлении и 100° С равно 80,8 ккал. Следовательно,
105

для нагревания 20 кг ССЬ от 27 до 100° С при Р = 50 ата потре-
потребуется тепла:
Q -- 20 (г100 — i,7) ¦¦--. 20 (80,8 — 59,5) •= 426 ккал.
Пример 3. Углекислый газ, находящийся под давлением
80 ата и имеющий температуру 60° С, требуется охладить до
—30° С при помощи дросселирования, т. е. адиабатического сни-
снижения давления газа без совершения внешней работы. До какой
величины должно быть снижено давление углекислого газа, для
того чтобы он принял температуру — 30° С.
Решение. По Т — 5-диаграмме (диаграмма 7) находим
теплосодержание ССЬ: при 80 ата и 60° С i = 60,8 ккал/кг (точ-
(точка Ь). Линия того же теплосодержания F0,8 ккал) пересекает
линию температур — 30° С в точке с, соответствующей давлению
10 ата. Таким образом, если СОг будет расширяться адиабати-
адиабатически без отдачи внешней работы (например, выпуск из балло-
баллона) и давление будет изменяться от 80 ата (t = 60° С) до 10 ата.
то СО2 примет температуру почти —30е'С (точнее —29° С).
Пример 4. 100 кг воздуха под давлением 80 ата проходят
аммиачный холодильник и здесь охлаждаются с температуры
+ 27°С до —20° С (Т, = 300° К, Т2 = 253° К). Давление воздуха
при этом остается постоянным. Определить количество тепла, вы-
выделенное воздухом при его прохождении через холодильник.
Решение, а) Подсчет методом т е и л о е м к о с т е й.
По уравнению F8) 100 кг воздуха, охлаждаясь при постоянном
давлении с + 27° до — 20°С, выделяют тепла:
Q = 100с,, [27 - (—20I ----- 4700с,,,
где ср—средняя удельная теплоемкость воздуха при давле-
давлении 50 ата в интервале температур +27° С и —20° С.
Однако, как уже отмечалось выше, математически выражен-
выраженной зависимости теплоемкости газов от температуры и давления
не имеется. Поэтому для определения величины cf> восполь-
воспользуемся диаграммой (рис. 8), из которой видно, что при t = 27° С
и Р — 80 ата истинная удельная теплоемкость воздуха равна
0,275 ккал/кг, а при 20° С и том же давлении она равна
0.300 ккал/кг. Без особо грубой ошибки мы можем принять сред-
среднюю удельную теплоемкость воздуха между +27° С и —20° С
„ 0,275 +0,300 n OOVE. . _ _ ,
равной ; = 0,2875 ккал/кг. Отсюда величина Q бу-
будет равна:
Q------ 4700 ¦ 0,2875 - , 1337 ккал.
б) Подсчет методом теплосодержаний (более
точный). По Г — S-диаграмме для воздуха (см. диаграмму 8)
106

находим, что теплосодержание 1 кг воздуха при 27° С (Т\ =
= 300° К) и Р = 80 ата равно 118,2 ккал (точка а), а при —20° С
(Т2 = 253°К) и том же давлении теплосодержание равно
104,7 ккал (точка Ь). Отсюда Q будет равно:
Q--= lOO(iaOo — 4бз) = 100A18,2—104,7)= 1350 ккал.
ТЕПЛОТЫ ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ
ПРЕВРАЩЕНИЙ
Всякий химический процесс, а также физическое превраще-
превращение вещества (например, испарение жидкости, конденсация па-
пара и т. п.) обязательно происходит или с выделением, или с пог-
поглощением тепла *.
Поэтому при техно-химических расчетах необходимо знать
тепловые эффекты данного химического или физического превра-
превращения. Эти данные обычно находят в справочниках. В расчетной
практике чаще всего приходится иметь дело со следующими ви-
видами геплот химических и физических процессов: а) теплотой
реакц in, б) теплотой испарения (парообразования), в) теплотой
плавления, г) теплотой растворения.
Теплота реакции и закон Г. И. Гесса. Теплота реакции
|с/) показывает, сколько при данной температуре
;s ы д е л я е г с я и л и и о г л о щ а е т с я т е п л а в р е :s у л ь т а т е
того или иного химического взаимодействия в е-
!ц е с т в. Поэтому при расчетах всегда необходимо знать термо-
термохимическое уравнение данной реакции, т. е. химическое уравне-
уравнение, включающее также и тепловой эффект реакции.
Тепловой эффект реакции образования 1 моля вещества из
элементов называется теплотой образования этого вещества:
Н + Н =,- Н, Н- qx
0,5N2 -|- 0,5О2 = NO -Ь q2,
где </. и <?2 —- соответственно, теплоты образования водорода и
окиси азота.
В расчетной практике условились теплотой обр азов а-
п и я н м е и о в а т ь т е п л о и о и з ф ф е к т р с и к ц и и о б р а з о-
в а н и я 1 моля ело ж н ого в е щ е с т в а и .ч простых в е-
* Существуют хнлчтческие процессы п физические превращении, при ко-
которых тепловом эффект очень незначителен. Это, например, имеет место при
растворении некоторых газон и твердых тел, при смешении не реагирующих
уежду собой растворов, лри сорбции некоторых газов, при разба.вленп.и мно-
многих растворов и т. п. Величина теплового аффекта в подобного рода процес-
процессах обычно не выходит за пределы точности вычислений при составлении
тепловых балансов, вследствие чего теплоту этих процессов практически не
учитывают.
107

щест и и все таблицы теплообразования составлены, исходя ил
этой обусловленности. При этом теплоты образования простых
иеществ принимаются за нуль:
Н, -\-О2 ----- 2НС1 + 44 000 кал.
Теплота образования НС1 равна 22 000 кал/г-моль.
Теплота, выделяющаяся при полном сгорании 1 жолл__органи-
чсскоп: вс-шоства в токе кислорода, называется теплотой сгора
пия этого вещества:
С,Н3ОН -!- ЗО2 -- 2СОЙ — ЗН2О -\- 328 000 кал.
Теплота сгорания этилового спирта равна 328 ккал/г-моль.
Согласно закону Гесса теплота реакции q любого химическо-
химического процесса зависит только от начального и конечного состояния
системы, а не от промежуточных стадий, т. е. не зависит от пути,
по которому идет этот процесс. Отсюда следует, что тепловой эф-
эффект всяком химической реакции равен сумме теплот образова-
образования конечных продуктов минус суммы теплот образования ис-
исходных веществ этой реакции. Например, для реакции
\А -I- v2ft •= v;jC + v4Z) '- q
тепловой эффект q определится *:
Ч^ (V/c + V?o) — (Мл Ь \qB),
где qA, qB, qc и qD—соответственно теплоты образования
веществ А, В, С i\ D.
Для подсчетов теплового эффекта реакции значения теплот
образования и сгорания всегда беруг из таблиц, которые состав-
составлены для состояния системы при 20° С и 1 ата. Эти теплоты об-
образования называются стандартными **.
Пример I. Подсчитать количество тепла, образующегося
при полном сгорании 1 mz метана, приведенного к нормальным
условиям. Уравнение сгорания метана
СН4 + 2О2 = СО2 f 2НаО + д.
* Ввиду топо, что подавляющее большинство химических реакций, осу-
осуществляемых в промышленности, проходит при постоянном давлении, а не
nptu постоянном объеме, мы здесь не будем рассматривать вопроса, касаю-
касающегося различия и перевода друг в друга тепловых эффектов при Р = const
и V — const. Все значения q в дальнейшем берутся п.р.н Р = const
При расчетах следует всегда иметь в виду, что тепловые эффекты реак-
реакций относятся к определенной температуре, т е что продукты реакции долж-
должны имен, ту же температуру, что и исходные вещества.
** В учебной литературе иногда стандартной теплотой образования и
сгорания называется теплота реакции пр,и 18° С и Р=1 ата. Следует отме-
отметить, что стандартными условиями при вычислении термодинами-
термодинамических функции (см. ниже) называется состояние системы при 25°С и
Р = 1 ата.
108

Решение. Стандартная теплота образования метана по
табличным данным 18 600 ккал/кг-моль, углекислого газа
94 250 ккал/кг-моль* и воды 57 850 ккал]кг-моль (см. табл. 17).
Таким образом,
СН4 , 2О2 . СО, \ 2Н2О i ¦</,
18 600 0 94 250 2.57850
откуда
с/ -- 2 • 57 850 Н- 94 250--- 18 600 - 191 350 ккал/кг-моль
ИЛИ
191350 8542 ккал/м*.
191350
22,4
Пример 2. Подсчитать тепловой эффект при стандартных
условиях для следующих реакций:
а) СаН4 -!- 2Н2О -= 2ССН- 4Н, ¦;- qx\
—20 900 2.57850 2.297000
б) Н, ¦!- Fe3O4 ----- 3FeO -\- Н2О -г </¦>;
0 265 500 3.65000 57 800
в) H2SO4 ! 2КОН =-. K,SO4 + 2Н,О ! q^-.
210 800 2.116000 334200 2.68380
Решение.
а) ql = 59 400 — 115 700 + 20 900 =-¦=
---—35 400 кал па 1 г-моль С>Н4
б) q2 ----- 195 000 -|- 57 800 -- 265 500 ^
--¦ — 12 700 кал на 1 г.-моль Fe3O4
в) </;, = 334 200 ; 136 760 — 210 800 — 232 000 =
-= 28 1E0 кал на 1 г-моль H2SO4
Пример 3. Подсчитать стандартную теплоту образования
нафталина СюНа из элементов, если при полном сгорании 1 кг
его выделяется 157,65 - 10й ккал тепла.
* При расчетах цсегда следует учитывать агрегапшо состояние вещества,
так как теплоты образования газа, жидкости и твердого тела не одинаковы;
при подсчетах теплоты образования из элементов углеродистых соединений
углерод всегда берется в форме С'граф
** Реакция протекает в растворе.
109

Решение. Молекулярный вес нафталина 128,0. Следова-
Следовательно, молекулярная теплота сгорания его равна:
157,65 ¦ Ю« . о„, ОГ1,.
а ~ - — 1 231 800 ккал/кг-моль.
4 128,0
Находя по табл.. 17 теплоты образования из элементов СО2
и жидкой Ы2О, получим:
С10Н8 -г 7О2 = 10СО2 -V 4Н3О f 1 231 800.
q1 0 10.94250 4.68380
По закону Гесса имеем
1 231 800 == 10 • 94 250 -|- 4 • 68 380 - qv
Отсюда теплота образования нафталина определится
qx ---- — 15 800 ккал/кг-моль.
Пример 4. Пользуясь значениями стандартных теплот его
рання спирта, уксусной кислоты и уксусноэтилового эфира, под
считать теплоту реакции
С2НйОН -+ СН3СООН ------ СН3СС)ОС2Н5 | Н2О -1- q.
Решение. По табл. 18 находим теплоты сгорания всех сое-
соединений, участвующих в данной реакции:
а) СоН6ОН + ЗО2 == 2СО2 -|- ЗН2О 1 - 328 000,
б) СН.СООН -!- 2О2 - 2СО., -| 2Н2О |- 208 000,
в) СН,СООЦ,Н5 + 5Оа - 4СОо |- 4Н2О -|- 538 500.]
Складывая почленно левые и правые части равенств (а) и
(б), затем вычитая из полученного результата равенство (в) и
сокращая подобные члены, находим:
CjjHsOH -j- CH3COOH - CH.COOCJL + НаО Ь 328000 -f-
-|- 208 000 — 538 500,
откуда
q = 328 000 + 208 000 — 538 500 = — 2500 ккал.
Таким образом, если при подсчетах теплового эффекта рсак
ции прямым способом пользоваться теплотами сгорания органи-
органических соединений, то следует принимать за нуль теплоту обра-
образования продуктов полного сгорания (НаО, СОг и т. д.), а не-
непростых веществ, участвующих в данной реакции. Так, напри-
например, если теплота сгорания метана равна + 212 790, этана
+ 372 810 и водорода +68 310 кал/моль (см. табл. 18), то теп-
теплота реакции
С2Н6 + Н, = 2СН4 + q
ПО

определится
</== 2-212790—C72 810 + 68 310)= —15 860 кал/моль
Приведенные примеры показывают, что теплоты образования
или теплоты сгорания служат основой для подсчета теплоты лю-
любой химической реакции. Значения этих теплот берут из спра-
справочников. Однако таблицы не могут охватить собой всего много-
многообразия химических соединений (особенно соединений углеро-
углерода), с которыми приходится встречаться в практике. Поэтому
для вычисления теплот образования, теплот сгорания и теплот
химических реакций иногда прибегают к так называемым теп-
тепло т а м диссоциации (энергии связи) атомов, вхо-
входящих в состав данного химического соединения.
Как показывает опыт, каждая определенная химическая
связь между атомами имеет более или менее постоянную величи-
величину энергии вне зависимости от того, в какое химическое соеди-
соединение эти атомы входят. Кроме того, атомные связи обладают
приближенным свойством аддитивности, т. е. энергии образова-
образования молекулы из свободных атомов в газообразном состоянии
приблизительно равна сумме энергии связи отдельных ее частиц.
Пример 5. Определить теплоту образования этилена, поль-
пользуясь данными энергии связи отдельных его атомов (см.
табл. 19) *:
н—с—н
2СГИ + 4Н = II + q'.
Н—С—Н
Решение. Этилен имеет четыре связи С — Ни одну связь
С = С. Энергия каждой из этих связей соответственно равна
85600 и 101200 ккал. Отсюда теплота образования этилена из
атомов углерода и водорода, находящихся в газообразном со-
состоянии, равна:
ц' = 4,85600 + 101 200 = 443 600 ккал/кг-моль
На основании полученного значения q' подсчитаем теплоту об-
образования этилена из простых веществ ( С,„в и Н2):
2С,,,,, + 2На ^ С,Н4-г-?•
Термические данные реагирующих компонентов и про-
продукта реакции этого равенства следующие (см. табл. 19);
а) 2Сгаа = 2С„„3-Ь 2- 125 000,
* Следует иметь в виду, что теплоты образования, вычисленные на ос-
основании величины энергии связи атомов в молекуле, во многих случаях не
совпадают с действительными данными, так как не всегда соблюдается адди-
тианог.ть свойств энергии связи (см. примеры 5 и 0)
111

б) 2(Н + Н) = 2На[или 2(Н — Н)Н-2-102600,
в) 2Сгаз + 4Н = С2Н4 f 443 600.
Складывая почленно правую часть равенства (в) с левой
частью равенств (а) и (б), а левую часть его с правой частью
равенств (а) и (б) и сокращая подобные члены, получим:
2Салмаз + 2Н2 = С2Н4 — 11 600 кал*
Пример 6. Подсчитать теплоту сгорания метилацетата
СН,— СО— ОСИ,,
пользуясь значениями энергии спязи.
Решение. Сгорание метилацетата протекает по уравнению
2СН3 — СО — ОСЫ3 !- 7О2 - 6Н2О -]- 6СО2 -|- q,
или, изображая компоненты этой реакции в структурной форме.
Н Н
I I
Н—С—С—О—С—Н-|-3,5 (О-О) = 3(Н—О— Н) -!- 3(О-С=О)-Ь</-
I II !
но н
Пользуясь данными табл. 19, подсчитаем энергию связи 1 моля
каждого компонента, участвующего в дайной реакции. Энергия
связей СН3 — СО — ОСН3 составляет:
е,-„ ^ 6 • 85 600 =¦- 513 600 кал
ес_0 - 2 • 75 000 = 150 000 кал
<ч_с ^ ] ' 62 800 = 62 800 кал
е _ ¦---¦--. 1 • 156 000= 156 000 кал
Итого . . .882 400 кал
Энергия связи О2:
ео=о -¦= 1 ¦ 117 000 --= 117 000 кал,
Энергия связи НаО:
ео_и - 2 • 1 10 000 = 220 000 кал
Энергия связи СО2:
ес=о = 2 • 156 000 =¦ 312 000 кал
* Значение с/, найденное экспериментально, для этилена равно —
20900 кал (табл. 17).
112

Таким образом:
2СН3 — СО — ОСН3 + 7О2 = 6Н2О + 6СО2 + q.
2.882 400 7.117 000 6.220000 6.312000
Следовательно, теплота сгорания метилацетата составляет:
<7== F-312 000 + 6-220000) —B-882 400+ 7-117 000) =
= 608 200 кал,
или
= 304 100 кал на 1 г-моль метилацетата*.
2
Зависимость теплоты реакции от температу-
температуры. Стандартная теплота реакции, которую мы рассматривали
выше, представляет собой теплоту, выделяемую или поглощен-
поглощенную системой в результате данного химического взаимодействия
при условии, если начальные и конечные продукты реакции при-
приведены к одной и той же температуре B0° С). Однако в произ-
производственной практике реакции, в зависимости от их типа, проте-
протекают при разных температурных условиях, а не только при 20°
С. Поэтому в практике технологических расчетов величины теп-
тепловых эффектов реакций обычно подсчитывают при температу-
температурах промышленного осуществления этих реакций. Следует при
этом отметить, что тепловой эффект почти любой реакции в
той или иной мере зависит от температуры, а многие реакции
обладают довольно высоким температурным коэффициентом.
Температурная зависимость теплового эффекта реакции вы-
выражается уравнением, согласно которому температурный
коэффициент теплового эффекта равен разно-
разности теплоемкостей начальных и конечных про-
продуктов реакции:
dq = Ь С'р — Xv C"p G0)
dT
или, что то же,
f v С'р - ^ Ф dT**> G0a)
где цт —тепловой эффект реакции при заданной температу-
температуре Т2\
qT - — то же при температуре Т\\ значение дт обычно
* Значение теплоты сгорания метилацетата, найденное эксперименталь-
экспериментально, равно 31O700 кал/моль (см. табл. 18).
** Для практического пользования это уравнение ниже приводится без
интеграла [см. уравнение G0 г) и G0 д)].
8 С. Д Бесков 113

берется при стандартных условиях B0° С) и соот-
соответственно этому подставляется значение Т\, рав-
равное 293° К;
IvC' —сумма истинных молекулярных теплоемкостей ве-
веществ, вступающих в реакцию;
?vC" — сумма истинных молекулярныхтеплоемкостей про-
продуктов реакции;
v — число молей каждого компонента, участвующего в
реакции.
Пользуясь уравнением G0а), определим тепловой эффект
реакции образования воды при 500° С. Стандартная (при 20° С
и 1 ата) теплота образования воды равна 57850 кал1моль (см.
табл. 17):
Н2 + VA = Н2О -f- 57 850.
Температурная зависимость истинной молекулярной теплоемко-
теплоемкости веществ, участвующих в данной реакции, следующая (см.
табл. 6):
С"'= 6,88 + 0,66- 10~4 Т + 0,279- J0~672,
C°f = 6,26+0,2746- КГЯТ — 0,77 • 10~6Г2,
С}ргО --= 6,89 + 0,3283 • 10~2Т — 0,343 • 10~6Т2.
Подсчитаем подынтегральное выражение (SvC^ —2vC" ) в
уравнении G0а):
EvC'p= С"' + — С°'= F,88 + 0,66 • ]0~4Г + 0,279-10~6Г2) +
+ — F,26 + 0,2746 • 10~2 Т — 0,77 - 10~6 Г2) =
= 10,01 +0,1439- 10~2Г — 0,105 • 10~672,
Sv С', = ClphO = 6,89 + 0,3283 • ИГ2 Т— 0,343 • 10Г2.
Отсюда
Sv С'р — Iv с; = 3,12 —0,001844Г+0,238 • 10~6Г2.
Подставляя это выражение G0а), получим:
<77i=<77.1+/C,12 —0,001844Г +0,238- \0-&T2)dT. G06)
Интегрируя полученное уравнение в пределах температур 500° С
(Т2==773°К) и 20° С G, = 293° К) и подставляя сюда значение
114

qT , равное 57850 ккал, получим:
G„3= 57850 + 3,12G73— 293) — 0,000922 G332—2932) +
+ 0.079- 10~6G333- 293Л)= 56780 ккал на 1 кг-моль Н2О.
Таким образом, тепловой эффект рассматриваемой реакции при
500° С увеличился по сравнению со стандартными условиями на
E8780 — 57850) -100 __ . Г
57850
или в среднем на 0,32% на каждые 100° увеличения температуры.
Из разобранного примера и из уравнения G0а) нидно, что
тепловой эффект при равном числе молен до и после реакции
остается постоянным при любой температуре для реакций, где
теплоемкости реагирующих веществ и продуктов реакции с тем-
температурой не изменяются или же изменяются в одинаковой сте-
степени. Следовательно, для реакций в жидкой и в большинстве
случаев для реакции в твердой фазе*, где теплоемкость реаги-
реагирующих компонентов и продуктов реакции с температурой прак-
практически не изменяется, температурные пересчеты тепловых эф-
эффектов отпадают.
Из уравнения G06) видно, что подынтегральные температур-
температурные коэффициенты C, 12, 0,001844 и 0,238 • 10 6) представляют со-
собой алгебраическую сумму коэффициентов уравнений теплоем-
костей реагирующих веществ и продуктов реакции, умноженных
соответственно на их число молей. Рассмотрим реакцию:
^ А + ^2 В = v,C + v4 + q293.
Истинные молекулярные теплоемкости веществ, участвующих
в этой реакции, равны:
Для вещества А ... Ср = а\ + Ь\Т + с\Т2
» » В . . . Св = а2 + b.zT + c.T2
> » С . . .° 2
• > D . . . ? +
^293 — стандартный тепловой эффект этой реакции G'|=293° К)-
В соответствии с уравнениями G0а) и G06) тепловой эффект
* Реакции в твердом фазе протекают обычно при температурах выше
20° С. Теплоемкость же твердых тел (за исключением железа, углерода и не-
некоторых других) выше 20° С меняется с температурой незначительно.
8* П5

при заданной температуре Т будет равен:
т
Чт= <729з + J [(¦'i ai + v2 а2) — (v3 a3+
293
+ J [К *i + Ч К) - (v3 63 + v4 64
293
T
+ f (vt c2 + v2 c2) — (v3 c3 + v4 c4)
29*3
ИЛИ
Qt = ?293 + J Ev fldT + j SV bTdT + I
293 293
Интегрируя эти уравнения и принимая
р и т,
2 ' 3 '
получим: Sva = a,
Ят = ^гэз + а (Т ~ 293) + Р (Г2 - 2932) + Т (^3 - 2933), G0в)
или
Ят = <7293 - B93а + 2932^ + 2933Т) + а т + Р Т2 + Т 713 G0г)
откуда
?7. = ^ + аГ-ЬР7'« + т7'8, G0Д)
где а — алгебраическая сумма коэффициентов а из выражений
истинных молекулярных теплоемкостей веществ,
участвующих в данной реакции, т. е.
G1)
C — та же сумма коэффициентов &, деленная пополам, т. е.
Р = -у Кч Ьх + ч h) - (ч bs + ч Ьл)); G1а)
Y — та же сумма коэффициентов с, деленная на три, т. е.
Т = у (vi ci + Ч С2) — (Ч с* + Ч с*); G1 б)
<7о — постоянная интегрирования или так называемый (услов-
(условно) тепловой эффект при абсолютном нуле, который равен:
<7о = Яш - B93« + 293»? + 2933Т),
или
Чй = 9293 — B93а + 85,85 • 10»р + 25,154 • 106т) G1 в)
116

В общем случае получаем:
Не следует забывать, что все указанные вычисления справед-
справедливы только для тех температур, в пределах которых уравнения
температурной зависимости теплоемкостей, участвующих в ре-
реакции веществ, дают правильные результаты. Вполне естест-
естественно, что если брать приближенные уравнения температурной
зависимости теплоемкости (Ср=а + ЬТ), то последний член
уравнений G0в) и G0д) отпадает. В табл. 24 приведены урав-
уравнения температурной зависимости теплового эффекта некоторых
промышленных реакций; пользование этими уравнениями пока-
показано в примере 5.
В практике расчетов производственных процессов широким
распространением пользуется метод подсчета теплоты реакции
при помощи теплосодержаний. Сущность этого метода заклю-
заключается в следующем.
Переход системы из одного (начального) состояния в любое
другое (конечное) состояние при постоянном давлении сопро-
сопровождается изменением ее теплосодержания (/). Таким образом,
если состояние системы при 20° С и Р=\ ата принять за «нуле-
«нулевое», то разность теплосодержаний между конечными и началь-
начальными продуктами реакции при заданной температуре Т числен-
численно будет равна разности теплот реакции при температуре 20° С
и заданной температуре 7', т. е.
Д / = Д q G2)
или
или
где qiQ — стандартная теплота реакции;
qT —теплота реакции при заданной температуре 7";
Z. Iн — теплосодержание и а ч а л ь и ы х (исходных) ве-
веществ при температуре Т по отношению к стандарт-
стандартному их состоянию, принятому за нулевое;
111K—теплосодержание конечных продуктов (продук-
(продуктов реакции) при топ же температуре Т по отноше-
отношению к стандартному их состоянию, принятому за
пулевое.
Пример I. Дана система H2 + N2 при 20е С. Подсчитать
теплоту реакции соединения водорода с азотом при 540° С и
давлении 1 ата:
ЗН2 + N2 = 2NHS + 22000 (при 20°С).
117

Решение. Примем состояние этой системы при 20° С за
нулевое. Тогда теплосодержание 1 кг-моль начальных (Н2 и N2) и
конечных продуктов (NH3) реакции при температуре 540° С, со-
согласно уравнению F8), будет равно:
7н, = ??' E40 —20)= 520Су>, /Ni = 520С?.,
/n =520C-nh«,
где Ср — соответственно средняя молекулярная теплоемкость
водорода, азота и аммиака, которая может быть вы<
числена интегрированием уравнения истинной их мо-
молекулярной теплоемкости в пределах температур 20—
540° С (см. выше, стр. 117) или же подсчитана по со-
соответствующему уравнению табл. 8.
Однако, чтобы избежать этой вычислительной работы, восполь-
воспользуемся табл. 16. По этой таблице находим теплосодержание Н2
при 500° С, равное 3498 ккал, а при 500° С 4210 ккал. Следова-
Следовательно, теплосодержание его при 540°С равно:
о л no i D210—3498) • 40 __ 0
i = 3498 Н = 3783 ккал кг-моль.
100
эта величина теплосодержания Н2, как видно из таблицы, отне-
отнесена к температуре 0°С, принятой за нулевое состояние. Однако
при подсчетах теплоты реакции мы приняли за нулевое состоя-
состояние температуру 20° С, при которой теплосодержание водорода,
согласно той же табл. 8, равно:
V = — = 139 ккал/кг-моль.
100
Следовательно, теплосодержание Н2 при 540° С по отношению к
состоянию Н2 при температуре 20° С, принятой за нулевое, со-
составляет:
1„ = 3783— 139 = 3644 ккал/кг-моль.
Таким же путем подсчитываем теплосодержание азота и ам-
аммиака:
/N< = 3575 — D331 — 3575) ¦ 0,4 — 685 • 0,2 = 3740 ккал/кг-моль,
/NHj = 5045 + F255 — 5046) ¦ 0,4 — 864 • 0,2 = 5357 ккал/кг-моль.
Подставляя полученные данные в уравнение G26) с учетом
числа молей, участвующих в реакции, получим:
<7б4о = 22000 — [2 • 5357 — C • 3644 + 3740)] =>
= 25960ккал на 2 кг-мольШ\3.
118

Пример 2. Подсчитать тепловой эффект реакции
при 1000° С G=1273° К), пользуясь: а) точными уравнениями
температурной зависимости теплоемкостей (см. табл. 6) и б) при
помощи теплосодержаний.
Решение. Находим по табл. 17 значения теплообразования:
СН4 + Н2О = СО + ЗЫ2 + q.m.
18G00 57850 29700 0
Отсюда тепловой эффект данной реакции при стандартных усло-
условиях B0° С) равен:
Я ж = 29700— A8600 + 57850) = — 46750 ккал на 1 кг-моль СН4
а) Подсчет значения 91273 при помощи тепло-
емкостей. Истинные молекулярные теплоемкости (см.
табл. 6), выражены следующими уравнениями:
С?Н'= 3,38 + 0.0179057 — 4,188 • 10-67*,
С».° = 6,89 + 0,0032837 — 0,343 • 10-6Г>,
С?° = 6,25 + 0,0020917 — 0,459 • 10-67*,
Сн« = 6,88 + 0,0000667 + 0,279 • 10-672.
р
Определяем температурные коэффициенты:
а= Е.а= C,38 +6,89) —F,25 + 3- 6,88)= — 16,62,
Й= Е_1^_ = — @,017905 + 0,003283) —
2 2
— @,002091 + 3 • 0,000066) = + 0,00952,
7 =!:-!?- - -L [(— 4,188 — 0,343)- 10~6 —
— @,459 + 3 • 0,279) • 10~6]= —1,636 • 10~6.
Подставляем полученные значения в уравнение G0в):
Чт = _ 46750 — 16,62 G — 2931 + 0,00952 G2 — 293») —
— 1,636 • 10~6G3 —2933).
При 7= 1273еК
qun =_ 46750 — 16,62 • 980 + 0,00952- 1530 • Юа—\636 . 2010,
или
= — 51860 ккал.
119

Таким образом, термохимическое уравнение исследуемой реак-
реакции имеет следующий вид:
СН4 ! - Н,0 =-- СО + 3R, — 46750 (при 20°С),
СН4 + Н,О =¦- СО + ЗНо — 51860 (при 1000°С).
Тепловой эффект понижается па 10,5%, или па каждые 100°
повышения температуры тепловой эффект уменьшается на 1,05%.
б) Подсчет при помощи теплосодержаний.
Теплосодержание веществ, участвующих в реакции, при 1000° С
по отношению к стандартному состоянию их B0° С), принятому
за нулевое, составляет (см. табл. 16):
fcut == 14370—873 • 0,2 == 14195ккал/кг-моль,
fHiO == 9194 — 791 • 0,2 = 9036 ккал/кг-моль,
/со = 7554-г- 688 • 0,2 =- 7416 ккал/кг-моль,
/,. = 7121 —693 • 0,2 = 6982ккал/кг-моль.
Отсюда
? /н = 14195 + 9036 = 23231 ккал,
S /,. = 7416 + 3 • 6982 =-. 28362 ккал.
Подставляя цифровые значения ^2эз, 2/й и 2Л в уравнение G26),
получим:
qT= —46750 —B8362—23231)= —51881 ккал.
Расхождение в значении( qT), вычисленном методом теплоем-
ко'Стей и методом теплосодержаний, составляет 0,04%, что в
практических расчетах не имеет существенного значения.
Примечание. В практике техно-химических расчетов поправку пи
величину теплосодержании при 20° С обычно не делают, принимая за «пуле-
«пулевое» состояние системы 0'J С. ;\ за «пуленое» состояние теплоты реакции 20° С.
Такое допущение не ласт в расчетах существенной ошибки. Так, например,
исходя ил теплосодержания СЬЦ. IbO, СО н Иг при 1000° С, по отношению к
0°С, получим:
И /к = 14370 -!- 9191 - 23564 ккал,
Z /,. --- 7554 -\- 3 • 7121 - 28917/с/са,?,
Е/ж — Ын=-- 5353ккал,
откуда
qT = — 46750 — 5353 -~- — 52103 ккал,
что дает расхождение с вычисленным выше ~0,4%.
120

Пример 3. Вывести уравнение теплового эффекта в зави-
зависимости от температуры для реакции горения угля (углерода):
С + О2 = СО2 + 97800 (при 20°С).
Решение. Истинные молекулярные теплоемкости:
углерода
Ср= 0,971 + 0.0043127 + 1,8 X 10~е72
(см. предыдущий пример),
кислорода
С* = 6,26 + 0,0027467 —0,77 • Ю-С72(см. табл. 6),
углекислого газа
q,"= 7,70+ 0,00537' —0,83- 10-6Г2(см. табл. 6)
Отсюда находим значение а, р и у.
а. = Ev а = @,971 + 6,26) — 7,70 = — 0,469,
р= J_Svu= —[@,004312 + 0,002746) — 0,00530] = 0,000876,
т = -i-Evc= [—A,8 — 0,77) + ( — 0,83; • 10] = 0,62 ¦ 10~6.
О О
Подставляем полученные значения в уравнение G0в):
qT = 97800 — 0,469 G — 293) + 0,000876 G2 — 2932) +
+ 0,62- 10~6 • (Г3 —2933).
Решая это уравнение, получим окончательное выражение тепло-
теплового эффекта данной реакции в зависимости от температуры:
qT = 97852 — 0,4697 + 0.000876Г2 + 0,67 ¦ 10-6Г3.
Теплота испарения (парообразования). Теплота испа-
испарения ( Гисп. ) и о к а з ы в а е т, с к о л ь к о и с о б х о д и м о
тепла для того, чтоб ы прев р а т и т ь с д п н и ц у м а с-
с ы ж ид к ости при данной температуре а и а р о об-
разное с о с т о я и и е.
В расчетной практике различают удельную (кал/г, ккал/кг,
дж/кг и т. д.) и молекулярную (кал/моль, ккал/кг-моль и т. д.)
теплоту парообразования (испарения).
Для вычисления теплоты испарения веществ в зависимости
от температуры их кипения имеется ряд эмпирических формул.
Однако псе эти формулы дают значительное расхождение с опыт-
опытными данными и только для некоторых пеполярпых и неаосоци-
ироваиных жидкостей значения их более или менее совпадают.
121

Теплота испарения с увеличением давления, а следовательно,
и температура кипения жидкости, уменьшается. Однако строгой
и простой математической зависимости между этими величина-
величинами не имеется. Поэтому значения теплот испарения определяют
обычно опытным путем и при тех или иных тепловых расчетах
требуемые данные берут из справочных таблиц (см., например,
табл. 5 и 15) и из тепловых диаграмм.
Если же для той пли иной жидкости справочных данных теп-
теплоты испарения в зависимости от ее температуры, при которой
происходит испарение, не имеется, то эту теплоту испарения мож-
можно вычислить без особо грубой ошибки при помощи следующей
эмпирической формулы:
' " 1\
где г'исп —теплота испарения жидкости при температуре Т{;
гисп —теплота испарения ее при температуре 7;
к — поправочный коэффициент, или так называемая
температурная поправка для теплоты испарения.
Коэффициент k, входящий в формулу G3), в свою очередь
зависит также от Ти 7'2 и критической температуры жидкости
TKVllT. . Эта зависимость величины k приведена на рис. 11. Опре-
Определение к по этому графику видно ии следующего примера.
Теплота испарения этилового спирта С2Н2ОН при его темп,
кип. 78° С G'2 = 35Г К) и нормальном давлении равна
210,4 ккал/кг (см. табл. 15). Подсчитаем теплоту испарения его
при 180° С (Г, =453° К), если известно, что критическая темпе-
температура С2!15ОН равна 243° С G\гит. ==516° К).
Определяем величину k для спирта:
-—Zj__ = _2!il_ = о.б8. —Zj_=-^-= 0,88-
По этим данным, пользуясь рис. 11, находим значение k для
спирта, равное 0,52 (точка а). Подставляя в уравнение G3),
имеющиеся значения 7Ь 7'2, ^,.„ и k, находим теплоту испарения
гнсп этилового спирта при 180° С:
г' = 0,52 ¦ 216,4 -^- = 145,2 ккал/кг.
исп. '351
Теплоту испарения по тепловым (энтропийным) диаграммам
определяют следующим образом. На диаграмме по заданному
давлению, а следовательно, п температуре кипения, находят
прежде всего значения теплосодержания вещества на погранич-
пограничной кривой жидкости и пара и отсюда определяют разность в
122

значениях теплосодержания пара и жидкости при температуре
кипения. Эта разность и дает величину теплоты испарения дан-
данного вещества.
Найдем, например, теплоту испарения жидкого воздуха при
Р = ата. По тепловой диаграмме (см. диаграмму 8) находим, что
при Р=\ ата теплосодержание жидкого воздуха ((Жидк. ), на-
нагретого до температуры кипения, равно 22,0 ккал/кг (точка /),
а теплосодержание газообразного воздуха (/газ. ) при тех же ус-
условиях равно 68,5 ккал/кг (точка /г). Следовательно, теплота
испарения гисп. воздуха при 1 ата равна:
С. = 1ж„дк. - 'газ. = 68-5 - 22,0 = 46,5 ккал/кг.
При 10 ата теплота испарения воздуха составит (точки f и h):
гисп = 72 — 35,2 =
Из этой же диаграммы
видно, что при давлении 1 ата
температура кипения воздуха
равна —194° С (точка /), при
давлении 10 ата —165°С
(точка /;), а при давлении
5 ата —175° С (точка i) и т. д.
В промышленной практике
большинство
образования
температурах
нормальным
процессов паро-
протекает при
кипения под
или близком к
нему давлении A ата). Ис-
Исключение из этого составляют
процессы испарения воды и
сжиженных газов, значениями
теплоты испарения которых и
практике расчетов довольно
часто приходится пользовать-
пользоваться при различных их состояниях (Р и Т). На рис. 12 приведена
зависимость теплоты испарения воды от температуры. Для
сжиженных газов теплоту испарения при любом давлении, а
следовательно, и при любой температуре кипения, можно на-
находить по тепловым или энтропийным диаграммам, как это бы-
было указано выше; для давления, равного 1 ата, она дана в
табл. 5.
Теплота плавления. Теплотой плавления (гПж.) на-
называют количество т е п л а, н е о б х о д и м о е для пре-
превращения е д и п и и ы масс ы (кг, г, моль и т. д.) твердо-
твердого тела в жидкое состояние. Величины теплот плавле-
плавления определяют экспериментально; для производственных рас-
123
Рис. 11. Температура поправки К
для теплоты испарения жидкостей

четов значения этих величин берут, как правило, из справочников
(см. табл. 5 и 12). Однако для приближенных подсчетов тепло-
теплоты плавления г„л. металлов можно пользоваться следующей эм-
эмпирической формулой:
k ¦ Т
пл.
G4)
где Тпл_—температура плавления твердого тела;
к — коэффициент пропорциональности.
1
I
600
590
,580
,570
5S0
550
5i*n
530
520
510
500
Ш
N
N
\
\
S
\
1
Рис. 12. Зависимость удель-
удельной теплоты гтарообразо-
зания воды от температуры
О 20 W (?0 80 100 120 ПО WO W
Температура, "С
Коэффициент /г для серебра равен 2,3, для алюминия и ни-
никеля— 2,5, для меди — 2,0, для цинка — 2,4 и т. д. Теплота плав-
плавления тела с изменением давления, а следовательно, и температу-
температуры плавления, практически не изменяется.
Теплота растворения. Теплота растворения (^раств.)
представляет собой тот тепловой эффект (в
ккал или кал), который получается в результате
растворения единицы массы (I кг-моль, I г, I кг,
I моля и т. д.) данного в е щ ества в таком к о л и ч е с т-
в е растворителя, что дальнейшее прибавление
последнего п р а к т и ч е с к и ужо не д а е т д о б а в о ч-
н о г о теплового эфф е к т а.
Значение теплот растворения определяют экспериментально
и для расчета производственных процессов всегда берут из спра-
справочников (см. табл. 20). При этом следует иметь в виду, что ес-
124

ли растворитель и растворенное вещество при растворении всту-
вступают между собой в химическое взаимодействие, то справочные
данные теплоты растворения обычно включают в себя также и
теплоту сольватации или гидратации. Если растворенное вещест-
вещество при растворении подвергается ионизации,то теплота растворе-
растворения, указанная в справочниках, обычно включает в себя и теп-
теплоту ионизации.
Следует также помнить и то, что в научно-технической ли-
литературе, включая и справочную, различают три вида теплоты
растворения:
1) интегральную, когда 1 моль вещества растворяется в бес-
бесконечно большом количестве молей (п-^-оо) растворителя;
2) дифференциальную, когда 1 моль вещества растворяется
в бесконечно большом количестве уже готового раствора кон-
концентрации, равной 1: п;
3) полную теплоту растворения, когда 1 моль вещества рас-
растворяется в п молях растворителя, причем величина п отвечает
насыщенному раствору.
В практике технологических расчетов наиболее употребитель-
употребительной является интегральная теплота растворения. Если в табли-
таблицах справочников нет специального указания на тот или иной
вид теплоты растворения, то табличное значение последней всег-
всегда следует относить к интегральному ее значению.
На рис. 13 и 14 приведены значения теплоты растворения не-
некоторых кислот и щелочей в зависимости от числа молей (п)
воды на 1 г-моль растворенного вещества.
Для вычисления теплоты растворения 1 г-моль минеральной
кислоты в п молях воды пользуются эмпирическими формулами:
НС1 + (и+ 1)Н,0
11980 • п Го7г;. 17?,\
а = Ь 537t>; (/о)
</раств. Л+1
H2SO4 + п Н2О
17860 • п /7гоч
а -— ; G5а)
Чраств. п + 1,7983
HNO3 + Н.2О
8974 п пьа\
а ~ . (too)
Траста. п + 1>737
Пример. Сколько выделяется тепла при растворении
100 г моногидрата H2SO4 в 200 мл воды?
Решение. 100 е H2SO4 составляют —= 1,02 моля H2SO4.
В 200 мл воды содержится =11,11 моля Н2О. Таким обра-
18
125

зом, на 1 г-моль H2SO4 приходится —'— —19,89 моля Н2О. Под-
Подставляя эти данные в формулу G5а), получим
= 17860 ¦ 1089 = 153з0/сал на 1 моль H2SO4.
' раств.
20000 г
таоо
% косо
9- то
1
^ чооо
I
10.89 .(- 1,79
1
v3
"^
=====
на
~?.
н

¦
а
3
щ с оон
¦
— —
-
-¦ -
¦ ¦
——
Числа молей (п) воды на 1моль кислоты
20
Рис. 13. Интегральная теплота растворения (<7раст.) неко-
некоторых кислот в воде при 18° С.
noon
< 10000
t
чооо
гооо
(
и
\
1
^—
кон
На ОН
Nh
КгС0}
/агС03
о ю го зо чо so
Чиспо молей (л) воду на >моль щелоии
Рис. 14. Интегральная теплота р;1створения (</раст.) не-
некоторых щелочей в воде при 18° С
То же значение <7ра(.т, серпом кислоты находим, пользуясь
рис. 14 (точка а). Следовательно, подсчет показывает, что при
растворении 100 г A,02 г-моль) H2SO4 в 200 мл воды выделится
15330- 1,02 = 15640 кал тепла.
126

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА И ЕГО ТЕМПЕРАТУРА
ГОРЕНИЯ*
Теплотой сгорания топлива Qназывается ко-
количество тепла (в больших калориях), выделя-
выделяемое при полном сгорании I кг т о п л и в а. При сго-
сгорании газообразного топлива это количество относится к I мг его.
Таким образом, теплота сгорания топлива представляет собой
тот суммарный тепловой эффект, который дают при сжигании
горючие составные части топлива. Следовательно, теплота сго-
сгорания топлива будет зависеть от его состава.
Следует, однако, отметить, что эта зависимость между коли-
количеством теплоты и его составом сложна и не одинакова для раз-
различных видов топлива. Поэтому при тепловых расчетах рекомен-
рекомендуется пользоваться табличными значениями теплоты сгорания
топлива, которые, как правило, составлены па основании прак-
практических данных калориметрического определения величины Q.
Для подсчета теплоты сгорания топлива по его аналитическому
(элементарному) составу наиболее употребительной в техниче-
технических расчетах является формула Менделеева
Q> = 81C + 300H — 26@— S) — 6(9H + W), G6)
где ОД — низшая (рабочая или полезная) теплота сгорания
топлива, т. е. теплота сгорания топлива, вычисленная
при условии, что после его сгорания вода находится
в виде пара;
С — процентное содержание углерода, Н — водорода, О —
кислорода, S — серы и W — влаги в рабочем топливе
(с учетом содержания в нем А% золы и N% азота).
При этом сумма составных частей топлива должна состав-
составлять 100%, т.е.
C+H + O + S + N4-A + W= юо.
При характеристике топлива различают также его высшую
теплоту сгорания Qp, которую вычисляют при условии, что
вся образовавшаяся при сгорании вода и первоначально содер-
содержащаяся влага в топливе конденсируется из отходящих газов в
жидкость и охлаждается до первоначальной температуры, т. е.
до температуры, с которой поступает топливо в топку:
Q;- 81С + 300Н —26@—S) = Qp-(-6(9H + W). G6а)
Для характеристики топлива, кроме теплоты сгорания, слу-
служит еще ж аро производитель пая способность его,
* Теплота сгорания топлива часто именуется также его теплотворной
способностью.
127

т. е. та наивысшая, или предельная, температура, которая тео-
теоретически может быть достигнута в результате сжигания данно-
данного горючего. Эта температура называется теоретической, или
максимальной, температурой горения (^макс ) и подсчитывается
по следующему уравнению:
Q
макс.
где Qfj — низшая теплотворная способность (теплота сго-
сгорания) топлива;
с — средняя удельная теплоемкость топлива;
tm — температура поступающего в топку горючего
(топлива);
G — теоретический расход воздуха (в кг), идущего
на сжигание 1 кг рабочего топлива;
а — коэффициент избытка воздуха;
х — влагосодержание воздуха (в кг) на 1 кг сухо-
сухого воздуха;
tв — температура воздуха, поступающего на сгорание;
^ii ^2 — весовое количество составных частей продуктов
сгорания (в кг) на 1 кг сгораемого топлива;
ci> с2 — соответствующие средние удельные теплоемко-
теплоемкости составных частей продуктов сгорания топ-
топлива.
Коэффициент а практически принимается: для твердого топ-
топлива от 1,3 до 1,7, для жидкого — от 1,1 до 1,2 и для газообраз-
газообразного— от 1,0 до 1,2.
Теоретический расход воздуха G может быть определен, ис-
исходя из элементарного состава топлива, по формуле
23 [ 12 2 32
ИЛИ
G = 0,116С + 0.348Н + 0,0435 (S — О). {78)
Примечание. Если топливо и воздух поступают в топку без подог-
подогрева, то вторым (с- tm ) и третьим [aG @,24 + 0,46 л:) /„ ] членами уравнения
G7) в технических расчетах пренебрегают, так как они ничтожно малы по
сравнению с величиной Qf/ (см. пример 11).
Пример. Низшая и высшая теплотворная способность
угольного штыба состава: 68,2% С, 1,4% Н2) 1,5% О2, 1,2% S,
6,0% влаги и 21,7% золы по уравнению G6) и G6а) опреде-
128

л ится:
Qf{ ^ 81 -68,2 + 300 • 1,4 — 26A,5— 1,2)
— 6 (9 ¦ 1,4 + 21,7) -- 5824 ккал/кг.
Qpa = 5824 + 6 (9 ¦ 1,4 -f 21,7) --- 5936 ккал/кг.
Теоретический расход воздуха 6теорет. для сгорания 1 кг
топлива указанного состава определится по уравнению G8)
<j.rcop - 0,116 • 68,2 4-0,348 • 1.4 |- 0,0435 < 1,2 — 1,5) ¦= 8,386 кг,
или ирп коэффициенте избытка ноздуха ц = 1,4 фактический
расход его составит:
Сф.1Кт - 8,386 ¦ 1,4 ¦ I 1,740лсс-.
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Азото-водородпая смесь должна быть сжата
с 1,1 до 400 ата. Подсчитать: а) сколько должно быть ступеней
у компрессора, если после сжатия температура в каждой ступени
не должна быть выше 147° С; б) как при этом распределится
давление по ступеням? Температура входящего в каждую сту-
ступень газа не выше 27" С (/' = 300° К); х — для азото-водород-
ной смеси = 1,41;
х — I -= 0,41; -—1= 0,29.
х
Решение. Обозначим через Р\, Р2. ^з.—Ря —давление га-
газа после сжатия в первой (Pi), второй (Р2), третьей (Рз)... и
n-ii (Рл) ступени компрессора. Температура газа после каждого
сжатия, по условиям задачи, равна 147°С G2 = 420°К).
Перед поступлением во вторую и последующие ступени газ
подвергается охлаждению до 27°С (Г] =300° К — см. условие
задачи). Следовательно, если давление газа, поступающего на
первое сжатие, равно 1,1 ата (Ро), то давление его перед поступ-
поступлением на второе сжатие (после первого охлаждения) составит
(по закону Гей-Люссака):
Р[ ... -р—/^айш.
на третье сжатие (после второго охлаждения):
Т
Р'. ~ -—Р2шпа и т. д.
У С Д Бесков 129

В последнюю (л-ю) ступень газ поступает с давлением
Р' . =--= -— Р . ата.
п— 1 т л— 1
' 2
Так как температура газа на входе в каждую ступень одна
и та же (не выше 27°С), точно так же, как и температура его па
выходе из каждой ступени (не ныше 147° С), то отношение тем-
температур, а следовательно, отношение и давлений до и после сжа-
сжатия газа в каждой ступени также постоянно.
Принимая сжатие газа в каждой ступени адиабатическим, по
уравнению D0) получим:
7, / Р. \0.29 / Р, \<>.2Э / Р3 \0,29
г, \ р0 ! \ р\
= const.
Подставляя вместо 72 и Т\ их значения, определяем х, т. е. от-
отношение давлений в каждой слупени:
хо.2Ч.;_420
300
откуда
*= 3,2.
Определим число ступеней компрессора.
Отношение давлений газа до и после выхода из каждой сту-
ступени равно х C,2); следовательно,
—PD1- = х = 3,2, откуда /^ = хР0;
P\ --= P,—-^ или P. -
r* 1
2
—^— =- л; = 3,2 или ?—"— ^ х, откуда
' 1 ¦* "о ' 1
р _ Г2р Т\ .
Го — А Гц —-— ,
' 2
]_ или

P I f \2
— -= x == 3,2 или —— |—— 1 = x, откуда
„2P l Г /
* 'U \ '2 /
I 1
I! T. Д.
Диалогично этому давление в последней, т. е. п-й ступени,
равно:
Р у" Г ' Т' '""'
где п — число ступеней компрессора;
Р„—давление в последней ступени, равное 300 ата.
Подставляя Р„=400, х = 3,2, Ро=1,1, 7, = 300° К и Г2 = 420°К,
получим
400- 3,2" ¦ 1,1 • Г-3-00 Л" .
{ 420 )
Отсюда
1й 400 = п Ig 3,2 + lg I 1 + (п — 1) lg -00-
420
или
300
Ig400-lgl,l -f-lg——
n = -~ - 6,8 (~ 7).
300 ' v
!2 l
Следовательно, компрессор должен иметь 7 ступеней.
Теперь, исходя из 7 ступеней, определяем снова х, т. е. от-
отношение давлений в каждой из них:
7 400 / [420 ^6
~ 1,1 \ 300
Находим по предыдущему х:
, 2,6021—0,0414+6-0.1461
9*

Давление по ступеням компрессора распределяется следую-
следующим образом:
Ступень
Давление на входе, ата
.)
7,!
16
36,
81 ,
,4
53
,7 ¦
,9 ¦
,8
181 ¦
1.1
300
420
300
420
300
4?0
300
420
300
420
300
2,43
5,38
11,9
26,4
58,4
129
420
Давление па выходе, ата
1.1-3.10=3,40
У, 43 -3,10 -7,53
5,38-3,10 16,7
11,9-3.10 36,9
26,-Ч-3.10 ^-81,8
58,4 3,10 . 181
129-3,10 -'-400
Пример 2. Атмосферный воздух сжимают до 1,2 ата.
Подсчитать: а) температуру воздуха после сжатия; б) количе-
количество тепла, которое выделяется в процессе сжатия *; в) какова
затрата работы на сжатие воздуха. Давление атмосферного
воздуха Р\ = 1 ата.
Решение. Подсчет ведем на 1 кг воздуха. Принимаем тем-
температуру поступающего в компрессор атмосферного воздуха
20° С. Пользуясь номограммой 2, определяем температуру воз-
воздуха после сжатия. Для этого соединяем точки 1,0 шкалы Р\ и
1,2 шкалы Р2 прямой линией. Затем через точку пересечения
этой прямой со шкалой А и точку 20 на шкале t{ проводим пря-
прямую до пересечения ее со шкалой t2- При этом на последней от-
отложилось значение /2 = 36. Следовательно, температура воздуха
после адиабатического его сжатия от 1 ата до 1,2 ата равна
36° С.
То же самое значение t2 получим при подсчете по уравнению
D0), подставляя в него 7i = 293°K, Рг=1,0 ата, Ргг-1,5 ата и
* Следует асегда иметь в виду, что при адиабатическом сжатии («ли
расширении), где теплообмена системы с окружающей средой не происходит,
все тепло, выделяющееся (или поглощенное) за счет работы сжатия (или
расширения), идет исключительно па изменение внутренней энергии системы.
В данном случае иыделившееся при сжатии воздуха тепло им же поглощается
vi идет на повышение его температуры.
132

v=i,41. Количество выделившегося тепла при компримировании
воздуха определяем по энтропийной диаграмме 8. Теплосодер-
Теплосодержание воздуха до сжатия (/j = 20°C, P\=\ ата) равно i\ —
120.8 ккал/кг, после сжатия (/2 = 36°С, ^2=1,2 ата) i2 =
= 124,5 ккал/кг. Таким образом, в процессе адиабатического
сжатия теплосодержание воздуха изменится на 124,5—120,8 =
= 3,7 ккал/кг.
Следовательно,
Q _- Д i — 3,7
¦Отсюда |>абота на сжатие 1 кг воздуха от 1,0 до 1,2 а составит:
А -= 427 • 3,7 = \580кГм/кг.
То же значение А, а отсюда и Q (Л = 427 Q), получим по урав-
уравнению D2а) и D26), подставляя в них:
х -= 1,41; R -¦¦¦г-- 1,985 кал/моль, град; п = ——- -- 34 53 г-моль*
28,96
7\ 293°, Т2 ¦•-= 309°К, Pj--- 1,0 и Р2 1,2 ата
Пример 3. Сколько потребуется тепла для нагревания
50 м3 азота при постоянном давлении (Р— 1 ата) с 200° С до
400° С?
Решение. По уравнению Менделеева — Клапейрона, под-
подсчитаем количество азота в весовых и молярных единицах
„ MPVt 28,0-1.50 г ос __ м
О ~ L = G = 36,05 кг N
RT, 0,0821 • 473 ;
G 36,05 1 лпг1 кт
; п = 1,288 кг-мольЫ2.
п
М 28,0
Подсчитаем количество тепла Q, необходимее для нагрева-
нагревания азота от 200 до 400° С.
а) По средней теплоемкости; средняя молекуляр-
молекулярная теплоемкость азота при постоянном давлении (см. табл. 10)
равна: при 200° С — 6,93 и при 400° С —7,08 ккал/кг-моль.град.
Отсюда Q определится:
Q ¦-= 1,288 G,08 • 400 — 6,93 • 200) =--- 1860 ккал.
б) По теплосодержанию: теплосодержание азота
при 200° С равно 1386 ккал/кг-моль, а при 400° С
* 28,96 — приведенный молекулярный вес воздуха, состав которого
21% О„, 78% N2 и 1% Аг.
133

2831 ккал/кг-моль (см. табл. 16) *. Для нагревания 1,288 г-моль
азота потребуется тепла:
Q = 1,288 (/400 — /200) ¦¦-- 1,288 B831 — 1386) ----- 1860 ккал.
в) По средней теплоемкости, подсчитанном
по формулам**: интегрируя уравнение истинной молеку-
молекулярной теплоемкости в температурном интервале 200—400° С,
получим (см. табл. 6):
67 3
С?» = ' Г F,30 (-0,0018197 — 0,345 • 1ГГ6Т*)е1Т
" F73 - 473) J
473
ИЛИ
С** = --—[6,30F73 — 473) 1- 0,00091 (C732— 473") —
р 200 v i
— 0,115- 10"° F733 —4733)| - 7,2А ккал/кг-моль.
Таким образом, величина Q будет равна:
Q---= 1,288 ¦ 7,24D00 — 200) -= 1860 ккал.
Пример 4. Найти теплоемкость безводного сернокислого
кальция CaSO4, если теплоемкость CaSO.t • 2Н2О раина
0,256 ккал/г.
Решение. Теплоемкость льда 0,505 кал/г (см. табл. 14).
Молекулярный вес CaSO4-2H2O равен 172,2; CaSO4 — 136,1.
CaSO4 • 21-ЬО содержит Ш''--—= 79,0% CaSO4 и 21 % Н,О.
Следовательно, если обозначим молекулярную теплоемкость
CaSO4 ^ CCaSO , то согласно уравнению F1)
0,256 - 0,79CCaSO< -f 0,21 • 0,505,
откуда
Cr sn - 1,190 кал/г***
Можно задачу решить н другим методом. Молекулярная
теплоемкость льда равна
С 18,0 • 0,505 ^ §,№ кал/г-моль,
молекулярная теплоемкость CaSO4 • 2Н2О равна:
С" - 172,2 • 0,256 = 44,08 кал/г-моль.
* Для нахождения теплосодержаний га.чои можно также вое пол ь:ю паты я
энтропийными диаграммами.
** Можно Ср при 200 и 400° подсчитать также по уравнениям табл. 8.
*** Расхождение с опытным значением теплоемкости CaSO4 составляет
(,190—0.1753 = 0,0147 кал/г (ом. табл. 15), или 7,9%.
134

Следовательно, по уравнению F1) получим:
CCaSO< -f 2 ¦ 9,09 -= Н,08кал/г-моль.
Отсюда молекулярная теплоемкость CaSO^
CCaiiOt 44,08 — 18,18 == 25,90 кал/г-моль
п.'ш улельная теплоемкость:
С., цо -¦¦-. -¦ 2Г--'-'-—- - (), 190 ккал/кг
Пример 5. Сколько требуется отпять тепла от 1 кг. воз-
воздуха, имеющего температуру 17° С при атмосферном давлении,
для тоги чтобы охладить его до температуры конденсации. Под-
Подсчитать также количество холода *, которое нужно для сжиже-
сжижения I кг воздуха, имеющего исходные данные: Р == 1 ата и
/ - 17" С.
Решение. Теплосодержание 1 кг воздуха при 1 ата
и 17° С равно 120,0 ккал (см. диаграмма 8, точка с); темпера-
температура, а следовательно, и теплосодержание его при конденсации
определяется точкой пересечения линии давления (Р — 1 ата) и
линии конденсации паров (точка к). Эта точка показывает, что
температура, пои которой воздух начинает конденсироваться
при 1 ати, равна —191° С (Г = 82° К); теплосодержание при
этом /м --: 68,5 ккал/кг. Следовательно, для охлаждения 1 кг
воздуха с 17° С до температуры конденсации (при Р= 1 ата)
требуется отнять у него тепла:
qx 120,0 -- 08,Г) ¦ ¦ 51,5 шал/кг.
При решении второго вопроса, т. е. при определении потреб-
потребного количества холода на 1 кг сжиженного воздуха (от t =
-¦= 17° С), нужно найти точку пересечения линии давления
(Р -- I ата) с линией жидкого воздуха (точка /). Найдя эту точ-
точку, мы ннднм, что через нее проходит линия теплосодержания,
равная 22 ккал, т. е. теплосодержание 1 кг жидкого воздуха при
Р — 1 ата равно 22 ккал. Отсюда количество холода, потребное
для сжижения 1 кг воздуха с температурой 17° С при Р --¦ 1 ата,
составит:
q, 120,0 — 22 -98,0 ккал/кг.
Пример 6. Углекислый газ в количестве 10 кг проходит
через холодильник под давлением 20 ата с начальной темпера-
температурой 2'Г С; в холодильнике у него отнимается 400 ккал тепла.
Определить состояние СО2 после холодильника.
* В технике донолыю часто отрицательные калории, т. е, калории .хо-
.холод;!, называются ф р и г о р и я м и.
135

Решение. Теплосодержание СО2 до холодильника it =
= 69,2 ккал/кг (см. диаграмма 7, точка d). В холодильнике
отнимается от каждого килограмма СО2 тепло в количестве
400 .„
- АОккал.
10
Следовательно, теплосодержание 1 кг СО2 после холодильника
будет равно:
L 69,2—40 -¦: 29,2ккал/кг.
Теперь находим точку пересечения линии давления (Р —
= 20 ата * с линией теплосодержания / = 29,2 ккал (точка е).
Полученная точка е и определяет состояние СО2 после холо-
холодильника. Она показывает, что температура углекислого газа
равна —20,5° С. Кроме того, углекислый газ перешел линию
конденсации паров, т. е. СО2 уже начал пер'еходить в жидкое
состояние. Точка в находится между линиями: х = 0,5 и л- = 0,6
(примерно при л'= 0,58). Эта линия показывает долю СО, в
виде паровой фазы. Таким образом, после холодильника
1—0,58 = 0,42 части СО2 перешло в жидкое состояние и 0,58 ча-
части его осталось неконденсированнон. Следовательно, после
холодильника температура СО2 равна —20,5°, теплосодержание
«2 равно 29,2 ккал/кг и из 10 кг СО2 10-0,42 = 4,2 кг ее перешло
в жидкое состояние.
Пример 7. Через трубки теплообменника проходя!
1000 м3 (приведенных к 0°С и 760 мм рт. ст.) газа, имеющего
состав: 60% Н2, 20% N2, 16% СН4 и 4°/0 С2Н4. Газ требуется
охладить с —10° до —80° С; давление его равно 30 ата. Сколько
для этого потребуется жидкого воздуха, который подается в
межтрубное пространство под давлением 30 ата и выходит из
теплообменника с температурой —15°С и давлением 1 ата.
Решение. Подсчитаем количество газа, проходящего че-
через теплообменник, в весовых единицах и в кг-моль, считая, что
молекулярные веса Н2 = 2,0, N2 = 28,0, СН4 = 16,0, С2Н4 =
= 28,0 и молекулярный объем каждого из газов равен 22,4.
Всего газа проходит через теплообменник 1000 м3, или в отдель-
отдельности по его составляющим:
Н3 . . .1000 • 0,6= 600 м3, или ~^-~ = 26,78 кг-моль, или
22,4
26,78 ¦ 2,0 = 54,6 кг,
N2 . . .1000 • 0,2= 200.и3, или —-— = 8,93 кг-моль, или
8,93 • 28,0= 250,0 кг.
* По условию задачи СО2 после холодильника имеет то же "швление.
136

CH, . , 1000 ¦ 0,16 - 160 Ma или —— =, 7,14 кг-моль или
22,4
С,И4 . . .1000 • 0,04== 40 м3, или —----.- = 1,79 кг-моль, или
22,4
7,14 • 16,0 -- 114,3 кг.
40
и =
22,4
1,79 ¦ 28,0 = 50,0 кг.
Итого . . . 1000 м*, или 44,64 кг-моль, или 467,9кг.
По энтропийным диаграммам находим теплосодержание
каждого из газов в отдельности при —10° С (Г, = 263° К) и при
—80° С (Т2 = 193° К). Затем, вычтя одно из другого, получаем
количество холода, необходимое для охлаждения газа от —10° С
до —80° С (давление газов 30 ата).
Теплосодержание составляет:
при—10°С при —80°С
112 . .835 ккал/кг 605 ккал/кг (см. диаграмма 6),
No . . .2580 ккал/кг-моль 2050 ккал/кг-моль (диаграмма 5,
точки а и Ь).
СН4 . . .201 ккал/кг 160 ккал/кг (диаграмма 9,
точки а и Ь).
С,Н4 . . .57 ккал/кг 51 ккал/кг (диаграмма 10 точки аи Ь)
Примечание. Диаграммы для Нг, СН< и С2И< даются на 1 кг газа, а
диаграмма для N2 на 1 кг-моль. Этилен при Р = 30 ата и t = —80сС пол-
полностью сжижается.
Таким образом, количество холода, которое необходимо для
охлаждения указанного выше количества газа от —10° С до
-80° С, составит:
Для Н2 . . .53,6(гвз —/1в,) = 53,6(835 — 605)= 12330 ккал.
» N.2 . . .8,93 0вз — /1вз) = 8,93B580 — 2050)= 4730 »
» СН4 . . . 114,3(;2вз — /19Я)= 114,3B01 —160)= 4690 >
» СоН4 . . .50,0 (гавз — «юа) = 50,0 [57 — (— 51)] = 5410 »
Итого 27160 ккал.
Это количество холода должен доставить жидкий воздух.
Теплосодержание 1 кг жидкого воздуха при 30 ата равно
47 ккал (диаграмма 8); теплосодержание же его по выходе из
теплообменника (при Р = 1 ата и / = —15° С) равно 112,5 ккал.
137

Следовательно, 1 кг воздуха доставляет холода 112,t>—47 =
= 65,5 ккал. Отсюда потребное количество жидкого воздуха (на
1000 м3 газа) составит:
с 27160 . г
65,5 ' ''
что соответствует -—'— ¦ 22,4 --- 321 м'л(при 0°С и 700ммрт. ст.).
Пример 8. Определить теплоту растворения H2SO4 в го-
готовом растворе, содержащем 1 моль моногидрата H2SO4 в 12 мо-
молях воды.
Решение. В данном примере нужно определить диффе-
дифференциальную теплоту растворения H2SO4 в растворе с концент-
концентрацией 1 : 12.
Для серной кислоты интегральная теплота растворения вы-
выражается уравнением G5а):
17860 • /1
'раств. , I -?go
Отсюда дифференциальная теплота растворения определится:
/ 17860/7.
'Ч-к-тв. 'п -}- 1,7!)8
dn dn
Дифференцируя правую часть этого выражения, получим:
/ 17860л \ dn d(n -L 1,798)
d (n 4- 1, 798) — n ——
dn (n 4- 1, 798J
ЛИ
dq„...-. (n 4- 1,798) — n 1,798
y --= 17860 = 178bn .
17860178!)H
dn (n-|-I.798J n-j-1,798J
Подставляя n = 12 г-моль, получим:
откуда
Пример 9. Смешано 2 кг 20-процентного раствора серной
кислоты и 3 кг 12-процентного раствора NaOH. Определить
температуру раствора после смешения, если первоначальная
138

юмпература кислоты и щелочи бы.ча 20° С, а потери тепла в
окружающую среду составляют 10%.
Решение. В 2 кг 20-процентного раствора H2SO4 содер-
содержится 400 г моногидрата H2SO4, а в 3 кг 12-процентного раст-
вора NaOH содержится 360 г NaOH; после смешения получаем
5 кг E000 г) раствора. Реакция между кислотой и щелочью
HaSOt I- 2NaOH ---= Na,SO4 -|- 2НХ» + </•
Теплоты образования (см. табл. 17) соединений, участвующих
в реакции, равны (в растворе)
ILSO4(b раств.) NaOH Na,SO4 H,0
qx 210800 q2 = 112700 </:i "-= 328100 qt -¦¦-¦ 68380
Следовательно, тепловой эффект указанной реакции равен:
</ -= C28100 ! 136760) --B10800 --I- 225400) -
----- -- 28660 кал на 1 г-моль H2SO4.
Пи реакции на каждые 98,1 г H2SO4 и 80,0 г NaOH получается
1 12,1 г Na2SO4.
По условию имеем 400 г H2SO4 и 360 г NaOII, из которых в
реакцию вступят 400 г H9SO4 и —: — = 326 г NaOH
<)8, I
C60 -326 = 34 г NaOH останутся пепрореагировавшимн). При
. 400 142,1 с_„ хт „„ 579-100 . 1Г
этом образуется = 579 г Naob04, или = 11,6-
98,1 ' 5000
процентный раствор Na2SO4. Принимая теплоемкость Na2SO4
равной 0,2312 (см. табл. 14 и рис. 19) и воды равной 1,0, тепло-
теплоемкость 11,6-процентного раствора Na2SO4 составит:
11,6 • 0,2312 -f 88,4 ¦ 1 „ спг
с - -¦¦ 0,896 кал/,'.
100
Определяем температуру раствора но уравнению
Q=G-c(ia-tl),
где G количество раствора, равное 5000 г;
с — удельная теплоемкость раствора, равная 0,896 кал/г;
i2 температура раствора после реакции;
1\ -— температура его до реакции, равная 20° С;
Q — количество тепла, получающееся в результате реак-
реакции, за вычетом теплопотерь.
Из предыдущего видно, что на 1 г-моль (98,1 г) H2SO4 выде-
.ля'спся 28660 кал тепла. Серной кислоты вступило в реакцию
¦100 г, при израсходовании которых выделилось тепла:
rv 400-28660 .,,,„,,,.
Q ¦-¦¦ ~ 116900 кал.
98,1
139

Следовательно, с учетом 10% тепловых потерь
Q ^ 1 16000— 1 16900 - 0,10 = 105200кал.
Подставляя значения G, Q, с и t в уравнение для Q и решая
его, получим:
Л105200_ =^ ч
08Я6
5000 ¦ 0.8Я6
Примечание. Вполне естественно, что при бистром смешении кон
центрированных растворов кислоты и щелочи в стеклянной посуде, последняя
довольно часто лопается. Это получается в результате сильного повышения
температуры раствора, так как с увеличением концентрации реагентов вели-
величины Q увеличивается (за счет уменьшения тепловых потерь), апис умень-
уменьшаются. Это в очень сильной степени повышает значение t2.
Пример 10. Определить теоретическую температуру горе-
горения серы в воздухе *:
S f О, -r- 3,76N2 = SO2 -f- 3,76Na + 69000.
Решение. Для решения воспользуемся значениями тепло-
теплосодержаний, взятыми непосредственно из табл. 16; при под-
подсчете ^макс. теплосодержание горючего (серы) и воздуха, посту-
поступающих на сгорание, не учитываем.
Примем /макс = 1700° С. Теплосодержание при этой темпе-
температуре /so равно 21770 кал, <N равно 13300 кал. Отсюда
Q' = 21770 + 3,76 ¦ 13300 = 71780 кал.
Примем /vaKC = 1600°С; iso> = 20389 кал; /Nf = 12448 кал.
Отсюда
Q"= 20389+ 3,76 • 12448= 67190 кал.
Определим разности теплосодержаний и температур про-
продуктов сгорания:
Q' —Q" = 71780—67190= 4590 кал; 1700— 1600= 100,
Q_Q"= 69000 —67190 = 1810кал; t кс —1600= А/
¦ При расчетах процессов горения состав воздуха всегда принимается
21% О2 и 79% N2; отсюда при горении тел в воздухе вместе с 1 объемом
79
(л3, л) кислорода воздуха поступает— = 3,76 объема азота. Азот при этом
в реакции не участвует и полностью уходит с продуктами горения. При рас-
расчетах сжигания тел в воздухе это нужно всегда учитывать.
При подсчетах цифры округляем, что в конечном итоге значительной
ошибки не вызовет. Для простоты расчетов принимаем тепловой эффект ре-
реакции постоянным, хотя правильнее его следует брать также при температуре
•макс.
140

Отсюда искомая температура составит:
4590
или
'м,-,кс. ^ 1600 + 39 = 1639°С (- !640°С).
Примечание. Если вести подсчет 'мякс- г"и| помощи уравнении сред-
средних теплоемкостей (см. табл. 8), то при этом требуется решить следующее
уравнение:
t _ 69000
™-'~ п-ср: ¦
где
л-Ср.-=--A0,49 t-0,001238tMaKC> -0,0046-10"° t'LKC. -
2,64 • 10~9 ^акс.) +3,76 G,08 + 0,0001ШыаксА 0,1065- IOt«aKC.
или приближенно
69000
(8,785 +0,0033/м;1КС-)+3,76 F,635 -f 0,0004')/М1КС-)
Иешение подобных уравнений сопряжено с очень длительными арифметичес-
арифметическими вычислениями. Поэтому в практике расчетов этот метод обычно не при-
применяется.
Если сгорание серы протекает в избытке воздуха, то темпе-
температура горения будет ниже t макс, так как этот избыток увели-
увеличит количество продуктов горения, увеличив тем самым и зна-
знаменатель выражения
Q
t ^=
пС
Значение же Q остается одним и тем же, так как тепловой
эффект реакции не зависит ни от избытка, ни от недостатка
реагирующих компонентов в смеси. Так, например, если в печь,
где происходит сгорание серы, подается избыток воздуха в ко-
количестве 40% от теоретического, то полное термохимическое
уравнение примет следующий вид:
S + O2+3,76N2+0,4(O2 + 3.7GN.,) ^ SO, -]- 5,26N, +0,4O2 1 69000.
Подсчет температуры горения нужно вести уже исходя из этого
уравнения. Примем t— 1000° С. При этом i's0 --- 12064 кал;
,{N -7471 кал; ' iQ =7859 кал (см. табл. 16). Отсюда
Q' = 12064 + 5,26 • 7471 + 0,4 ¦ 7859 - 54510 кал{(Г <Q).
141

Примем / = 1200° С; tSOi = 14812 кал; i^ = 9100 кал; /о/-
= 9574 кал. Отсюда
Q" =-= 14812 + 5,26 • 9100 -|- 0,4 • 9574 -= 66500 кал (снова Q" <Q).
Примем /=1300°С; iSOj = 16213 кал; г^ == 9926 кал;
'о, = Ю439 кал. Отсюда
Q" = 16213 4- 5,26 • 9926 + 0,4 • 10439 72600 кил.
Разности теплосодержаний и температур продуктов горения:
Л Qx = 72500 — 66500 ¦---¦= 6100 кал,
Att = 1300— 1200== 100°С,
A Q2 = 69000 — 66500 == 2500 кал,
t— 1200 = М°С.
Искомая температура будет равна:
д , __ 2500 ¦ 100 __ ..о,,
~ 6100
или
t =--- 1200 + 41 = 1241°С(-> 1240 С).
Таким образом, найденная выше температура горения серь;
в воздухе /млкс. (~1240°С) является действительно теоретиче-
теоретической температурой горения, выше которой она при данных ус-
условиях быть не может. Максимальная теоретическая темпера-
температура горения получается тогда, когда реагирующие компоненты
находятся в стехиомстричсском соотношении.
Примечание. Как уже было отмечено выше (глава IV), теоретичес-
теоретическая температура при сгорании тел не достигается также потому, что часть
тепла при горении теряется в окружающее пространство.
Пример 11. Подсчитать действительную температуру го-
горения каменного угля в воздухе, если состав угля: 73,0% С,
5,5% Ы2, 8,0% О2, 2,0% i\2, S Г,0%, 4,5% золы и 6,0% влаги.
При сгорании коэффициент избытка воздуха а равен 1,4;
степень насыщения воздуха водяными парами 0,87; весь угле-
углерод топлива сгорает до СО2; температура угля и воздуха, по-
поступающих в топку, 20° С; тсплоиотери в окружающую среду
вследствие прямой отдачи факелом топлива и стенками топки,
а также уноса тепла шлаком составляют 10% от общего при-
прихода тепла.
142

Решение. Расчет ведем на 1 кг рабочего топлива. По
уравнению G7) имеем:
t QpH+-dm -\- aG@,24+0,46x)/. XQ
или (с учетом теплопотерь при горении):
где Qfy — низшая теплота сгорания рабочего топ-
топлива;
с — средняя теплоемкость угля, равная
0,2 ккал/кг (см. табл. 13);
/„, -- температура угля B0° С);
aG@,244-0,46*) te — теплосодержание влажного воздуха; по
условию задачи а= 1,4, ta =20° С;
G — теоретический расход воздуха (в кг) для
сжигания 1 кг угля;
ct т — теплосодержание 1 кг угля, равное
0,2 • 20 = 4 ккал\кг *;
х — влагосодержанпе воздуха.
Низшая теплота сгорания топлива определяется по уравне-
уравнению Менделеева G6):
Q?== 81 • 73,0-1-300- 5,5 — 26(8,0— 1,0) —
— 6 (9 • 5,5 4- 6,0) = 7048 ккал/кг.
Теоретический расход воздуха G определяется по уравне-
уравнению G8)
G= 0,116 • 73 4-0.348 • 5,5 4- 0,0435A — 8)= 10,08 кг.
Влагосодержание воздуха определяется из следующего: но
табл. 4 находим давление водяных паров при 20° С: Р„ =
= 17,5 мм рт. ст. или при степени насыщения воздуха водяными
парами, равной 0,87, Рп== 17,5-0,87= 15,2 мм рт. ст. Следова-
15 2
тельно, в 1 м'А воздуха содержится ~~ = 0,02 мл Н2О. Плот-
Плотность сухого воздуха 1,2928 (см. табл. 5). Отсюда 1 кг сухого
воздуха содержит:
0,02 18 п „,.„.
х — — • 0,0124 кг водяных паров.
1,2928 22.4
* Эта цифра показывает, что теплота, вносимая топливом при комнатной
температуре, ничтожно мала, по срапнению с его теплотворной способностью.
Поэтому и технических расчетах ату величину, как правило, не учитывают.
143

Таким образом, теплосодержание поступающего в топку воз-
воздуха определится:
'возд "- ]-4 " 10.08@-24 + О-46 • 0,0124) 20 - Юккал.
Отсюда общий приход тепла равен:
i] Q = 7078 -!¦ 4 + 59 -= 7141 ккал,
или с учетом теплопотерь:
Q -= 0,9 ¦ 7141 = (Ш7 ккал.
Дальнейший подсчет / производят так, как это было указано
и примерах 15 и 16.
Определим состав продуктов сгорания. 1 кг рабочего угля
0 73
содержит: --— = 0,0608 кг-моль С, которые при сгорании
дают в отходящих газах 0,0608 кг/моль СО2;
0,055 „„„„ и
= и,02/5 кг-моль Нг, которые при сгорании лают
0,0275 кг-моль Н2О;
—7 " 0,0003 кг-моль S, которые при сгорании да км
0,0003 кг-моль SO2;
— = 0,0007 кг-моль N2 и •—'— = 0,0032 кг-моль НиО. ко
28 18
торые переходят в отходящие газы в виде N2 и Н2О.
Примечание. Кислород угля расходуется на сгорание, поэтому со-
содержание его учтено при подсчете потребного количества воздуха для сгора-
сгорания угля; зола угля уходит в виде шлака.
Кроме продуктов, получающихся от сгорания угля, следу<л
также учесть содержание в них: а) влаги и азота, поступающих
¦с воздухом; б) кислорода, поступающего с избытком воздуха.
Поступило влаги с воздухом:
1,4 ¦ 10,08 • 0,0124 n nn,,_ u _
-= 0,0097 кг-моль Н,О.
18 2
Поступило избытка воздуха:
0,4 ¦ 10,08 .,
и нем содержится:
2 = — ~ 0,292 кг-моль.
22,4
144

Поступило всего воздуха (необходимого для сгорания угля,
и избыток воздуха):
1.4 • 10,08
¦¦= 10,91 м3;
i,293
в нем содержится:
м 0,79 • 10,01 п ООПО
N2 == —' — ~ 0,3892 кг-моль.
Таким образом, состав отходящих газов (на 1 кг сгоревшего
рабочего топлива):
СОа 0,0608 кг-моль или °-^^ = 11,7%
0,5203
Н2О . . .@,0275 -f 0,0032 -f 0,0097) = 0,0404 кг-моль, или 7,7%
О2 0,0292 » » 5,6%
N2 0,0007-f 0,3892 - 0,3899 » » 74,9%
О., 0,0003 » » 0,1%
Итого . . .0,4598 кг-моль 100,0
%
Отсюда подсчитываем действительную температуру горения
угля (теплосодержание газов берем из табл. 16).
Принимаем t= 1500° С. Тогда теплота продуктов сгорания
составит:
Q' =c 1S78S • 0,0508 f 14738 • 0,0104 |- 12178 • 0,0292 -\-
--}¦- 11602 • 0,3899 |- 19000 • 0,0003 - 6G19 ккал (Q' ;>Q).
Принимаем t= 1-100° С. При этом имеем:
Q" == 17363 • O.0J03 f 13,58) • 0,0 Ю1 f 11303 • 0,0232 Н
+ 10761 • 0,3899 f 17607 • 0,0003 - 6132 ккал (Q" < Q).
Определяем разности теплосодержания и температур про-
продуктов горения:
Q' _ Q" = 6619 — 6132 = 487 ккал,
Д/г--- 1500— 1400= 10)°С,
Q — Q" ---= 6427 — 6132 = 295 ккал,
Отсюда
д 295_100__61ОС
487
@ С. Д. Бесков 145

или
/ = 1400 + 61 =- 1461 °C (— 1460°С).
Пример 12. При окислении аммиака после конвертора ни-
трозные газы имели следующий состав (в объемн. %): 9,0% NO,
7,0% О2, 70,0% N2, 14,0% Н2О. Подсчитать, какую температуру
имеют эти газы после реакции окисления NH3, если последняя
идет по уравнению *
4NH3 + 5О2 + 5 • 3,76N2 = 4NO + 6Н2О + 18,8N2 + 216700 ка >
и если поступающая в систему аммиачно-воздушная смесь
имеет температуру 0°С.
Решение. Для газов объемные проценты означают собой
также и молекулярные проценты. Следовательно, если принять,
что из конвертора выходит 100 г-моль нитрозных газов, то в них
будет содержаться 9 г-моль NO, 0,7 г-моль О2, 70 г-моль N2,
14 г-моль Н2О. Из условий задачи и из реакции окисления NH3
видно, что: а) окись азота NO получается только в результате
реакции окисления; б) на каждые 4 г-моль NO выделяется
216700 кал тепла. Следовательно, на каждые 9 г-моль NO вы-
выделится тепла:
r> 21G700 9 .,.,.,.„
Q -__ .- 487600 кал.
Подсчитаем температуру газов (состав их дан ьыше):
t = Q
Теплосодержание их при 600° С (см. табл. 16) равно:
NO 9 ¦ 4 432 st 39900 кал
О, 7 ¦ 4 535 31700 »
N, 70 • 4 331 303000 »
М.,О . . . .14 • 5 189 72700 »
И того Q' .^ 447300 кал (на 100 г-моль газов)
Из этого подсчета видно, что Q' < Q.
* В этом уравнении следовало бы учесть и избыток воздуха (против
теоретического), гак как в нигрозных газах остается не вступивший в реак-
реакцию кислород (см. условия задачи). Однако для дальнейших расчетов эгс>
роли не играет, так как состав газов дан уже в условиях задачи.
не

При температуре, равной 700° С, теплосодержание их со-
составит:
N0 ..... 9 • 5225 47000 кал
О2 . . . . 7 • 5349 37400 »
N2 70-5100 357000 »
Н.,0 . . . . 14 • 6152 86200 »
Итого Q" л 527600 кал (на 100 г-моль газов)
Из этого подсчета видно, что Q">Q.
Определяем разности теплосодержаний и температур про-
продуктов сгорания:
700 — 600 = 100; 527600 — 447300 = 80300 кал,
t ~ 600 = Д t\ 487600 — 447300 = 40300 кал.
Отсюда искомая температура газов составляет:
А/ '"" ' 4ОЗО~ = 50°С, или / = 600 + 50 = 650°С.
80300
Пример 13. Определить теплоту, выделяющуюся при
нзрыве 1 кг гремучей ртути и температуру взрыва:
Нц (UNO)., = 1 i'g -I- 2CO -! No.
Решение. Термохимическое уравнение разложения грему-
гремучей ртутп имеет вид:
Hg ((NO),, = Hg + 2СО + N2 + 89300 (при 20°С).
Молекулярный на- гремучей ртути 284,0; следовательно-,
теплота взрыва се:
,ЧгП'к 1
—__ --314/скау?//сг(при 20°С).
2d4,U
Как известно, взрыв совершается мгновенно. Поэтому тепло-
тепловой эффект подобных реакций следует подсчитывать при по-
постоянном объеме (q ), т. е. учитывать при этом работу расши-
расширения газа, которая при постоянном давлении его затрачи-
затрачивается системой:
% = % rj3 (У2 - 1/,) - ЯР + (*'* - 2*
где Р —давление при взрыве;
у2 — объем получающихся газов при взрыве, при темпе-
температуре взрыва;
Vi объем газообразных продуктов до взрыва;
10* М7

R — газовая постоянная A,985 кал/г-моль); без особо гру-
грубой ошибки принимаем R равным 2 кал/г-моль;
Xv2 — сумма молекул газообразных продуктов взрыва, ко-
которая в данном случае равна 1+2 + 2 = 4*;
i.v, — то же до взрыва, равная в нашем случае нулю.
Подставляя эти данные в уравнение для qv, получим:
qu = 89300 + 87 =¦-¦-- 91500 + 8/.
Для определения температуры взрыва применим метод ре-
решения, указанный в предыдущем примере.
Примем /макс = 4000° С. Тогда средние молекулярные теп-
теплоемкости при постоянном объеме СО и NO равны Ь,6 (см.
табл 11) и паров ргути 5,0 (точнее 4,98, см. табл. 9). Но ртуть
в парообразное состояние переходит при / = 357°С.
Теплота парообразования ртути ** 68,7 кал/г, или
13780 кал/г-атом.
Примем среднюю удельную теплоемкость жидкой ртути
равной 0,035 ккал/г***,' иш 0,035-200,6 = 7,0 кал/г-атом.
Таким образом, теплосодержание продуктов горения соста-
составит (при 4000°С):
а) теплота нагревания 1 г-атом жидкой ртути до темпера-
температуры ее кипения ****
Hg---- 7,0 • 357=- 2500 кал;
б) теплота перехода 1 г-атом ртути в парообразное состоя-
состояние
'„с. ¦= 68-7 ¦ 20°.6 = 13780 кал;
в) теплота нагревания 2 г-моль окиси углерода
<7со = 6-6 ¦ 400 0,2- 52800кал;
г) теплота нагревания I г-моль азота
</Ni = 6,6 ¦ 4000 -- 26400 кал;
д) теплота нагревания 1 г-моль паров ртути (от 357 до
4000° С)
<7'Нг 5,0 D000 —357)= 18220 кал.
* Так как температура взрыва всегда бывает порядка 3000—4000° С, то
ртуть при этом буд.'т находи'ься и газообразном состоянии Поэтому число
молекул pi у и тоже должно входить в 2v2
** В нарах ртуть как и век меiаллы. одноатомна
*** Можно теплоемкость ртути (с) подсчитать более точно путем nine-
грирования уравнения мстиином удельной геп^оемкоои (см габл. 13). Одна-
Однако тепло 1 а жидкой ртути а общем тепловом балансе сос1ав;|яет незначитель-
незначительную величину. Поэтому бел особо грубой ошибки с для ртути можно при-
принять ранной 0.035
**** В дальнейшем при подсчетах делаем некоторое округление цифр.
148

Всего Q' = 113700 кал.
Делаем оценку qv (см. выше):
qv = 91500 + 8/ = 91500 + 8 ¦ 4000 = 123500 кал.
Таким образом, qv~>Q', т. с. температуру 4000°С мы взяли
слишком низкой. Примем ее равной 5000°С. Тогда теплоем-
теплоемкости окиси углерода и азота равны 7,1 ккал/кг-моль (см.
табл. 11), ртути 2,08 кал1г-моль.
Теплосодержание продуктов горения будет равно:
а) теплота нагревания 1 г-моль жидкой ртути (до 357°С)
G,0-357) =2500 кал;
б) теплота перехода ее в парообразное состояние 13780 кал;
в) теплота нагревания 2 г-моль СО и 1 г-моль Nq
C-7,1 -5000) = 106500 кал;
г) теплота нагревания 1 г-моль паров ртути (от 357 до
5000° С) 5,0E000—357) =23220 кал.
Всего Q"= 146000 кал.
Подсчитываем истинную температуру взрыва:
Д/' = 5000 —4000 соответствует 146000— 113700 = 32300 кал;
Д/"=/_4000= Aqv; 1(91500 + 8/)— 113700] = —22200 + 8/.
Отсюда
At"=t — 4000 = (-22120+8/I000 = -22200 + 8/
32320 32,3
ИЛИ
32,3 (/ — 4000) = — 22200 + 8?
t l07Q2Q
24,3
Отсюда теоретическая теплота взрыва гремучей ртути составит:
qv = 91500 + 8 • 4400 = 126730 кал/г-моль
или
= 446 ккал на 1 кг гремучей ртути.
284
ЗАДАЧИ
1. 20 л3 воздуха сжимают адиабатически до 8,1 ата. Оиредрлить: а) объем;
б) температуру его после сжатия; в) работу изменения объема, если темпе-
температура воздуха до сжатия 20°С и давление 68-1 мм рт. ст.
Ответ, а) 4,21 м3; б) 283е С; в) 392800 кГм
2. Машина работает на сжатом воздухе, имеюшем давление 3 ата.
я) Подсштать, на сколько понизится температура воздуха в цилиндре ма-
14?

шины, если первоначальная температура его 25° С и расширение его проис-
происходит до 1 ата. Принять при этом, что процесс расширения идет строго п;)
закону адиабаты, б) Определить работу сжатия 1 кг воздуха.
Ответ, а) до —55° С; б) —5875 кГм.
3. Пары бензина с воздухом самовоспламеняются при 550° С. До какого
давления требуется их сжать (адиабатически) для самовоспламенения, если
начальная температура их 110° С, давление 760 мм рт. ст. и сжатие протекает
во политропическому закону с показателем политропы «1=1,35.
Ответ. 19,1 ата.
4. Горючее в двигателе внутреннего сгорания самовоспламеняется (в сме
си с воздухом) при температуре 650° С. Подсчитать: а) до какого давления
нужно сжать воздух, чтобы достигнуть указанном температуры; б) какая
работа должна быть затрачена на сжатие 1 кг воздуха, если давление воз-
воздуха перед сжатием 0,9 ата, температура его 100° С и сжатие является по-
лнтропическнм: Р V '¦ '!= const.
Ответ, а) 45,5 ата; б) —40400 кГм.
5. Адиабатически сжимают 30 кг углекислого газа с 1 до 7 ата. Опре-
Определить: а) работу сжатия; С) конечную температуру СОг, если первоначаль-
первоначальная температура 15° С Принять и для СО2 равной 1,28.
Ответ а) —315300 кГм; б) —167° С;
6. Требуется сжать 80 м3 воздуха при постоянной температуре 20° С до
8,1 ата. Первоначальное давление его 684 мм рт. ст. Подсчитать: а) каков
йудет объем воздуха после сжатия: б) какова работа сжатия; в) сколько
потребуется воды на охлаждение воздуха во время сжатия, если температура
•гро при впуске 15° С и на выходе 26° С.
Ответ, а) 8,89 ж3; б) —1582000 кГм; в) 0,337 т.
7. 40 кг кислорода при 1(J aia расширяются до 5,5-кратного объема при
«постоянной температуре 20° С. Подсчитать: а) конечное давление воздуха;
б) количество подводимого тепла; в) работу расширения.
Ответ, а) 1,82 ата; б) 124 ккал; в) 52800 кГм.
8. До какого давления нужно изотермически сжать 10 м3 воздуха, чтобы
у него отнять 750 ккал тепла, если начальная температура его 20°С и дав-
давление равно 760 мм рт. ст.
Ответ. 22,4 ата.
9. Сжатие воздуха идет по закону PV* = const от 1 до 6,5 ата. Под-
Подсчитать конечные: а) температуру; б) объем воздуха; в) работу сжатия,
если первоначальный объем воздуха 15 м3 и температура 17° С.
Ответ а) 123° С; б) 3,15 ju;i; в) —274500 кГм
10. Воздух,. сжатый до 50 ата, расширяется в цилиндре расширительной
машины до давления 5 ата. Подсчитать: а) температуру ьоздуха после рас-
расширения, если до расширения она была 12°С; б) какую температуру примет
воздух, если расширение ему дать не в расширительной машине, а через
дроссельный клапан.
Ответ, а) - 128е С, 6) 1°С — по энтропийной диаграмме, 0,5° С — по
эмпирической формуле.
11. Расширительная машина (детандер) работает на сжатом воздухе,
имеющем давление 36 ата и температуру 22°С. Количество подаваемого воз-
воздуха 725 кг/час; давление его на выходе из машины 3 ата. Подсчитать:
в) температуру воздуха на выходе; б) мощность, развиваемую машиной,
если к. п. д. ее равен 0,7.
Ответ, а) — 129° С; С) 21,26 кит.
12. Воздух находится в баллоне под давлением 120 ата; температурл
¦ то 17° С. Из баллона воздух быстро выпускают в атмосферу, т е. он адиа-
адиабатически расширяется (без отдачи внешней работы) до давления 1 ата. Ка-
Какую температуру примет воздух на выходе из баллона?
Ответ. —9° С (полечет по Т—S-диаграмче 16)
,150

1с. Определить мощность мотора, работающего на компрессоре, который
сжимает 30 кг кислорода и 1 час от 1 до 9 ата, если: а) сжатие газа идет
по уравнению Р V[ i2= const; б) к. п д. передачи or мотора к компрессору
равен 0,6; в) температура поступающего в компрессор кислорода 15° С. При
подсчете принять запас мощности мотора равным 16%.
Ответ. 3,2 кет.
14 Двигатель, работающий сжатым воздухом, имеющим давление 6 ата,
должен развивать 1,472 кет. Процесс, протекающий и цилиндре двигателя,
идет го закону PV =-- const; к. п. д. двигателя равен 0.8. Сколько воздуха
в 1 час должно быть введено в цилиндр двигателя и при какой температуре
он будет быходить из цилиндра, если температура воздуха при подаче его
к двигателю равна 15° С.
Ответ. V = 7,02 м3/час; t = —60° С.
15 Двигатель в 2,2 кет работает сжатым воздухом, имеющим давление
5 ата и t= 15°С. Работа расширения совершается по закону PV" = const.
По выходе из цилиндра двигателя температура воздуха —'5°С; давление
760 мм рт. ст. Определить показатель m и часовой расход воздуха двигателем.
Ответ, m = 1,19; V = 11,5 м3/час.
16. Двигатель в 40 л. с. расходует 10 кг бензина в 1 час, теплотворная
способность которого 11000 ккал/кг. Определить к. п. д. двигателя.
Ответ. 0,23.
17. В компрессор поступает 150 м3/мин воздуха при 20'С, где он сжи-
сжимается с 1 до 8 ата. Вычислить расход энергии, если сжатие идет по адиа-
адиабатическому закону ЯК1 А = const.
Ответ 732 кет.
18. Компрессор засасывает 150 м3 в 1 чис аммиака при температуре
—10°С и давлении 2,92 ата, сжимая его до 11 ата. Подсчитать, какова долж-
должна быть минимальная (без запаса мощности) мощность мотора, работающего
на компрессор, если для аммиака х = 1.28, к. п. д передачи от мотора к ком-
компрессору равен 0,42 м3/кг.
Ответ. 24,0 кет.
19. Подсчитать мощность мотора, работающего на компрессоре, который
сжимает 10 я3 углекислого газа в 1 час до 70 ата. Температура СО2 перед
сжатием —15° С, а давление 23,5 ата; ¦/. для СО2 1,28; удельный объем СО2
0,0167 м3/кг; к. п. д. передачи 0,75 и запас мощности мотора 15%.
Ответ. 12,5 кет.
20. Компрессор сжимает адиабатически 35 м3 СО2 в 1 час при —10° С
с 27,4 до 60 ата. Удельный объем СО2 0.0142 м31кг. Пользуясь энтропийной
диаграммой (см. диаграмма 15), подсчитать работу сжатия.
Ответ. 17,7 кет.
21. Сколько потребуется тепла для нагревания 20 кг водорода от 100
до 600° С?
Ответ. 35170 ккал.
22. Сколько потребуется тепла для нагревания 200 м3 воздуха от 20
до 440° С?
Ответ. 27200 ккал.
23. Сколько выделится тепла при охлаждении 112 м3 газа состава:
5О«/оН2, 16"/о N2, 4% СО и 30% СО2 от 400 до 200° С?
Ответ. 8230 ккал.
24. Через холодильник проходит 448 м3 воздуха в 1 час, охлаждаясь в
нем от 150 до 17°С. Определить суточный расход водь,1 на охлаждение, если
температура ее при входе в холодильник 6° С, температура при выходе 30°С
Ответ. 17270 кг.
25. Подсчитать: а) расход воды; б) конечный объем воздуха при выходе
из компрессора, работающего, как указано на схеме (рис. 15), если сжатие
вдет: в 1-й ступени до 3,5 ата, во 2-й—до 12 ата, в 3-й — до 45 ата; в) он-
151

ределить также мощность мотора, работающего на компрессор, если к. п, л.
передачи равен 0.85 и запас мощности его 10%.
Ответ, а) 118,9 т в сутки; б) 15.11 х3/'шс; в) 101.9 кет.
26 Подсчитать теплосодержание 20 м3 генераторного газа при 1UUU и.
если состав его: 3,8% Н , 33.8% СО, 56,5% N2, 4,8% СО и 1,1% Н2О.
Ответ. 6900 ккал (подсчет по табл. 16).
воздуха
Soda; t'
Boda;t~28°C
Рис. 15. Схема работы компрессора (к задаче 25)
27. При какой температуре конденсируется воздух, находящийся под дав-
давлением: а) 5; б) 20: в! 30 ата (см. анаграмму 15)?
Ответ, а) —174° С; б) —153° С; в) —145° С.
28. При каких температурах кипит жидкий воздух, имеющий: а) давление
2 ата, б) 10 ата?
Ответ а) —186° С; б) —166° С.
29. При каких температурах кипит жидкий углекислый газ, находящий-
находящийся под давлением: а) 10 ата; б) 20 ата; в) 40 ата, г) 70 ата (см. диаграм-
диаграмму 15).
Ответ, я) -40,5° С; б) -20,7° С; в) +5,0° С; г) +28° С.
30 Сколько требуется холода для охлаждения 4 кг воздуха, находяще-
находящегося под давлением 6 ата от +20° до —120° С?
Ответ. —139 ккал.
31. Сколько требуется холода на 1 х3 (приведенный к 0° С и 760 мч
рт. ст.) воздуха, чтобы привести его в жидкое состояние под давлением
20 ата? Первоначальная температура воздуха 27° С.
Ответ. —103 ккал.
32. У 10 кг воздуха, находящегося под давлением 30 ата и при темпе-
температуре 32° С, отнято 640 ккал тепла. Определить конечное состояние иоздуха
Для определении пользоваться Т — 5-диаграммой (см. диаграмму 16).
Ответ. / = —146°С; около 50% воздуха перешло в жидкое состояние.
33. 5 кг углекислого газа, имеющего температуру 20° С и давление S0 ата,
проходит через холодильник, где у него отнимается 208 ккал тепла за счет
жидкого воздуха, поступающего с температурой 118,5° К и выходящего при
этом же давлении с температурой —79° С. Пользуясь Т — S-диаграммамн 15
152

и 16 определить расход во.чдуха на охлаждение указанного количества СО2
и состояние последней после холодильника
Ответ. 3,96 кг воздуха; температура СО2 равна —6°С; перешло в жид-
жидкость 51% СО2.
'•'А. Воздух находится под давлением 200 ата и имеет температуру
-905° С До какого давления он должен быть дросселирован, чтобы принять
температуру конденсации?
О т в е т. До 25 ата.
.45 Воздух, имеющий давление 60 ата и температуру —10° С, охлаждаетсч
в холодильнике, где отдает 43,1 ккал/кг тепла. Затем воздух проходит дрос-
дроссельный клапан, в котором давление его снижается до .с ата Определить:
г) температуру воздуха после холодильника; б) состояние его после дрос-
дроссельного клапана
Ответ, а) —133° С; б) температура —175° С; перейдет в жидкость около
37,5% воздуха.
36 I м3 воздуха, имеющего давление 6 ата и t = 20° С, расширяется до
5 ж3, причем температура его падает до —60° С. Определить конечное давле-
давление воздуха.
Ответ. 661 мм рт. ст.
37. Воздух в автоклаве нагревается (при постоянном объеме) от 15 цо
150° С. Определить: а) давление, которое будет показывать манометр на лвто
клавс; б) затрату тепла на нагревание, если первоначальное давление воз-
воздуха I ата и количество его 1 кг.
Ответ, а) 1,5 ата; б) 3,1 ккал.
38. 1 кг вочдуха нагревают при постоянном давлении (Р=\ ата) от
15 до 150° С. Определить: а) объем воздуха после нагревания; б) количество
поднодимой к нему теплоты.
Ответ, а) 1240 л; б) 32,54 ккал/кг.
39. Воздух с температурой 10° С расширяется адиабатически (в двига-
двигателе) от 6 до 1 ата. Определить конечную температуру воздуха.
0 т в е т. —97° С.
40 О,Г) .и3 воздуха, сжатого до 5 ата, смешано с 2 ж3 воздуха при нор^
малыши давлении. Как велико: а) давление; б) температура смеси, если
температура сжатого воздуха 40° С, а до сжатия 10° С?
Ответ, а) 1,82 ата; б) счэ26°С.
41. Двигатель работает на бензине, причем рабочая смесь составляется
т?к, что па 1 кг бензина приходится 15 м3 воздуха (при 25° С и 750 мм рт ст.).
Найти: а) объемную теплоемкость рабочей смеси; б) показатель политропы
смеси для бензина:
х= 1,08, а 67^=0,33 ккал/кг
Ответ, а) 0,33 ккал/см3 (отнесено к 0°С и 760 ми рт. ст.); б) у. = 1,28.
42. Подсчитать среднюю теплоемкость азотно-водородной смеси состав.ч
ЗН2 + N2 при 500° С. _
Ответ. Удельная теплоемкость Ср = 0,83 кал/г, объемная Сос =
= 0,317 ккал/м3.
43. Подсчитать удельную теплоемкость шлака, состав которого: 35% SiOo,
20% AI2O3 и 45% FeO.
01 нет 0,183 ккал/кг (подсчет по формуле 63, теплоемкости составных
частей шлака см. табл. 13).
44 Магнитная окись железа Fe3O4 восстанавливается до металлического
железа при помощи: а) водорода, б) окиси углерода. Найти теплоту вос-
восстановления.
Ответ, а) 204 ккал на 1 кг железа; б) 662 ккал на 1 кг железа.
45. Подсчитать тепловой эффект разложения натриевой селитры кон-
концентрированной серной кислотой, если разложение идет до образования гвер-
153

дого бисульфата, a HNO3 получается в газообразном состоянии. Уравнение
реакции:
NaNO3 4- H2SO4 = NaHSO4 f- HNO3.
Ответ. —2300 ккал/кг-моль.
46. Сколько выделится (или нужно затратить) теила па 1 кг HNO3 (н
ииде газа) при получении ее из селитры, если при этом 80% последней раз-
разлагается до бисульфата и 20% ДО сульфата натрия?
Ответ. —59,4 ккал/кг на 1 кг.
47. Каков тепловой эффект реакции получения литопона (в растворе).
ZnLl, г Na,SO4 -i BaS - ZnS --J-- BaSO4 ¦!- 2\'аС1.
Ответ. 16800 кал/г-моль.
48. Подсчитать тепловой эффект следующих реакции:
a) ZnSO4 + СаС12 = ZnCl2 -f CaSO4 (в растворе);
б) К2Сг„О7 + S= Сг2О:| -|- K2SO4 (при прокаливании);
в) NaCl + NH3 + CO2 + Н2О - NH4Cl + NaHCO3 (реакция
протекает в растворе; NH3 и СО2—газы);
г) Са (ОН), + 2NH4C1 = CaCl2 + 2NH;i + 2Н,0 (в растворе).
Ответ, а) —41,8 ккал на 1 кг ZnCl2; б) 411200 кал; в) 106000 кал;
г) 1260 кал.
¦19. Сколько выделится тепла при сгорании 1 кг химически чистой цин-
цинковой обманки, если сгорание идет при температуре 800°С?
Примечание 1. Принять температурную зависимость теплоемкости
ZnS и ZnO одинаковой.
2. Реакция протекает по уравнению ZnS+ l,5O2 = S
Ответ. 1143 ккал/кг.
50. Сколько требуется затратить тепла для получения 1 м3 водорода (при-
(приведенного к 0° С и 760 мм рт. ст.) из метана крекингом, если реакция про-
протекает при 1227°С (СН4 = С + 2Н2).
Ответ. 556 ккал.
51. Пользуясь для КОН|В. и КС1 тв. значениями теплоты образования из
элементов (см. табл. 17), а для СНяС1ЖИдк. и СН3ОНЖидк. теплотами
сгорания (см. табл. 18), подсчитать теплоту реакции
СН:,С1 + КОН = СН,ОН + КО.
Ответ. 24700 ккал.
52. Вычислить теплоту дегидратации 1 моля этилового спирта до аце-
гальдегида, пользуясь значениями энергии связи атомов в молекулах
-О
СН3 —СН..ОН и СН,С(
Ответ. —3065 кал/моль.
53. Углекислый аммоний получается пропусканием углекислого газа и
аммиачную воду Сколько при этом выделится тепла на I кг (NH4hCO3?
Ответ. 870 ккал.
54. Какова разница в энергии: а) между 1 г-моль воды при 100° С в
1 г-моль водяного пара при той же температуре; б) между водой и льдом
154

¦ фи 0° С, если теплота испарения воды 536 кал/г, я теплота плавления льдл
?0 кал/г?
Ответ, а) 9640 кал\ б) 1440 кал!моль.
55. Сколько требуется затратитЕ, тепла из 100 м3 метана (приведенных
к 0° С и 760 мм рт. ст.) при его конверсии с водяным паром до окиси угле-
углерода, если процесс идет при температуре 900°С?
О т в е т. 230800 ккал.
56. Подсчитать тепловой эффект реакции горения угля с паровоздушной
смесью, если последняя состоит из 1 объема водяного пара и 2 объемов воз-
духи [1.42С + Н2О + 2@,2Ю2 + O,79N2) = 1.42СО + Н2 + 1,58N2].
О т в е т. —15550 ккал/кг-моль.
57. Подсчитать расход тепла па 100 ж3 водорода (приведенных к 0° С и
760 мм рт. ст.) при конверсии метана углекислым газом при температуре
1000° С (СН< + СО2 = 2СО + 2Н2).
О т в ет. 138500 ккал.
58. В 40-процентную азотную кислоту при 13° С пропускают газообраз-
газообразный аммиак до полного прекращения реакции между NH3 и HNO3. Подсчи-
Подсчитать: а) концентрацию; б) температуру раствора по окончании реакции, если
теплоемкость твердого NH4NO3 равна 0,4 кал/г и теплопотери в окружаю-
окружающую среду составляет 20%.
Ответ, а) 45.8% NH4NO3; б) 155° С (во время процесса раствор заки-
закипит н вода из него будет непарятьел *, поэтому фактическая температура
'"удет ниже).
59. При образовании 1 кг мочевины из жидких СО2 и NH3 подсчитать:
а) теоретические расходные коэффициенты по двуокиси углерода и аммиаку;
б) тепловой эффект образования 1 кг мочевины.
Ответ, а) 0.567 вес. частей NH3 и 0,733 вес. частей СО2; б) 790 ккал.
60. Каков будет тепловой эффект при получении твердого нитрата аммо-
аммония NH4NO3 из газообразного аммиака и разбавленной азотной кислоты.
Ответ. 349 ккал на 1 кг NH4NO3.
61. В 67-процентную азотную кислоту пропускают газообразный аммиак,
причем образуется нитрат аммония. Достаточно ли будет теплоты реакции,
чтобы испарить всю имеющуюся в реакционном аппарате воду, т. е. чтобы
получить твердый NH4NO3. При этом принять, что вся теплота реакции рас-
расходуется на испарение НгО.
Ответ. Да; около 65% тепла, выделяющегося при взаимодействии
HNO3 и NH3, достаточно для испарения всей воды, поступающей с 67-про-
центиой азотной кислотой.
62. Смешивают 100 г 50-процентного и 75 г 95-процентного растворов
серной кислоты. Подсчитать количество выделившегося при ^ом тепла.
Ответ. 4850 ккал.
63. Тепловой эффект образования разбавленного раствора соляной кис-
кислоты из элементов и воды равен 39315 кал/г-моль. Теплота образования без-
безводного хлористого алюминия равна 160980 кал/г-моль. Подсчитать течлоту
растворения А1С13, если теплота растворения 1 г-атома алюминия в разбав-
разбавленной соляной кислоте равна 119 800 кал.
Ответ. 76 850 ккал.
64. Теплота образования А1(ОНK из элементов равна 969 090 кал, а со-
соляной кислоты 68 360 кал. Подсчитать теплоту нейтрализации гидрата окиси
алюминия соляной кислотой.
Ответ. 55 920 кал.
65. Концентрированную серную кислоту разбавляют водой до содержа-
содержания в ней H2SO4: a) 5%; б) 20%. Какова будет температура раствора после
* При получении нитрата аммония происходит одновременно и упарива-
упаривание раствора. Здесь можно подсчитать, достаточно ли теплоты реакции для
отачивания насухо.
155

разбавления, если первоначальная температура кислоты равна 90° С. Под-
:чет произвести на основянии теплот образования моногидрата и разбавлен-
разбавленной (растворенной) H2SO4, приняв концентрированную H2SO4 за моногидрат.
Ответ, а) 29,7° С; б) 64.1° С.
66. Подсчитать дифференциальную теплоту растворения H2SO4 в 30-про-
центпом растворе серной кислоты.
Ответ 321 кал/моль.
67.Подсчитать интегральную теплоту растворения: а) 1 моля HNO3 в
1 л воды; б) 100 г HNO3 в 100 г воды; в) подсчитать также дифференциаль-
дифференциальную теплоту растворения 1 ноля HNO3 в готовом растворе азотной кислоты,
содержащем 2 моля HNO3 на 16,52 моль Н2О.
Ответ, а) 8700 кал; б) 10850 ккал/кг-моль; в) 155,2 кал.
68 Насколько повысится температура 30-процентного раствора аммиач-
аммиачной воды, если к 400 г его прилит!. 50 г 20 процентного риствора HCI? Пер-
Первоначальная температура растворов 12° С, теплоемкость полученного раство-
раствора 0.72 кГ/г (NH4OH + HC;=NH4CI-fH2O)
Ответ. 68° С.
69. В 5 л воды пропущено 170 л газообразного НС1 (приведенных к нор-
нормальным условиям). Подсчитать: а) концентрацию; б) температуру получен-
полученного раствора Н(. если температура воды 15° С.
Ответ, а) 5,25% HCI; б) 41° С.
70 Подсчитать теплотворную способность Q% углей следующих соста-
составов: а) 72% С, 1,5% Н2, 1.4% О2, 8% влаги, 1,1% S, 16% золы; б) 74% С,
2% Н2, 1.3% О2. 1% S, 5% влаги, 16 7% золы.
Ответ, а) 5900 ккал/кг; б) 6060 ккал/кг.
71. Определить теоретическую температуру горения серы в кислороде.
Ответ. 4190° С.
72 Определить теоретическую температуру горения серного колчедана
A00% FeS2) в воздухе при избытке последнего в 30%. Сгорание протекает
по уравнению
4FeS2+ 110, + 3,76 ¦ 11N2 + 0,3A Ю2 +3,76 • 11 Na) -==
= 2Fe2O, + 8SO2 + 52.47N., + 3,ЗО2.
Ответ. 1480° С (без учета теплосодержания Fe2O3).
73. Какая может развиться температура при образовании сернистого
железа FeS из серы и железа, если принять среднюю удельную теплоемкость
FeS равной 0,125 ккал/кг и если исходные вещества предварительно нагреты
до 150° С?
Ответ. 2250° С.
74. Подсчитать максимальную температуру горения фосфора в атмосфере
хлора по уравнению
2Р + ЗС1., = 2PJ3,
если средняя теплоемкость РС13 равна 0,2 кал/г и смесь хлора и фосфора
взята в стехиометрическом соотношении.
Ответ. 2480° С.
75. Определить: а) максимальную температуру горения хлопка в возду-
воздухе; б) сколько при этом выделится тепла на 1 кг хлопка. Сгорание протекав!
по следующей схеме:
С24Н4о020 + 24О2 -|- 90,24N2 = 24СОа + 20Н2О + 90,24N2.
Ответ, а) 1986° С; б) 4120 ккал.
156

76. Подсчитать теоретическую температуру взрыва, протекающего по
уравнениям, для:
а) тротила
СНЯ - CeH2 (NOJ3 = 1,5N.2 + 6СО + 2,5Н2 + С;
б) пироксилина
C,4H,eNuO42 = 15CO + 9СОа + 9Н.2О + 5,5Н2 + 5,5N2;
я) черного пороха
2KNO:1 f ЗС + S --= K,S -f 3C.O, -f N2.
Примечание. Теплоемкость K2S при подсчете принять независимой
от повышения температуры (см. табл 14).
Ответ, а) -3000° С; б) выше 3000° С; в) -3500° С.
77. Подсчитать температуру взрыва пикриновой кислоты 2СбН2(МО2)зОН,
если теплота ее образования из элементов при эгой температуре равна
50 200 кал\ш)ль.
Ответ. 3140° С.
78. Определить теплоту образования Са(ОНJ из СаО и Н2О, если теп-
теплота растворения СаО равна 18 350 кал/г-моль, а теплота расширения
Са(ОНJ 2800 кал/моль.
Отпет 15 550 кил/моль.
79. Сколько необходимо затратить тепла для превращения металлическо-
металлического шшка, находящеюся при 0е С, в парообразное состояние при 1000° С и
Р—\ а г а? Все тепловые данные взять из табл. 13, 14 и 16; теплоемкость па-
паров металлов как одноатомных газов принять равной 5,0 (точнее 4,98) (см.
табл. 6).
О т в е т. 590 кал/г.
);(|. Металлический марганец получают восстановлением марганцевом ру-
руды (пиролюзита) углеродом (МпО2 + 2С = Мп + 2СО). В электрическую печь
загружено 10 кг МпО2 И и кокса (аморфного углерода). По восстановлении
МпО2 анализом установлено, что в конечном продукте содержится 4,4 кг ме-
металлическою марганца и 2,2 кг МпО. Найти общий тепловой эффект этого
процесса (при стандартных условиях), т. е. сколько требуется тепла для
восстановления МпО2 при заданных условиях.
Ответ; 5165 5 ккил, или, что то же: I 15МпО2 + 334С = 80Мп + 31МпО +
+ 4MnO2+191CO+143C—5I65500 (при 20° С).

Глава V
НАПРАВЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики, устанавливая эквивалентность
тепловой энергии и работы, дает количественную характеристику
этого процесса. Направленность процесса, а следовательно, к
действительную возможность реализации его раскрывает второй
закон термодинамики: теплота не может самопроиз-
самопроизвольно, т. е. без внешних в о з д е Г: с т в и й, перех <;-
дить от менее нагретого тела к более наг ре
т о м у. Таким образом, согласно этому закону теиловая энер-
энергия любого тела может совершать работу только ири условии
понижения температуры этого тела.
Для отдельных частных и конкретных случаев формулировка
второго закона термодинамики принимает несколько иной вид.
Так, например, в применении к тепловым двигателям этот закон
гласит; невозможна никакая периодически действующая машина,
которая бы беспредельно совершала работу за счет отнятия теп-
теплоты от одного и того же источника тепла без пополнения его
тепловой энергией.
В приложении к химическим процессам второй закон термо-
термодинамики может быть сформулирован следующим образом: в
изолированной системе всякое химическое взаимодействие между
158

веществами протекает только в том направлении, при котором1
система совершает («отдает») работу или, что то же, когда в
системе происходит уменьшение свободной энергии (F), т.е. той
части энергии, которая способна совершать
работу.
Второй закон термодинамики имеет следующее математиче-
математическое выражение:
-J*-=S- = bS 179)
dT T
или при бесконечно малом приращении теплоты
== dS— для обратимых процессов G9а)
r-<dS—для необратимых процессов, G96)
Т
где S — энтропия системы;
Q — теплота, сообщенная системе;
А — работа, совершенная системой.
Из уравнений G9) — G96) и E3) следует:
~с d A
1) dS = —приращение энтропии определяет собой
степень превращения теплоты в работу,
2) —— < dS — для необратимых процессов изменение эн-
энтропии показывает степень их необратимости;
3) Л = — • AT — если нет разности температур
(AT = 0), то при помощи периодически действующего двигателя
превращение теплоты в работу невозможно
(А = 0);
4) =¦¦¦ = г) -— чем больше разность температур Л7
системы, тем больше коэффициент превращения теплоты в ра-
работу, или, что то же, тем больше коэффициент полезного дей-
действия т] тепловой машины, работающей в пределах этих темпе-
температур AT";
5) dS = для обратимых процессов и -—< dS —
для необратимых процессов. Это означает, что при обратимых
процессах (например, реакциях, идущих до конца) теплота, за-
затраченная на систему или выделенная системой, будет произ-
производить максимальную работу ДМякс. Следовательно, изменение
свободной энергии системы AF при обратимых процессах как
159

энергии, способной производить работу, по своему числен-
численному значению равно величине максимальной работы, взятой
с обратным знаком, т. е.
В процессах, идущих при постоянном объеме, Fv называют
термодинамическим потенциалом при постоян-
постоянном объем е, или и з о х о р н ы м потен ц и а л о м, или
же просто свободной энергией. Если же процессы проте-
протекают при постоянном давлении, то F р носит название термо-
термодинамического потенциала при постоянном
давлении, или изобарного потенциала; часто F„
называют также свободной энергией. В связи с тем, что любой
рассматриваемый процесс всегда определен внешними условия-
условиями (Р = const или V = const), то в практике расчетов нет необ-
необходимости в обозначениях F v и F/t . Поэтому примем AF как
единое обозначение изменения свободной энергии системы, имея
при этом в виду, что если рассматриваемый процесс протекает
при постоянном объеме, то, естественно, что и значение AF сле-
следует понимать как (AF)V, если же при данном процессе Р =
= const, то AF в этом случае обозначают (AF)/r
Исходя из определения понятий (AF)V и {AF)p, между их
значениями можно установить следующую зависимость:
(AF)L,^(AF)p-PAV. (81)
Рассмотрение термодинамических законов показывает, что
если газовые законы дают характеристику состояния газовом
системы только на основании ее внешних факторов (Р,
V и Т), то первый и второй законы термодинамики характери-
характеризуют состояние любой системы изменением ее внутренних
ф акторов (AU, А, Д/, AS, AF), которые дают не только ко-
количественные соотношения термодинамических закономерностей,
пропекающих в системе процессов, но указывают также на их
направленность (см. ниже «Свободная энергия»). В соответствии
с первым и вторым законами термодинамики, для любой систе-
системы при обратимых процессах имеют место следующие соотно-
соотношения между различными видами энергии и переходом ее в ра-
работу.
В случае химических реакций (тепловой эффект равен q)
уравнения C5) и G9), выражающие первый и второй законы
термодинамики, примут следующий вид:
(IT Т
160

Сочетание этих уравнений дает взаимосвязь между работой си-
системы и изменением ее внутренней энергии (уравнение Гиббса-
Гельмгольца):
Кроме того, из уравнений G9), (81), (81а), E3) и F5) нетруд-
нетрудно установить следующие взаимосвязи термодинамических ве-
величин:
Q - CdT, (83)
Q., = — Д/, или q = — Д /*, (84)
Д S или AS = C , (85)
7 Т Т
SU- Q-b(PV)~q-AuaKc_, (86)
(ЛF)v -- AU—TbS, (87)
(bf)p=M-TbS, (87a)
Д/;= --<? -f 7 AS. (876)
-^макс --«/-f-T-AS. (87в)
Уравнения (87)—(87в) показывают, что внутренняя энергия и
теплосодержание (энтальпия) системы не полностью переходят
в свободную энергию AF, а часть ее при этом в количестве 7'AS ---
= CAT теряется в виде тепловой энергии, которая рассеивается
и при данных условиях неспособна производить работу.
Наряду с этим из уравнения (85) следует, что при адиабати-
адиабатических процессах (Q = const), AS системы равно нулю, т. е. энт-
энтропия ее остается постоянной. Это дает возможность сравнитель-
сравнительно легко рассчитывать адиабатические процессы при помощи
энтропийных диаграмм (см. ниже, пример 4).
Все значения термодинамических функций в настоящее вре-
время приведены к единым, так называемым ста ндартны м уе-
уело в и я м (/ = 25° С и Р = 1 ата) состояния системы. Величины
термодинамических функций приведены в стандартных табли-
таблицах (см. табл. 22), которые являются очень удобными в поль-
пользовании и позволяют вести расчеты с наибольшей точностью.
Эти таблицы содержат: а) изменение теплосодержания А/° (или,
что то же, теплоту образования </); б) изменение свободной
энергии AF° химических соединений при стандартных условиях
* Буквой / мы обозначили теплоту реакции, т. е. тепло, связанное с хи-
химическими процессами, происходящими в системе (при Р = const).
II С. Д. Бесков 161

B5°С и 1 ата) * по отношению к образующим их элементам.
Кроме того, таблицы включают также абсолютные значения эн-
энтропии элементов и соединений, выраженной в кал/моль-град.
Для стандартных условий уравнения (84) — (87в) между тер-
термодинамическими функциями принимают следующий вид:
Д Г ^ — q или Д /° =AF + 298Д 5°, (88)
Л F' = — Л°макс. или Д F" == Д F — 298, (89)
4 S° = ——-^ . (90)
298
Изменение любой термодинамической функции для какой
угодно реакции подсчитывают по закону Г. И. Гесса, аналогично
подсчетам теплоты реакции. Так, например, при сгорании угля
до СОг(С + О2 = CO2) изменение энтропии этой системы опре-
определяется следующим образом:
а о • •
Подставляя сюда значения 5° из табл. 22, получим:
{±S°:= 51,09 — 49,02—1,36=-= + 0,71 кал/моль.
Ту же величину получим, пользуясь уравнением (90):
,„ Д/ — Д/7 —94030+94242 212 ,, _,
Д о=- — = =: 0,71 кал/моль.
298 298 298
Значения А/ и AS при других температурах состояния си
стемы определятся исходя из изменения при этом теплиемкости
реагирующих компонентов:
г
Д/г — Д 7° f J YjCpdT.
298
И
т
о I Г X С,,
Д5т-= Д? + '-dT,
298
где 1Ср—алгебраическая сумма истинных молекулярных теп-
лоемкостей исходных веществ (взятых со знаком +)
и конечных продуктов реакции (взятых со зна-
знаком —).
Пример 1. Подсчитать изменение внутренней энергии АН,
теплосодержания (энтальпии) Д/, энтропии AS и свободной энер-
* Как уже отмечалось выше, (стр. 22), многие авторы стандартным сос-
состоящем системы считают состояние при t — 20° С н Р - 1 ата.
162

гии <Дг 1 моля ртути при переходе ее из жидкого в газообразное
состояние при температуре кипения под давлением 1 ата.
Решение. По табл. 15 находим, что температура кипения
ртути 357° С (Т = 630° К) и удельная теплота ее испарения
68,7 кал/г.
Таким образом, для испарения 1 г.-моля ртути при темпера
туре ее кипения требуется тепла (мол. вес ртути 200,6):
Q = 68,7 • 200,6 =--¦ 13780 кал/моль.
Следовательно, теплосодержание Д/ ртути изменится также
на эту величину, т. е.
Д/ --= — Q — 13780 кал/моль.
Так как температура при испарении ртути постоянна, то соглас-
согласно уравнению G9) изменение ее энтропии составит:
Д 5 ---= —0— = Ш^-^ 22 кал/моль ¦ град
Т 630
Для подсчета величины изменения внутренней AU и свобод-
свободной АР энергии необходимо вычислить значение A(PV). В связи
с тем, что объем 1 моля жидкой ртути по сравнению с тем же
количеством ее в газообразном состоянии ничтожно мал, этим
объемом можно пренебречь; кроме того, принимая, что пары
ртути подчиняются идеальному газовому состоянию, подсчитаем
величину &(PV) = PV по уравнению Менделеева Клапейрона.
PV = RT,
где R = 1,985 кал/моль- град и Т = 630° К
Отсюда получаем
PV = 1,985 ¦ 630= 1250 кал/г-моль.
На основании этого из уравнений (86) и (87а) определяем
\U, АР и Лмякс.:
Д U =: — 13780 — 1250 = 12530 кал/г-моль
Д F - 13780 + 630 -21,88 --= 4 кал/моль,
Л „, =.: Р Д V = 1250 кал/г-моль.
MilKC
Пример 2. Вычислить изменение термодинамических функ-
функций 1 кг-моль углекислого газа при нагревании его от 0 до
1000°С при атмосферном давлении.
Решение. Подсчитаем количество тепла, необходимое для
нагревания 1 г-моль СО2 от 0° С B73° К), до 1000°С A273° К),
пользуясь выражением температурной зависимости его теплоемт
11* 163

кости при постоянном давлении (см. табл. 6): ,
С™' --- 7,70 \- 0.0053Т — 0,83 • 10~6 Т\
1273
Q = 1G,70 f 0,00537 — 0,83 • 10~6 72)dT.
273
Интегрируя это уравнение и вынося (Т2 — Г]) за скобку, по-
получим:
Q =-¦= А / - A273 — 273) • [7,70 + 0,00265A273 -{- 273)] —
— 0,28 ¦ 10~6A2732 -f- 1273 • 273 Ь 2732j -= 11800 ккал/кг-моль*.
Изменение энтропии подсчитываем по уравнению (85)
1273 1273
г С Ж СI 7,70 fi \
Д5 = I—— = -@,0053—0,83 ¦ Ю~ T\dT
Отсюда
T )\ T
273 273
Д S--- 7,70 In -—- f- 0,0053 A273 — 273) —
7'У 2
— 0,415 • 10 A273 — 273")-; 15,7 кал/г-моль - град.
Подсчитываем значение k(PV) в пределах 0°—1000° С (Р—
= const):
Д (PV) - PV, — PV, --¦= RT., — RTX.
Подставляя сюда численные значения из условий примера, по-
получаем:
А-~~- A(PV)---= 1,985A273 — 273) 1980 кшл/кг-моль.
Отсюда изменения внутренней (AU) и свободной (AF) энер-
энергии будут равны (см. уравнения (86) и (87а):
AU -- Q— A(PV) == 11800 — 1980 ---= 9820ккал/кг-моль.
AF=r-AI~TAS-= 11800— 1273 • 15,7= — 8200 ккал/кг-моль.
Пример 3. Вычислить изменение энтропии при переходе
1 кг воды, взятой при 25° С, в состояние перегретого пара с тем-
температурой 200° С при постоянном давлении 1 ата. Припять при
этом: а) теплоемкость воды, равной 1,0 ккал/кг и независимой
от температуры; б) среднюю молекулярную теплоемкость Сп
водяных паров при перегреве их от 100° до 200° С, равной
* Так как здесь тепло затрачивается на систему, то величина А/ имеет
положительное значение, т. е. теплосодержание системы увеличивается.
164

8,07 ккал/кг-моль (см. табл. 8), и теплоту испарения воды, рав-
равной 540 ккал/кг.
Решение. В данном примере AS определится как сумма
трех величин:
1) Л5| — изменение энтропии воды при нагревании ее от 25°С
на температуры кипения 100° С;
2) ASt — то же при переходе воды из жидкого в парообраз-
парообразное состояние;
•Ч) А53 — то же при перегреве водяных паров до 200° С.
Подсчитаем каждую из этих величин в отдельности:
T 29S
298
- 1,0 • 2,3 lg -^- - 0,224 ккал/кг,
21)8
г„ „ 540
Ь S., -¦¦¦-—--- ----- 1,448 ккал/кг,
Т 373
473
' C,,dT - , 473
Г " 373
37 3
- 8,07 • 2,3 lg !,268=- 1,91 ккал/кг-моль,
или
i\ 0t\0
18.0
Отсюда
Д S -= 0,224 -! 1,448 Ь 0,106 -- 1,778 ккал/кг.
Примечание. Величину А5 можно подсчитать, пользуясь стандартной
таблицей термодинамических величин (см. табл. 22). Для этого определяем
AS перехода воды жидкой в газообразную:
Д S — ^н2О (газ.) — Sh2O (жидк.) =
¦-¦- 45,10— 16,71 = 28,39 ккал/кг-моль,
И /I И (
28.39 . „,
= 1,572 ккал/кг.
18,0
Прибавляя сюда изменение энтропии НгО при перегреве, получим:
Д S = 1,572 -!- 0,106 ---- 1,678 ккал/кг.
Расхождение AS со значением ее, вычисленным по теплоемкости, составляет
~ 6,0%, что объясняется несоответствием тепловых данных (AS° и ''т.п.)
лля вощ.
165

Пример 4. Воздух, находящийся под давлением 30 ата
и 32° С (Т = 305° К), расширяется до нормального давления
A ата). Пользуясь энтропийной диаграммой 16, вычислить со-
состояние его и изменение термодинамических функций, если про-
процесс расширения протекает: а) изотермически G = const);
б) адиабатически с отдачей внешней работы (S = const); в) адиа-
адиабатически без отдачи внешней работы (дросселирование; / =
— const); г) подсчитать то же самое, если воздух под тем же
давлением охлаждается до —100°С (Т =173° К).
Решение, а) Изотермическое расширение G" =
= const; AU = 0). Начальное состояние воздуха: Р = 30 ата;
Ti = 305° К; 5, = 0,678 ккал/кг- град, /, = 122,0 ккал/кг; конеч-
конечное состояние его: Т2 = 305° К, Р = 1 ата : S2 = 0,910 ккал\кг ¦
¦ град, /2 = 123,6 ккал/кг.
Отсюда
AS = 0,910 — 0,678 = 0,232ккал/кг ¦ град,
««ли
Д S = 0,232 • 23,93 = 6,75 ккал/кг-моль ¦ град;
Д / = 123,6 — 122,0 — 1,6 ккал/кг ¦ град*;
Д F = 1,6 — 305 • 0,232 = — 69,2 ккал/кг.
Количество тепла, затраченное на работу расширения 1 кг
воздуха по уравнению (80), равно:
Q = — Д А -= TdS
ИЛИ
Q - 305 • 0,232 = 70,8 ккал/кг; Д ЛмлК1. - — 70,8 ккал/кг.
б) Адиабатическое расширение с отдачей
внешней работы (S — const). Начальное состояние: Si—
= 0,678 ккал, Pi = 30 ата, Т = 305° К, Л = 122 ккал; конечное
состояние: S2 = 0,678 ккал, Р2 = 1 ата, Т = 118° К: h = 77,8 ккал
Отсюда по предыдущему получаем:
Д S ¦¦= О; Q -- О, Д/ - 77,8 — 122 - — 44,2 ккал/кг,
Л F -¦: 44,2 —О - М,2 ккал/кг, Д U -= — Д А = 44,2 ккал/кг.
в) Адиабатическое расширение без отдачи
внешней работы (/ = const). Начальное состояние: 1\ =
= 122 ккал, Ру = 30 ата, Т2 = 305° К, S, - 0,678 ккал; конечное
состояние: /2 = 122 ккал, Р2 = 1 ата, Т2 = 298° К, S2 =-- 0,905 ккал.
* Для идеальных газоя при изотермическом расширении Л/ = 0.
Д66

Отсюда по предыдущему имеем:
Q=— Д/ = О; ДЛ = О*, &S--= 0,905 — 0,678 •¦¦= 0,227 ккал/кг
Д Т (дроссель-эффект) = 305 — 298 - 7°,
Д?У = — Д^=0 + 298- 0,227 = 67,6 ккал/кг.
г) Изобарическое охлаждение (Р = const) до
173° К. Начальное состояние: Р, = 30 ога, Т, = 305° К, S, =
= 0,678 ккал, /| = 122 ккал; конечное состояние: Р2 = 30 ата,
Т<2 = 173° К, S2 = 0,525 /скал, /2 = 86,2 ккал. Отсюда имеем:
Д 5 = ~ 0,153 ккал/кг, Q = — Д / = — 35,8 ккал/кг.
А = — &F = 1,981 A73 — 305) = — 261,4 ккал/кг-моль.
или
А = 26Ь4_ .-:. _ 9,0 ккал/кг,
28,96
Д G = — 35,8 4- 9,0 = — 26,8 ккал/кг.
СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ
Особо важное значение в химических процессах имеет термо-
термодинамический потенциал, т. е. изменение свободной энергии си-
системы (AF). Выражая собой ту часть внутренней энергии систе-
системы, которая способна превращаться в полезную работу, вели-
величина Д/7 данного химического процесса служит тем самым ме-
мерой «химического сродства» реагирующих компонентов, т. е.
мерой их реакционной способности. Чем больше абсолютная ве-
величина изменения свободной энергии или, что то же, чем больше
значение максимальной работы данного химического процесса,
тем полнее они вступают между собой в химическое взаимодей-
взаимодействие. Если мы говорим, что данные вещества реагируют между
собой недостаточно энергично, то это означает, что они имеют
небольшое изменение свободной энергии в наблюдаемом про-
процессе химического взаимодействия или, что то же, максимальная
работа, которую требуется затратить на этот прочесе, очень ве-
велика **.
Таким образом, все реакции, которые протекают с большой
потерей свободной энергии, протекают активно и до конца, при-
приобретая иногда характер взрыва. Так, например, процессы обра-
образования воды из элементов, сгорания углерода, разложения
* Работу расширения газа против внутримолекулярных сил мы здесь не
учитываем.
*• Не следует забывать, что AF=—АДмакс.
167

нитрата аммония протекают со значительной потерей свободной
энергии:
Н2 + —- О., = Н2О + Д F; AF° = — 56560 кал/г-моль*,
С -f Оо == СО2 + Д F; ДР = - 94260 кал/г-моль,
NH4NO3 --- 2Н,0 + 4" °-J + N2 + A F'< A F°= —63600 кал/г-моль.
Вследствие этого указанные реакции идут самопроизвольно.
При обычных условиях скорость их ничтожно мала, но если в
силу тех или иных причин (наличие катализаторов, повышение
температуры и т. п.) реакция началась с заметной скоростью,
то она идет почти до конца и протекает очень бурно, переходя
иногда во взрыв. Отсюда естественно, что все взрывные реакции
идут с очень большой потерей свободной энергии.
Рассмотрим реакцию образования N0 или (CNJ из элемен-
элементов, стандартное значение свободной энергии которых равно: для
окиси азота AF° = +20850 кал (А-мгкс. = —20850 кал) и для
дициана AF° = +92000 кал (А какс = — 92000 кал). В данном
случае для того чтобы реакция протекла, работа должна быть
затрачена на систему, т. е. система должна значительно увели-
увеличить свою свободную энергию. Это означает, что реакция обра-
образования NO или C2N2 из элементов самопроизвольно не пойдет.
Кроме того, положительный знак AF показывает, что NO и C2N2
термодинамически неустойчивы, и если по каким-либо причинам
начнется их разложение снова на элементы, то оно будет идти
до конца.
Таким образом, величина свободной энергии си-
системы показывает меру реакционной способности взаимо-
взаимодействующих компонентов, а знак ее — направлен-
направленность данного процесса. Так, например, реакция
N, + 2Н8О - NH4NO2
на первый взгляд кажется очень простой и выгодной, так как
согласно приведенному равенству при пропускании в воду азота
должен получиться очень важный промышленный продукт —
нитрит аммония. Однако изменение свободной энергии AF° этого
процесса равно +85690 кал/моль. Следовательно, гидролиз азо-
* ЛЯ1 называют стандартной свободной энергией, т, е. изменением сво-
свободной энергии системы при 25° С и нормальном давлении (I ата). Мы ус-
условимся считать AF отрицательной (А макс положительной), если данный
химический процесс идет с потерей (выделением) свободной энергии, т. е.
система в результате данного химического взаимодействия может совершать
работу, и наоборот. Однако следует иметь в виду, что авторами некоторые
учебников принято обратное обозначение AF и А.4макс.
168

та с образованием азотистокислого аммония при обычных усло-
условиях совершенно невозможен.
В табл. 22 приведено значение стандартной свободной энер-
энергии \F° важнейших химических соединений. Изменение свобод-
свободной энергии какой угодно сложной химической реакции можно
подсчитать, пользуясь законом Гесса, как это имело место при
подсчете теплового эффекта химической реакции. Например, из-
изменение свободной энергии реакции
CeHe + NH;. - C6H6NH, + Н, | • Д F"
-г 29400 —3940 + 35400
составит (см. табл. 22):
Д F° = 35400 — B9400 — 3940) = + 9940 кал/моль.
При этом знак AF° (плюс) указывает на невозможность
непосредственного получения анилина из бензола, а величин а
AF° показывает, что анилин в среде водорода является соедине-
соединением не вполне устойчивым. Изменение свободной энергии хи-
химических реакций, так же как и тепловой эффект их, в значи-
значительной степени зависит от температуры. Эта температурная за-
зависимость AF приводится в табл. 23 и для отдельных углеводо
родов на рис. 16.
Из уравнений (84) — (87а) для термодинамических функций
видно, что величина свободной энергии системы зависит от ее
теплосодержания (AF = Д/ — TAS), а следовательно, и от теп-
теплоемкости реагирующих веществ. На основании уравнений (82)
и (87а) эта зависимость в дифференциальной форме может быть
выражена:
dr T- ч
Учитывая, что в химических процессах, протекающих при по-
постоянном давлении, вся теплота реакций q идет на изменение
теплосодержания системы, указанное равенство примет следую
щи и вид *:
dT Т2
или
(92)
AF \ <>dT (93)
т / г2
* Не следует забывать, что мы приняли тепловой эффект экзотермичес-
экзотермических реакций положительным ( + ), а изменение свободной энергии Д/7 — отри-
отрицательным (—); Д/1Макс. при этом также имеет положительное значение.
169

Заменяя теплоту реакций q выражением ее температурной
зависимости [см. уравнение G0)] и интегрируя полученное при
этом уравнение, находим:
д F
¦ - a In Г
3 Т ~ -L Г2 — j
2 '
откуда
Д F -¦- — q0 --J- а Т 1п Т + р Г2 + -т- Г3 + /Т,
(94)
(94а)
где у — вторая (кроме qQ) постоянная интегрирования;
A.F — изменение свободной энергии системы при темпера-
температуре Т.
- 15000
600
800 1000 1200
Температура, °К
то woo
Рис. 16. Зависимость изменения свободной энергии некоторых углеводородов
от температуры (IS.F кал на 1 г-атом углерода)
Приведем несколько примеров подсчета величины AF, поль-
пользуясь этими уравнениями.
Пример 1. Вычислить изменение свободной энергии обра-
образования 1 моля NH3 из элементов при 127° С (Т = 400° К).
Решение. По таблицам находим:
а) теплота образования 1 моля аммиака (см. табл. 17) при
20° С равна
L L+ 11000;
70

б) стандартное изменение свободной энергии при образова-
образовании 1 моля NH3 из элементов (см. табл. 22)
A F° = — 3940 кал/моль;
и) температурная зависимость истинной молекулярной тепло-
теплоемкости водорода, азота и аммиака (см. табл. 6) *:
??• = 6,5 + 0,00107,
Ср' = 6,5 + 0,00097,
СУИ'^= 6,7 + 0,00637.
Из выражений теплоемкости реагирующих веществ по урав
нениям G1) н G1 в) находим коэффициенты а, E и у и условный
тепловой эффект qQ:
Ev а = Г(— • 6,5 + — • 6,5j — 6,7J = 6,3
¦= —[(— ¦ 0,0009 + — • 0,0010^1 — 0,006з1 ¦-
2 [\ 2 2 / J
= —2,2- 10~3,
(/0- 11000 — F,3 • 298 — 2,2 • 10 • 85,85 • 103) =
= 10300 кал/моль.
Из уравнения (94) определяем постоянную интегрирования:
/=-^-+-^- —F,3- 2,3 lg 298 — 2,2- 10~3 -298),
или, подставляя сюда AF = —3940 кал/моль, ^о =10300 кал/моль
и Т --= 298° К, получим:
/=-32,4.
Отсюда по уравнению (94а) находим изменение свободной энер-
энергии образования NH3 из элементов при 127° С D00° К):
др= _ 10300 + 6,3 - 400 ¦ 2,3 lg 400—2,2 • 10~3 • 4002 —
— 32,4 ¦ 100
или
Д F ~ — 8420 кал/моль.
* При попечете пользуемся упрощенными выражениями теплоемкости.
171

Пример 2. Вычислить стандартное изменение свободной
'Нергии крекинга циклогексана при 727°С A000° К):
Решение. Пользуясь рис. 16, находим (для 1000° К)
Д Fn „ =-- 6 • 16000 = 96000 кал*;
\Fr ., == 2 ¦ 13600 ----- 27200 кал.
()тсюда для системы СбН^^ЗСгЬЦ имеем:
\F = — 3 • 27200 — 96000 =--¦ — 14400 ккал.
Отрицательное значение величины AF показывает, что:
а) при t = 727° С указанная реакция протекает в направле-
направлении распада циклогексана, а не полимеризации этилена;
б) эта реакция может протекать самопроизвольно.
ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС
Согласно закону действующих масс скорость всякой
химической реакции пропорциональна произ-
произведению концентрации р е а г и р у ю щих веществ
Так, например, при химическом взаимодействии веществ А
и В с образованием продуктов С и D
^Л-Ь-v2?^v3C-b чО
скорость прямой реакции (vt) выразится
»i = К [Л);' • [В}"\ (95;
где [Л] и [В] — концентрации реагирующих компонентов А я В,
/г, —константа скорости реакции, значение которой за-
зависит от природы реагирующих компонентов А
и В и от температуры реакции; находится она
обычно опытным путем.
При всякой химической реакции процесс идет не только слева
направо в сторону образования продуктов С и D, но и наоборот:
как только в результате взаимодействия исходных веществ А
и В образуются продукты С и D, последние тотчас же вступают
между собой в химическое взаимодействие, образуя снова ис-
исходные вещества Л и В. При этом скорость обратной реакции
(v3C + v4Z3) равна:
а, = k2 [C]v> [?>]\ (95a)
* Следует иметь и виду, что па рис. 16 значения AF отнесены к 1 атому
углерода.
I '2

Следовательно, по мере того как в ходе реакции концентрация
исходных веществ А и В начинает убывать, скорость прямой
реакции (v\A + V2B —*) уменьшается. Эта скорость обладает
наибольшим значением в самом начале реакции (когда концен-
концентрация А и В максимальная) и доходит до нуля в конце ее (ко-
(когда вещества А к В исчезнут, т. е. нацело прореагируют) *. Но
в результате этой прямой реакции образуются продукты С и D,
скорость реакции которых с течением времени, наоборот, будет
увеличиваться, начиная от нуля; она в конце концов достигнет
неличины, равной скорости прямой реакции. При этом в каждую
секунду будет образовываться столько продуктов С и D, сколь-
сколько их будет и исчезать, т. е. снова превращаться в исходные ве-
вещества Л и В. В этот момент наступает так называемое хими-
химическое равновесие. Последнее не означает, что реакция прекра-
прекратилась. Оно показывает, что скорости прямой и обратной реак-
реакций в этот момент равны, и после этого момента концентрация
исходных веществ и продуктов реакции остается постоянной.
Следовательно, в момент равновесия
v1 =-- v2
или
Отсюда
= А, (Уо)
[С]"' ¦ [D]-' ку
где К—константа равновесия данной химической реакции.
Из изложенного ясно, что при данных условиях до наступ-
наступления равновесия скорость прямой реакции будет превалировать
над скоростью обратной реакции, и чем ближе к равновесию, тем
разница между скоростями той и другой реакции делается все
меньше и меньше. В результате этого обе реакции (прямая и
обратная), накладываясь друг на друга, в каждый данный мо-
момент их от начала дают определенное количество продуктов
реакций, которое в момент равновесия будет максимальным для
данных условий протекания реакции Таким образом, равновес-
равновесный состав, т. е количество продукта, образующегося к моменту
равновесия, есть тот максимум, к которому стремится данная
реакции при данных условиях.
Отношение фактического (практического Фпракт) количе-
количества продукта реакции к теоретическому его количеству
* Вещества А и В нацело прореагируют только при условии, если про-
продукты С и D будут удалены из сферы реакции.
173

(срт ет ), выраженное в процентах, называется выходом про-
продукта (реакции), или процентом превращения*.
>]== —-ра-- • 100%. (97 >
Естественно, что при равновесном состоянии и выход реакции
будет максимальным.
Пример 1. Если в газовой смеси, состоящей из 30% СО.
10% Н2 и 60% паров воды после пропускания се через контакт-
контактный аппарат, обнаружено 27% СО2, то выход реакции или про-
процент превращения (конверсии) СО составит
-27- • 100--- 90%**.
30
Пр и мер 2. При получении серной кислоты контактным спо
собом на I г обжигаемого колчедана с содержанием 42% серы
практически получается 1,2 кг олеума, содержащего 20% «сво-
«свободного» SO3. Определить выход H2SO4.
Решение. Из 1 г 42-процентного колчедана теоретически
(максимально) можно получить H2SO4(S—>-SO2—>-SO3->-H2SO4):
420 • 98,1
В 100 г 20-процентного олеума содержится 80 кг H2SO4 и 20 кг
SO3, которые эквивалентны (SO3-*- H2SO4):
20 98,1 о. г и СГЛ
— = 24 5 кг H,SO4.
80,1
Следовательно, 1200 кг олеума соответствуют
Отсюда выход H2SO4 определится
12.4 • 100 п_ Сп,
т) = = 97,6 % •
1283
Примечание. В производственной практике выходом иногда назы-
называют также количество продукта, получаемого на единицу массы перераба-
перерабатываемого сырья, например, выход серной кислоты или огарка в кг (или т)
на 1 кг (т) обжигаемого колчедана и т. д. Количество готового продукта
.). вырабатываемого данным аппаратом в единицу времени (т) при
* В отдельных случаях процент превращения носит пянвапие «процент
конверсии»
** Здесь на 1 объем СО получается 1 объем СОг.
СО -{- 11.0 = СО2 + Н5
174

даннол режиме процесса производства, называется производительностью ап-
аппарата (Р), а возможная производительность аппарата при оптимальных ус-
условиях процесса производства — его мощностью A^).
9
р —пр^. кг/час (илн mjсутки и т. д.)
Если производительность аппарата (установки) отнесена к единице полез-
полезного его объема или площади, то такая единица измерения служит характе-
характеристикой интенсивности процесса в данном аппарате (или просто, интен-
интенсивностью аппарата). Например: 1) интенсивность мартеновских печей выра-
выражается количеством стали (в тоннах), снимаемой в сутки с 1 м2 пода печи-
(например, 100 т/м2 сутки), 2) интенсивность сернокислотных установок ба-
башенной системы — количеством моногидрата серной кислоты (H2SO4) в кг,
получаемой с 1 м3 объема продукционных башен (например 70 /сг/мл — сут-
сутки), 3) интенсивность процесса синтеза аммиака — количеством килограммов
NH3, получаемых в час с 1 л3 колонны синтеза, заполненных катализатором
(например, 5000 кг/м* час), 4) .интенсивноеп. обжигоиых печен — коли
честном колчедана, обжигаемого в сутки на 1 м2 рабочих сводов печи (на-
(например, 200 кг/ж2 сутки) и т. д.
КОНСТАНТА РАВНОВЕСИЯ
Выше, на основе закона действующих масс, было показано,
что при состоянии равновесия отношение произведения концен-
концентрации исходных веществ к произведению концентраций продук-
продуктов реакции есть величина постоянная, т. е.
l^lML = К, (98)
[С]"
где К—константа равновесия, значение которой для данной
реакции зависит только от температуры, а для газов —
и от давления.
Уравнение (98) получило очень широкое применение в прак-
практике техно-химических расчетов, так оно дает возможность рас-
рассчитывать максимальный выход продуктов реакции, т. е. выход
их в момент равновесия, процент превращения исходных веществ
в конечные продукты реакции и другие показатели производ-
производственного процесса.
В зависимости от того, в каких единицах выражена концен-
концентрация веществ, участвующих в данной реакции, различают три
способа выражения константы равновесия:
Кс—когда концентрация реагирующих веществ А, В, С,
выражена в г-моль/л или кг-моло/м3 ([А] моль/л и т. д.)
№ ¦ 1йГ
175

Kp — когда концентрация реагирующих веществ выражена к
парциальных давлениях (РА, Рв и т. д.)
^. (986,
- когда концентрация реагирующих веществ выражена i;
молярных, а в случае газов — и в объемных процентах.
Кп- [Я*М"Й1 . (98в)
Между Кс, Кр и Кп существует следующая зависимость:
к, - —%-^т- - = —Jzhr ^98г>
или, что то же,
К, ¦-- К„ (RTf""''' - КУ~'"~*"' (98д)
^-JBll'"s'".--/CnPSv'---'"; (98e)
/Ся : К„Р**'-*-" - АГГ('-^'-Г''"" -=- ^l'1"'-1". (98ж)
В этих уравнениях:
R—газовая постоянная, выраженная в л-атIмоль • град
(R = 0,0821 л-ат/град-моль);
Т — абсолютная температура, при которой протекает реак-
реакция;
V — число единиц объема реагирующей смеси в равновес
ном состоянии;
IV -¦¦ общее количество молей исходных веществ, т. е. сумма
молей веществ прямой реакции (Hv' = \\ + v?);
IV'-- то же для продуктов обратной реакции Bv" = v3 + v4).
В дальнейшем при расчетах вместо выражения Bv' — —v")
мы будем пользоваться обозначением Sv, которое равно:
2iv - = 22-/ — Ev" ¦- (vt -j- v3) — (v:l -b v4).
Наибольшее практическое значение в расчетах газовых систем
имеет константа равновесия Кр, так как зная общее давление,
при котором протекает реакция, наиболее просто вести подсчет
компонентов газовой смеси в парциальных давлениях; при рас-
расчетах равновесных состояний в жидкой фазе чаще всего поль-
пользуются константой К,., а также Л'„ .
Применяя константу равновесия к вычислениям равновес-
равновесного состава той или иной химической реакции и пользуясь зна-
176

чением константы из справочников, необходимо всегда иметь в
виду, для каких единиц измерения она рассчитана, т. е. является
ли константа Кс, Кр или Кп . В соответствии с этим при рас-
расчете нужно брать концентрацию веществ, выраженную соответ-
соответствующим образом.
Если реакция идет без изменения объема, т. е. когда общее
число молей прямой реакции равно числу молей обратной ре-
реакции, т. е.
IV = Ev", или, что то же, Sv = О, то Кс= Кр= К„,
т. е. здесь безразлично, в каких единицах выражена концентра-
концентрация веществ, участвующих в реакции (но только не в весовых)*,
так как численное значение константы равновесия в любом слу-
случае будет одно и то же. Поэтому для реакций, идущих без из-
изменения объема, в справочниках константа равновесия обычно
обозначается К (без индексов).
Как уже было указано выше, константа равновесия для каж-
каждой реакции при определенной температуре есть величина по-
постоянная. Следовательно, зная величину К, можно вычислить
количества веществ в равновесных состояниях данной реакции,
а отсюда — и максимальные выходы продуктов реакции (для
данных условий).
Естественно, что чем быстрее реагирующие вещества про-
лодят реакционную зону, тем дальше реакция от равновесного
состояния. Здесь при расчетах к каждому отдельному случаю
нужно подходить п зависимости от конкретных условий произ-
нодственного процесса.
В практике производственной работы с целью увеличения
производительности аппарата в каждом отдельном случае уста-
устанавливается свой оптимальный режим, т. е. свое время пребы-
пребывания реагирующих веществ в реакционной зоне, в зависимости
от конкретных условии работы. Другими словами, в практиче-
практическом осуществлении каждой химической реакции устанавливает-
устанавливается гноя практическая степень достигнутого равновесия, которая
дли значительного числа промышленных реакций равна 85—
90% **. Поясним это примером реакции синтеза аммиака:
ЗН, + N, - 2NH3.
Примем, что при данных давлении и температуре равновесие
наступает, когда прореагирует 00% азото-водородной смеси, т. е.
* Как следует из уравнения ('JGI. константа рлвпоиесня химических ре-
реакции пмражлеюя не через несовые концентрации реагирующих компонентов.
** Есть реакции, которые протекают моментально, например, взрывные,
¦лчнт;м ПС1 и др., где рашкшесие постигается через доли секунды, и при что.у
они доходят почти до конца. Подобного типа реакции связаны с потерей
большого количества свободной энергии.
:? С. Я. Бесков 177

максимальный выход NH3 равен 30% (объемн.) от количества
входящей в аппарат газовой смеси. Для достижения этого рав-
равновесия требуется определенное время. Это означает, что азото-
водородную смесь необходимо пропускать через контактный аи-
парат с определенной скоростью. Допустим, что зависимость вы-
выхода NH3 от последней представится в следующем виде (для
определенного катализатора при определенных давлении и тем-
температуре): при объемной скорости смеси (ЗН2 + N2) в 4000 л/час
мы получим 6% NH3*; при скорости в 2000 л/час выход NH3
равен 12%; при 1000 л/час образуется 20% NH3; при 500 л/час —
24% NH3 и т. д.**.
Отсюда следует, что при одном и том же объеме реакцион-
реакционного пространства, т. е. для одного и того же аппарата, произ-
производительность его определится следующим образом:
Объемная ско-
скорость, л газа
в 1 час . . . 4000 2000 1000 500
Производитель-
Производительность аппара-
аппарата, л аммна-
, 4000 -6 . пп 2000 12 . „„ 1000 • 20
ка в 1 мин = 4,00 = 4,00 =
100 ¦ 60 100 ¦ 60 100 ¦ 60
о оо 500 -24 on,
= 3,33 = 2,0 л час.
100 • 60
Следовательно, в данном случае выгоднее работать с объемны-
объемными скоростями между 1000 и 2000 л/час, так как при стремлении
достичь полного равновесия уменьшением скорости прохождения
смеси через аппарат мы будем понижать производительность его.
Из приведенных примеров ясно, что в практической работе с
целью получения максимальной производительности аппарата
необходимо в каждом случае найти «свою* оптимальную ско-
скорость прохождения реагирующих веществ через реакционную зо-
зону. При этом оптимальную скорость для данной реакции необ-
необходимо всегда сочетать соответственным образом с температур-
температурным режимом аппарата, с режимом давления, активностью ка-
катализатора и т. п. Все эти, а также другие факторы, зависящие
от конкретных условий производства, от типа аппарата, его кон-
конструкции и т. п., и определяют собой то время пребывания pea-
6-100
* Это составит процент фактически достигаемого ра.аноиссия =
oU
-20%.
** Естественно, что для других условий (Р и /) выход по времени рас-
распределяется по-иному.
78

тирующих веществ в зоне реакции, которое обеспечивает наи-
наилучшую его производительность.
При подсчете состава и выхода продуктов реакции на основа-
основании константы равновесия условимся н уравнениях (98а) —
(98в) в числителе ставить концентрацию тех ве-
веществ, которые реагируют с выделением тепла,
а в знаменателе — тех, которые поглощают е г о *.
Так, например, для реакции
константа равновесия будет
„ = [СО1- [1Г2О|
[COsl-lllJ1
а для реакции
N2 + О2 ^± 2NO — q (или 2NO 5± N2 | O2 + q)
согласно принятой нами формулировке она примет следующий
вид:
к _ [NO]2
С ~ [N2] • [О2] '
В обоих случаях в числителе стоит концентрация
веществ, которые реагируют с положительным
тепловым эффектом.
Если в данной химической реакции наряду с газами прини-
принимают участие и твердые вещества, то концентрация последних
в уравнение константы не входит. Так, например, для реакций:
a) Fe.04 + Н, Г- 3FeO 4- Н,О + Q,
выражения константы равновесия примут следующий вид:
а) К, = или К„ = ——-
1Ц П1 " D
Л. „ [О2]3 j, Р%,
б) Кг~ ^—^~ или /(„--¦ —— и т. д.
* Мнопие аьторы применяют и обратный способ -обозначения (формули-
(формулировки) константы равновесия. При пользовании значениями К на это не-
необходима обращать особое внимание.
12* 179

В случае термического разложения окислов металлов карбо-
карбонатов и других солей выражение константы равновесия прини-
принимает очень простой вид *:
а) для окислов металлов
L | О, К,.
4CuO ^
-О, Kp--POt, и т. д;
б) для карбонатов
СаСОз ^ СаО f СО, К„ =¦¦¦ PCCt,
MgCO,^MgOf CO, '<р-РСОа, и т. д;
в) дли гидратов окисей
2Fe (OHK ^ Fe.,O:: |- ЗН.,0 К„ = P3HfO,
Са (ОН), ^± СаО + Н2О К„ - P,,iO;
.. г) для сульфатов
CaSO4 г? СаО + SOa К„ = Pscv
Fe.2 (SO4)a ^ Fe,O3 -!- 3SO:1 Kp -= P3Oj н т. д..
где /Jo , Рсо , PHQ, 1JSO —парциальные давления соот-
соответствующих газов над соединениями металлов в процессе тер
мического разложения.
Эти давления называются также упругостью диссоци-
диссоциации соответствующего соединения металла, а константа рав-
равновесии -- ко н стан т а м и термической д и с с о ц и а -
ц ии, пли просто к о и с т а ь т а м и д и с с о ц и а ц и и. Упругость
диссоциации некоторых соединений металлов приведена в фор-
форме графика па рис. i 7.
В научно-технической литературе довольно часто термин кон-
константа д и с с о ц п а ц и и употребляют также и в отношении
реакций разложения тех или иных химических соединений в ра-
разовой фате, как, например:
2H,Oz:^2H, |-О2, 2НС1?-Н, !- CL,
2СО,^2СО | О, и т. д.
В этом случае согласно принятым нами условиям обозначе-
обозначения Кс, К и К„ (см. выше) константа диссоциации будет
- * Пиши нес подобного пита ренкппп рп.июжомия протекиют с по; J
iMerfne.M тепла.
180

представлять собой обратную величину константы равновесия,
если подобные реакции разложения протекают с поглощением
тепла, и будет равна константе равновесия, если реакция про-
протекает с выделением тепла.
то
son —
lar
1
:(§
1
т П Г
1
N
11
)
-
а |
J
1
j
р
ч-
1 -
1
J
—
—-
—
—
—
1
Si 7
Ч
1
1
f !
•—
гоо
газ
еао sou toon
Температура, 'С
шз
Икс. 17. Зависимость упругости диссоциации некоторых соеди-
соединений металлов от температуры
Так, например, константы диссоциации (^дисс.) водяных
паров BН2О = 2Н2 + O2 — q) и аммиака BNH3 = N2 -f 3H2 --
¦¦- q) равны:
или соответственно:
Г'2
' н,о
VP (ДИСС.)
Р2 /'
А_ knu.
f(-H2O '
Л
IN.J [H.I3 K
™'
N, Н,
Наряду с этим константы диссоциации окиси азога BNO =
= N2 + O2 + ?) и йодистого водорода BHJ = J2 + H2 + ^) бу-
будут представлять собой то же, что и константы равновесия этих
реакций разложения, т. е.
iL
fJ,J[H,J
_ и

На это при технических расчетах следует обращать особое
внимание, так как в некоторых учебных пособиях константы
равновесия отождествляются с константами диссоциации реак-
реакций, протекающих в газовой фазе.
Если в результате термической диссоциации из двух молекул
исходного химического соединения образуется две молекулы
новых веществ:
2А = В + С -I- с/,
то константа диссоциации подобной реакции разложения выра-
выразится уравнением
4A- а)" ,99)
где а — степень диссоциации данного химического соединения.
В случае образования: 1) двух молекул новых веществ из
одной молекулы исходного вещества (А = В + С), 2) трех мо-
молекул — из двух молекул исходного вещества BА = 2В + С)
или 3) четырех молекул — из двух молекул исходного вещества
BА — ЗВ + С) уравнения константы диссоциации примут сле-
следующий вид (если диссоциация этих веществ протекает эндо-
эндотермически) :
!'д О — аJ B +я)
2)<г"~>-*г'—^ (99б)
Р\ 8 A — аJA +я)«
3) *:¦-•--^™^—^г-- (99в)
где « — степень диссоциации;
Р—общее давление равновесной смеси;
Р А, Рв, Рс — парциальные давления соотЕ^етствующих
компонентов ее.
Пример 1. Константа равновесия Кр для реакции
1 _^
2 2 1 ^~ ''
при 450° С равна 5,44- 10~4. Подсчитать значение Кс этой реак-
реакции при той же температуре.
Решение. Сумма молей исходных веществ этой реакции
равна:
SV- !+-?-= 1,5,

а конечных:
S/'== 1.
Следовательно, по уравнению (98е) имеем:
или
Кс= -^г= 5'44'__ = 0,71 • 10~4.
V RT Vo, 0821 ¦ 723
П р и м е р 2. Константа равновесия Кс реакции H2 + J2^2HJ
при 450° С равна 50,1 (см. пример 1). Подсчитать число молей
HJ в момент равновесия, образующихся при взаимодействии
5,30 моль J2 и 7,94 моль И2.
Решение. Обозначим количество HJ в момент равновесия
через х моль/л, а объем, занимаемый газом, — через V л. Тогда
количество Н2 и J2, вступивших в реакцию, составит — моль/л
для Н2 и —моль/л для J2. Отсюда состав равновесной смеси:
Ш х моль/л
5,30 ——) »
Н3 . . /7,94 f-] »
Подставляя эти значения концентраций в уравнение для конс-
константы равновесия, получим:
[Ы2] [J"l / х \ , х
' 7,94 — \ / 5,30 — —
V J \ V
4х~ =-50,1.
A5,88—*) A0,6 —
Решая это уравнение относительно х, находим:
хх = 19,24 моль/л; х2 = 9,523 моль/л.
Значение х\ = 19,24 моль/л как нереальное отбрасываем (общее
число исходных веществ равно 7,94 + 5,3 = 13,24 моль/л, т. е.
меньше полученного значения хх). Таким образом, равновесная
183

смесь имеет состав: 9,523 моль/л HJ, 0,539 моль/л J2 и 3,178
моль/л Н2.
Пример 3. Пользуясь кривыми (рис. 31), определить, при
какой температуре начнет диссоциировать известняк СаСО3, ес-
если на него действуют топочные газы, содержащие 16% (объемы.)
СО2; определить также, пользуясь кривыми (рис. 31), при какой
температуре начнут диссоциировать окись железа и углекислый
свинец.
Решение. Парциальное давление СО2(РСО ) в топочных
газах равно 0,16-760= 122 мм рт. ст. По графику находим,
что упругости диссоциации СаСО3 в 122 мм рт. ст. соответству-
соответствует температура 765° С. Следовательно, диссоциация СаСО3 в
среде топочных газов с содержанием в них 16% СО2 начнется
при 765° С. Однако бурное разложение СаСО3 начнется при
910° С, когда Р^о достигнет 1 ата G60 мм рт. ст.). Из рис. 31
видно также, что при атмосферном давлении Fe2O3 начнет раз-
разлагаться (диссоциировать) с выделением О2 при 1430° С, а угле-
углекислый свинец РЬСО3 при 310° С и т. д.
Пример 4. Подсчитать степень диссоциации при 727° С:
а) окиси азота BNO = N2 + О2 + q) при давлении Р и б) сер-
серного ангидрида BSO3 = 2SO2 + O2 — q) при давлении 1,15 ата,
если при указанных условиях константа равновесия ( К,,) реак-
реакции образования 2NO из элементов равна 2,3 • 1040, a 2SO3
равна 3,45.
Решение. Согласно принятым нами обозначениям констан
та диссоциации окиси азота равна константе ее равновесия, так
как процесс термического разложения NO протекает с выделе-
выделением тепла. Следовательно, если обозначим парциальные давле-
давления NO, N2 и О2 в равновесной смеси соответственно Р NOi
PN и /Jo , то получим:
Обозначим степень диссоциации NO через а. Тогда общее коли
чество молей NO, No и О2 в равновесной смеси па 2 моля перво
начально взятых NO (до диссоциации) составит B + 2а) моля,
и парциальное давление NO, N2 и О2 в этой смеси при общем ее
давлении Р ата соответственно равно:
PNn =-. ^^ Р, PN = Рата, Рп = Рата.
NO 2 + 2а N' 2 + 2.2 °« 2 + 2а
Отсюда
„ Р* B -2аJ B+ 2а) B + 2a) _ OQ „-10
Р B+2аJа2Р2
184

или
4а~аJ =2,3- Ю-10.
Решая что уравнение относительно а, получим:
а ^ 1,0,
т. е. при 727° С N0 диссоциирует почти нацело. Подобным обра
зом находим для сернистого ангидрида (см. уравнение 996):
Термическое разложение SO3 протекает с поглощением теп-
тепла Следовательно,
^ , или = 3,45.
К^дисс)
Kf> ()(+)
Подставляя в это уравнение Р — 1,15 ата и решая его в отноше-
отношении а, получим:
2=с3 -Ь 9а == 6, откуда а ^ 0,62.
Следовательно, при температуре 727° С и давлении 1.55 ата 62%
SO3 диссоциирует на SO2 и Ог.
ЗАВИСИМОСТЬ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Константа равновесия любой химической реакции зависит от
температуры. Почти для всех наиболее распространенных в
производственных процессах химических реакций константы рав-
равновесия определены экспериментально, и для практических рас-
расчетов их обычно берут из справочников или же температурную
зависимость констант равновесия подсчитывают по уравнениям,
подобно указанным в табл. 2-1. Температурная зависимость кон-
константы равновесия некоторых реакции представлена на рис. 18
в форме их логарифма.
В научно-технической литературе широкое распространение
приобрели стандартные таблицы, с помощью которых вычисля-
вычисляются значения константы равновесия при различных состояниях
той или иной системы (см. ниже). Подсчет значений константы
равновесия в зависимости от температуры можно производить
* Получаем уравнение, тождественное уравнению (99).
185

О 200 WO BOO 800 WOO 1200 MO
« Температура, °С
Рис. 18. Логарифмическая зависимость констант равновесия (lg
некоторых реакций от температуры

также по уравнению изохоры, изобары и изотермы реакции,
энтропийным методом и по приближенному уравнению Нернста.
Уравнения изохоры A00) и изобары A00а) реак-
реакций Вант-Гоффа имеют следующий вид:
d(\nKc) --- -q^--dT, A00)
d(\nKp) --^-dT*, A00a)
где q.u — тепловой эффект реакции при постоянном объеме:
ду,—то же при постоянном давлении;
R—газовая постоянная, равная 1,985 кал/г-моль • град.
Если принять значение q постоянным, т. е. независимым от
температуры, то, после дифференцирования указанных выраже-
выражений в пределах температур 'Л — Т и замены натуральных лога-
логарифмов десятичными, получим:
AL)" (loi)
ь /<i 4,573 \ Т
ИЛИ
lg _*_
K
( ) = t
4,573 \ Ti T j 4.573Г • T,
где K\ — константа равновесия реакции при известной нам тем-
температуре Т{\
К — то же при заданной температуре Т.
Если в уравнение A00а) вместо теплоты реакции q = const
подставить ее значение, выраженное в температурной зависимо-
зависимости [см. уравнение G0д)], то в соответствии с принятым нами
обозначением К,, изобара реакции выразится:
^^ 1Я т л
=AЯ
р 4,573 ^ ТуТ I ' 1,986 Г, 4,573
* Если для обоаничсния константы равновесия приняты условия обрат-
обратные, чем здесь, т. е. в числителе для псе ставятся концентрации веществ, ко-
которые реагируют с поглощением тепла, а в знаменателе—с выделением тепла,
то в этом случае уравнения A00) и A00 а) имеют следующий вид:
Qv Яр
d (In К с) = — dT и d (In К„)~- — dT,
RT2 RT2
** В данном уравнении значения q и К нами взяты без индексов; при
этом подразумевается, что если величина ц берется при постоянном давле-
давлении (<7Р), то соответственно этому п константы равновесия (К\ м К) должны
относиться к постоянному давлению (А'^).
187

-(ЛИ
lg* = 29_ + iLieZ. _,_ _PZL_ ;. JLZLL + c, A02a).
6 * 4,573 1,986 4,573 9,146
где Д^, — константа равновесия системы при заданной тем-
температуре Т и постоянном давлении;
К'р — то же при температуре Т\\
а, E и т — коэффициенты уравнения G0д) *;
<7о — так называемый (условно) нулевой тепловой эф
фект, значение которого может быть вычислена
по уравнению G0д);
С—постоянная интегрирования.
Пример. Константа равновесия К реакции
2Н2 f О2 - 2Н2О ¦+- q
при 1227°С равна 7,6- 1Сг~12. Подсчитать Кр этой реакции и кон-
константу диссоциации водяных паров при 1287° С.
Решение, а) С помощью приближенного уран
нения. Теплота образования Н2О равна 57850 кал/г-моль, или
115700 кал, на 2 г-моль Н2О (см. уравнение реакции). Принимал
это значение q постоянным и подставляя в уравнение A01) зна-
значения К'р = 7,6- Ю~12, (Ig /С; = —11,1192), <7=П5700, 7",=
= 1227 + 27,3= 1500° К и Т = 1287 + 273- 1560° К получим:
Отсюда
1,1 192 = _H^0(i5Q0- 15C0 | ^
4,573 >, 1560 • 1600 /
lg/Cp = — 10,4705, или /<р =_^11_^°1_= 3,385 • 10~"-
Рн.о
б) Подсчет по развернутому уравнению изо
бар ы. Теплоемкости реагирующих веществ на 1 г-моль берем
по табл. 6:
С^'° = 6,88 + 0,66 • 10~4 Т |- 0,270 • 10~б Т2,
С°' =.--¦ 6,26 + 27,46 • КГ4 Т — 0,77 • 10~б Т2,
С"'° = 6,89 + 32,83 • Ю Г— 0,343 • 10~6 Т2.
* Значения а, Р и у вычисляют на основании выражений температурной
зависимое™ теплоемкостем участвующие в данной реакции веществ. При этом
в соответствии с принятым нами обозначением Кр при подсчете коэффициен-
коэффициентов а, Р и у (u=Zva, C=— iv6 и у=—.Svc и значения а, Ь и с и:) уравнения
2. о
температурной завиаи.мости истинной теплоемкости должны быть взяты со
знаком минус (—) для тех веществ, которые реагируют с положительным
тепловым эффектом, и наоборот.
188

Отсюда определяем а, |3, у и q^, пользуясь уравнениями G1) —
а = Sv а = B ¦ 6,88 4- 6,26) — 2 • 6,89 = 4- 6,24.
р = JLEvfc- — [B • 0,66 4- 27,46) — 2 • 32,831 • 10~4 =
= — 18,44 • 10~4,
1== J-?vc = —1B-0,279 —0,77L-2 • 0,343] • 10~6==
= 4-0,16 • 10~6,
<7о = <7гМ ~ B93а 4- 2932? 4- 2933?),
или
<7о - 115700 — B93 -6,24—18,44 - 10 ¦ 2932 +
4-0,16 ¦ 10~6 • 2933):= 11420.
Подставляя эти значения коэффициентов в уравнение A02),
получим:
11420 / 1500—1560 \ . 6,24 . 1500
\ .
4
4,573 V 1500- 1560 / 1,986 1560
1844 ¦ 10~4A500 - 1560) , 0,16 ¦ 10~6A5002— 15602) ¦ „-
4,573 ' 9,146 Р
Отсюда
1й Кр - ~ 10,4360; Д'р =- 3,62 • КГ1'.
Примечание. Приближенное урявтмше A01) для подсчета констан-
константы равновесия лает значительное расхождение с опытным ее значением. Поэ-
гому в практике технических расчетов ими почти не пользуются.
lh термохимического уравнения образования Н2О из элемен-
элементов видно (см. табл. 17), что эта реакция протекает с выделени-
выделением тепла BH2-h Оа — 2Н2О + q). Следовательно, согласно при-
принятому памп обозначению констант равновесия и диссоциации,
имеем (при !2й7°С):
„Н.О 1 '1о
i\p (дигс.) -• ~.п Q ¦- " 2 -
Кр° ЯМ,/>О,
ИЛИ
einncc.) —
.4.02 ¦ 1A
i-П

Приближенное уравнение Нернста, являясь
п о л у э м п и р и ч е с к и м, дает следующую зависи-
зависимость lg ^, от температуры и теплового эффек-
эффекта реакций.
lg Кр = - —^— - г 1,75i:v lg Г ¦ г Bv' / - Ev" i), A03)
где q — тепловой эффект реакции при стандартных ус-
условиях (по табличным данным);
2v = 5V — 2v"—разность между числом молей 2v' прямой ре-
реакции (исходных веществ) и числом молей Sv"
обратной реакции (продуктов реакции);
i — так называемые условные химические кон-
константы.
Вывод констант i основан на термодинамических расчетах,
которых мы здесь касаться не будем; численные значения i для
отдельных газов приведены в табл. 25.
Пример. Подсчитать lg Кр реакции окисления окиси азо-
азота но приближенному уравнению Нернста при t = 427° С и срав-
сравнить результаты с вычисленными по уравнению C4) табл. 24 и
с данными по графику рис. 32.
Решение. Реакция окисления N0 протекает по уравнению
2NO + О, = 2NO + 27000 (при 20°С).
Условные химические константы веществ, участвующих в ре
акции (см. табл. 25):
'no = 3.5: 'о, = 2,8; »NOi =-3,5.
Отсюда
EV.-= 3; Sv"^ 2; Ev =. 1;
(Sv I)' = 2-3,5 -f 2,8 == 9,8; (Sv I)" =2-3,5 = 7;
Ev/= 9,8 — 7 = 2,8.
Подставляя эти значения в уравнения A03), получим:
Изотерма реакции определяет собой значение констан-
константы равновесия реакции в зависимости от температуры и измене-
изменения свободной энергии (AF) реагирующих компонентов:
M-TS- 4)
* В целях упрощения в дальнейшем мы будем всюду А макс. обозначать
через А.
190

Подставляя в выражение A04) значение AF из уравнения
(94а), получаем развернутую изобару реакции, представленную
уравнением A02а)
' ^ ^ А (Ю5)
4.5737' 1,986 4,573 9,146
Таким образом, если для той или иной реакции неизвестна
температурная зависимость изменения свободной энергии реаги-
реагирующих компонентов, то вычисление константы равновесия по
уравнению изотермы сводится к подсчету Кр по урав-
уравнению изобары и изохоры, на чем мы уже останавливались
выше.
Пример 1. Подсчитать константу равновесия реакции раз-
разложения циклогексана до этилена при 727° С (Т =1000° К) и
давлении 1 ата, а также равновесный состав газа при этой тем-
температуре.
Решение. По рис. 28 находим значение AF для циклогек-
циклогексана и этилена при 1000°К и определяем изменение свободной
энергии крекинга циклогексана:
CeH12=3C2H4+AF
96000 3.27200
Д F = 3.27200 — 96000 == — 14400 кал/г-моль.
Отсюда константа равновесия этой реакции при 727° С будет
равна:
lg К„ --= — — 3,1488,
р 4,573 • 1000
ИЛИ
г>3 *
Обозначим парциальное давление этилена в равновесной си-
системе через х ата. Тогда парциальное давление циклогексана в
нем составит A —х) ата. Отсюда получим:
Я3 х3
-^^ =¦•= =-¦ 7,1 • 10~4, откуда х -= 0,089.
р 1 — х
Следовательно, в равновесной смеси количество этилена состав-
составляет 8,9% и циклогексана 91,1%.
* Me следует забывать, что и числителе должны стоять значения пар-
парциальных давлений пли концентраций тех компонентов химической реакции,
которые взаимодействуют с выделением тепла, в данном случае ЗС4Н4 =
= C,Hi2 + q.
191

Пример 2. Изменение свободной энергии метана, водяных
паров и окиси углерода в зависимости от температуры можно
представить в виде следующих уравнений:
Л^сн. ----- — 14343 i- ] 1, 107 In 7 — 0,0081 72 4-
+ 60 • 10~6 Г3 — 51,591 Г
2) Нг+-|-Оа-НяОг„
Д/И]О - —57410 + 0,947111 7 -f- 0,00165Г2 —
— 0,37 • 10~673+-3,927
3) С + — О2 = СО
Д Frrt = — 26600 — 2,157 In 7 + 0,0021572 —
— 0,20 • 10~б73 —8,207.
Найти температурную зависимость изменения свободной
энергии и константы равновесия следующей реакции:
4) СН4 -(- Н.,0 ---= СО + ЗН2 — д.
Подсчитать также константу равновесия этой реакции при
7" - 1000" К.
Решение. В соответствии с законом Г. И. Гесса изменение
свободной энергии четвертой реакции должно равняться разно-
разности изменения свободных энергий: окиси углерода, с одной сто-
стороны, метана и водяных паров — с другой, т. е.
Отсюда находим изменение свободной энергии реакции конвер-
конверсии метана A/'Y
Л/\, -- — 2E(ЮО--2,\йТ\\\Т \-0,(Ю215Т2 -0,20- 10~°Г3-
¦-8.207Ч- 14343— ! I, ЮТ lii 7' i- 0,008lT2 — 0,60 • 10~67 ¦[¦
f ol,59i 7" -f- 57410 —0,94 71 In T~ 0,00! 6.37" -f
! 0,37 ¦ 10~67 —3,927.
или
M\ ¦-¦= 45153— 14,197!п7' 4- 0,00867* — 0,43 • ИГ6 7'3 -f ¦¦39,4717.
192

Изотерма реакции конверсии метана (исходя из значения
Л/7.») определится по уравнению A04) *:
4,5737 РСН/ РН?)
ИЛИ
, к 45153 j 14,19 ¦ Г ¦ 2,303 lg 7' 0.0086Т2 f
'' 4.573Т ' 4.573Т 4.573Т '
. 0,43 • 10~6 Т3 39.471Т
4.573Т 4.573Т
Окончательно получаем:
lg Кр--~- —-¦¦!-7,14 lg Г — 0,001887 -1- 0,094 • 10~672 — 8,64.
Определим значение Кр этой реакции при 1000° К G27° С):
lg Кр = — 9,874 ¦)- 7,14 • 3 — 1,88 -|- 0,094 — 8,64 -¦= 1,120,
или
р р3
к __со Hjo .^ ]3 18
р р . р
Энтропийный метод подсчета константы равновесия
Заменяя в уравнении изотермы реакции A04) значения из-
изменения свободной энергии или работы выражением их через
изменение энтропии (AF = AI—TAS) или (A=q—TAS), полу-
получим одно из уравнений энтропийного метода:
р 4.573Г 4.573Г
или
lg К ¦= — == я- -I- -Д-- . A Оба)
; 4,5737 4.573Т 4..573
Для стандартных условий (Т = 298° К, Р = 1 ата) это уравне-
уравнение примет следующий вид:
lg/(,== 7,33 ¦ 10~4AF,
или
lg/C*= 7,33 • 10 ¦ Д/° —0,22Д5°. A07)
* Значение Л/7 берем с обратным знаком, так как реакция конверсии ме-
метана эндотермическая.
13 С. Д, Бесков 193

Однако при более точных подсчетах необходимо в уравнение
A06а) для q и AS внести поправку на их температурную зависи-
зависимость. При этом, выражая q и AS через теплоемкости в их функ-
функциональной зависимости от температуры, получим следующие
интегральные уравнения максимальной работы реакции:
'dT[-=-^-; A08)
или
т, т,
^CdT CpdT. A08a)
q\TS[
Интегрируя это выражение от температуры стандартных ус-
условий B5° С) до заданной температуры Т и заменяя истинную
молекулярную теплоемкость средней (в пределах 298° К—ГК),
из уравнения A08а) получаем:
оно \
1) A086)
298 7
Отсюда уравнение константы равновесия примет следующий вид:
q11 Л5° ?"с„ /, 7 298 \
|g А' = ! '- 1п ! 1 , A09)
4,5737 4,573 4,573 \ 298 7 I
ИЛИ
Д /° 4 S° S С„ I T 298 \
]g к = j p. in 1 1 , (Ю9а)
р 4,5737 4,573 4,573 \ 298 7 /
или
A F 2 С„ I Т 298 \
lgK»= 1 --In- \ 1 , A096)
р 4,573 4,573 \ 298 7 / v '
где <7о — теплота реакции при стандартных термодинамичес-
термодинамических условиях B5°С и 1 ата)\
As0 — изменение энтропии системы при тех же условиях;
Е Ср—алгебраическая сумма средней молекулярной тепло-
теплоемкости Ср (р, пределах температур 25°С — 7"°К)
веществ, участвующих в реакции (в форме их темпе-
температурной зависимости).
Примечание. Следует при этом иметь в виду, что согласно приня-
принятому нами обозначению Кр сумма теплоемкостей - Ср в уравнениях A09) —
A096) должна быть взята со знаком плюс ( + ) для той части
рассматриваемой равновесной химической реакции, которая дает поло-
положительный тепловой эффект, и со знаком минус для части, кото-
которая протекает с отрицательным тепловым эффектом.
194

о , 7" . 298 . -
Величина In 1 1 =/ зависит от температуры,
и ее значение обычно берется из таблиц (см. табл. 26).
П р и м е р 1. Подсчитать константу равновесия реакции
2Н2 + О2 = 2Н2О + q
при температуре 727° С A000° К), пользуясь приближенными и
более точными энтропийными уравнениями для Кр . Теплота об-
образования для 2 молей Н2О равна 115 700 (см. табл. 17).
Решение, а) Приближенный подсчет по энтро-
энтропийному методу. По табл. 26 находим стандартное изме-
изменение энтропии и теплосодержания данной системы:
AS — 2SHj -f- So, — 25Hao газ.,
или
AS -=B- 31,23 + 49,02)—2 ¦ 45,1 --¦=. 21,28 кал.
Отсюда по уравнению A06а) имеем:
Ig К„ = ^°°^ + -2-^8- -- - 20,647.
'' 4,573-1000 4,573
б) Уточненный подсчет Кр по уравнению A09).
Для подсчета значения Кр по этому уравнению необходимо
предварительно вычислить разность средних теплоемкостей
ЯСр реагирующих веществ от 0 до 1000° К и величину
/ _ 1 /|g T , 298
4,573 4,573 V 298 Г
По табл. 10 находим средние значения теплоемкости при
727° С:
C"tO --= 7,05; С°рг = 7,66; — С%'° = 8,83;
И Ср = 2C]-i, -{¦ СОг — 2С\.\го,
или
ЪСр= 2- 7,05 + 7,66 — 2 • 8,83= 4,10.
Величина —!— при 1000° К равна 0,1110 (см. табл. 26).
4,573
Подставляя эти значения в уравнение A09), получим:
gtf,++( +
" 4.573Г 4,573 4,573 \ 298 Т
ИЛИ
lg/Cp= —20,647 + 4,10 -0,1110- —20,19.
3* 195

Опытное значение Кр для этой реакции при 1000° К равно---
20,П- Следовательно, разница между вычисленными и опытны-
опытными значениями \gKp составляет в случае приближенного подсче-
подсчета 2,7%, при более точном подсчете около 0,4%.
Пример 2. Подсчитать константу равновесия при 1227° С
(Т = 1500° К) реакции, протекающей в воздушном генераторе
С + СО2 = 2СО — q.
Решение. С помощью стандартных таблиц (см. табл. 22)
определяем изменение свободной энергии этой реакции:
Д F°c -= О; Д F°COt = — 94242; Д Fco - 32778,
откуда
Д F" —-2- 32778 -|- 94242 = + 26686 ккал/кг-миль.
По табл. 26 находим значение —-—. При 1500° К величина этой
4,573
функции равна 0,1780.
Средние молекулярные теплоемкости отдельных компонентов
реакции при 1227° С (см. табл. 10 и 13) равны:
С . . .0,1902+22,63- 10~3 ¦ 1227 —0,5 ¦ 10~G 12272
— 6,43 ккал/кг-моль
СО2 12,16 »
СО 7,68 »
Отсюда
*Ср-~ 2- 7,68 — A2,16 + 6,43) = — 3,23.
Подставляя полученные значения изменения AF0, —-— и в урав-
4,573
нение A096), получим:
Ig АГ„ = — 3,23-0,1780 = 3,315.
6 /; 4,573-1500
Опытное значение lg/C^ этой реакции при 1500° К равно 3,197,
что дает расхождение с вычисленным ~3%.
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. При нормальном давлении и 630° С плотность
паров, полученных при диссоциации SO3, равна р -=
= 0,000928 г/см2.
Найти: а) степень диссоциации SO3 на SO2 и О2; б) констан-
константу равновесия К,, реакции 2SO3 ^e 2SO2 + О2 при указанной
температуре.
196

Решение. Обозначим: а — степень диссоциации SO3;
G — вес SO3 до его диссоциации; V—объем в см3, занимаемый
газами после диссоциации SO3- Отсюда имеем (мол. вес SO3 ра-
равен 80,0):
G - СП
—-—- — число молей ЬО3 до диссоциации;
--число молей SO2, полученных в результате диссо-
80, U
циации SO3;
— — — число молей Ог после диссоциации;
80.0 1
0A-*) » сп
——— - — число молей ЬО3, оставшихся после диссоциации.
80.0
Таким образом, общее число молей газа в объеме V после
диссоциации SO3 составит:
G
п ~
а - A — а) = I — г-моль.
,0 [ 2 К | 80,0 V. 2 /
80,
Кроме того, по условию задачи имеем:
Р = у- = 0,000928 г/см3.
Объем, занимаемый п г-моль газа, полученными после диссо-
диссоциации SO3, определяется по уравнению Менделеева — Кла-
Клапейрона
v==J*Zl_-_*_/i + JL)J?L.f
Р 80,0 \ 2 / Р
откуда
G 80,0Р
Подставляя сюда значения —, R*, Т и Р, получим:
V
0,000928 =
+—-) • 82,1 • 903
Отсюда находим значение а:
а = 2 ^—^ 1 = 0,330.
\ 0,000927 -82,1-903 )
Подсчитаем константу равновесия Кр при диссоциации SO3.
Общее количество газа, полученного в результате диссоциации
* #==0,0821 л-ат/моль-град, или 92,1 см3-ат/моль.
197

1 H г-моль (см. выше). Из них
SO3 A—а) г-моль
S02 а »
О., — »
Итого . . .A ¦-!- —
Общее давление емеси газов Р = 1 ага. Следовательно, пар-
парциальные давления отдельных составных частей газа равны:
п п ' — а п 2 — 2а
/> Р = Р ата;
ь0' а 2 +2а
Pso ¦-== Я = = Р -^ ата;
f 2+а
=Р— -¦= Р —?— ата.
а 2+а
'+7
Отсюда Кр составит:
'2а.
2 — 2а\2 / а
2A—J 1
2A) 1 f
2+а/ I Г 2
Подставляя сюда значения: а = 0,33 и Р = 1 ага, получим:
К„ LlO^ = 0.0344.
2 • 0,672 • 1,165
Пример 2. Газовую смесь состава (ио объему): 20% СО
и 80% N2, пропускают при t = 1000°С и Р — 1 ото над закисью
железа, которая при этом восстанавливается до металлического
железа:
FeO-1-CO-- Fe f СО2.
Подсчитать количество получающегося железа на 1000 м'1
газа (приведенного к нормальным условиям) и состав равновес-
равновесной газовой смеси, если реакция восстановления FeO в Fe до-
достигает равновесного состояния и при данных условиях кон-
константа равновесия равна Кс = 0,403.
198

Решение. Расчет ведем на 1 г-моль поступающей смеси.
Обозначив степень окисления СО в СОг через х, получим состав
газовой смеси:
до равновесия в состоянии равновесия
СО . . .0,2 кг-моль СО2 ¦ ¦ -0,2х кг-моль
N2 . . .0,8 » СО . . .0,2A — х) »
Константа равновесия указанной реакции равна:
к [СО21
с ~ [СО] '
Подставляя сюда значение Кг и значения равновесных кон-
концентраций СО2 и СО, получим:
0,403 - —— .
0,2A — х)
откуда
х --- 0,287.
Таким образом, в результате взаимодействия СО на закись
железа при 1000°С образовалось:
CO., 0,287 ¦ 0,2 = 0,0575 кг-моль,
Fe 0,0575 кг-атом = 0,0575 ¦ 55,9 = 3,2 кг.
Объем ] кг-моль газа при 1000° С равен:
273
Следовательно, на 1000 м3 (приведенных к нормальным усло-
условиям) СО + N2 указанного выше состава образуется железа
3,2 • = 30,6 кг.
104,5
Состав газа, отходящего из зоны реакции
СО2 0,0575 кг-моль, или 5,75%
СО . . .@,2 — 0,0575) = 0,1425 » » 14,25%
N2 0,8 » » 80,0%
Итого 1 кг-моль !00%
Пример 3. При каких соотношениях азот и водород дадут
максимальный выход аммиака?
Решение. Уравнение реакции
3H2 + N2 ;-2NH3.
199

Обозначим молекулярную концентрацию отдельных компо-
компонентов в единице объема газовой смеси при равновесии:
хг-моль
. 2
Всего х -|- у -)¦- z = 1
Константа равновесия указанной реакции
откуда
Обозначив отношение концентрации водорода к концентра-
концентрации азота через ф, получим:
— — «; * = «*/;
у
кроме того,
у = 1 — х — 2 =- 1 — ? у — г.
Отсюда
!-* • И-*)
// =
Подставляя эти выражения в уравнение константы равновесия,
получим:
д. .о Ф3A^2K A —2) _ 93 A — 2L
Отсюда
Находим первую производную этого выражения, т. е. вы-
ход аммиака в зависимости от соотношения водорода и азоту
в газовой смеси. Для этого дифференцируем правую и левую ча-
части полученного уравнения:
«с.
а -з а ср

или
Отсюда
dz 3-f2 n -|- cp)-4 — 4?3 (l + <9)
/Сс[2гA-2)-4
Для нахождения максимума функции 2 по ср, т. е. макси-
максимального выхода NH3 от соотношения Н2: N2, которые мы обоз-
обозначили через ф, необходимо первую производную Z = /(ф) при-
приравнять нулю:
dz _ 3?2 A + с-)-4 - -Ь3 A -|- ?Г
Tf [2гA -г)-4 + 4г2 A -
Отсюда
или
(I -';- фГ'1 — — 9A -h ?) =0.
О
Преобразовывая это уравнение и решая его относительно ф,
получим:
5[ — ~?| ==0, или
откуда
ср ,= Иа ¦¦= 3
Следовательно, для максимального выхода аммиака необходи-
необходимо стехиометрическая смесь исходных компонентов.
Пример 4. При 1000°С и общем давлении 30 ата в равно-
равновесной смеси при взаимодействии углекислого газа с углеродом
С0.2 + С Х- 2СО — q
содержится 17% СО2. Определить, сколько СО2 будет содер-
содержать равновесная смесь при давлении 20 ата.
Решение. Определим константу равновесия указанной
смеои при 30 ата, считая, что в равновесной смеси содержится
17% СО2 и 83% СО:
/>2 C0 О, S3J
К„ ¦= -^- = 121,5.
рсо, 30-0,17
201

Обозначив парциальное давление СО2 в равновесной смеси через
х, по предыдущему имеем (для 20 ата):
*= 121,5 = B0-*)а.
X
Решая это уравнение относительно х, получим:
х- — А0х -\- 400 = 121,5а.
Отсюда
х -— Рсо — 2;55 ага,
что составит
' ] - - 12,75% СО2.
20.0
Пример 5. Водяной пар находится в равновесии с раска-
раскаленным железом при температурах 1025 и 900° С; давление газа
над железом равно 1 ата. Анализ газа показал, что в первом
случае в нем содержится 43,8% Н2О и 56,2% Н2, во втором слу-
случае— 40,8% Н2О и 59,2% Н2. Определить теплоту реакции же-
железа с водяным паром, если принять, что реакция протекает по
следующей схеме:
Fe -f-HjO
Решение. Для решения поставленной задачи воспользуем-
воспользуемся уравнением A01а)
Отсюда
q = 4,573
4
Т
,5737Ti
ТТу \
lg
К'р — константа равновесия указанной реакции при 900° С,
которая на основании парциальных давлений Н2 и Н2О в газо-
газовой смеси равна
р'н,о 0-408
° Р'н2 0,592
К„—константа равновесия реакции при 1025° С, которая
также может быть вычислена по данным анализа газов после
реакции:
к __= Р'н,о = _(М38_ _
'' Р'н 0,562
Тх = 900 + 273 = 1173°/С; Г2 = 1025 + 273 = 1298°/(.
202

Подставляя полученные значения в уравнение для
q, получим:
. „„ 1173- 1298 , / 0,438 0,592 \ опо„
а == 4,573 lg —¦ ¦ — = 2980 кал моль.
^ 1298 — 1173 V 0,592 0,408 /
Пример 6. Вывести уравнение константы равновесия кон-
конверсии окиси углерода (СО + Н2О = ССЬ + Н2), если опытное
значение \gKp этой реакции при 427° С равно ~ —1,0. При под-
подсчетах использовать более точные выражения температурной за-
зависимости теплоемкости веществ, участвующих в реакции (см.
табл. 6).
Решение.
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 10250 (при 20°С).
Истинные молекулярные теплоемкости (см. табл. 6):
С?° == 6,25 + 0,002091 Г — 0,459- Ю-6 Г2,
С?« ¦= 6,88 + 0,0000667 + 0,279- 10-с Г2,
С™. -_-_ 7,70 + 0.00530Г — 0,830- Ю-6 Т\
С?«° - 6,89 + 0.003283Г — 0,343 • 10~6 Г2.
Подсчитываем значения а, Р, т и <7о:
а = F,25 + 6,89) — G,70 + 6,88) = — 1,44,
3 -•= ~[@,002091 + 0,003283) —@,000066 + 0,00530)] =4- I0""G ,
T=-i-[(—0,459 —0,343) —@,279 —0,830)]. 10 -
= —0,084-10,
qa ¦--- 10250 — (а Г + p Г2 + i TJ)
или
70=" 10250+ 1,44-293— 4-10~6 -2932 +0,084- 10"ь -2933 = 10120.
Подставляя найденные значения а, р, т и q0 в уравнение
A02а), получим выражение температурной зависимости lg/Cp
I К — _ 10120 _ 1.441gT , 4 ¦ 10~6 Т 0,084 ¦ 10~6Г2
р ~ 4,573Г 1,986 4,573 9, Мб
Согласно условию опытное значение \gKp при Т = 700° К
равно—1,0. Следовательно, подставляя в выведенное уравне-
203

ние температуру, равную 700° К, и соответственно этому \gKp
= —1,0, получим:
\аК -=,-10 = — 1012° _ '.441g700 ,
"' ' 4,573- 700 1,986 '
, 4 ¦ Ю-6 -700 0,084 ¦ Ю~6 ¦ 7002 ^
4,573 9,146
Отсюда
С = 4,4.
Таким образом, уравнение константы равновесия будет иметь
следующий вид:
\gKp ., _ ^^_ —0,726 lgr-l-0,874-10 T— 0,00918- 10~6Г2+4,4.
Подсчитаем значение \gKp этой реакции при t = 600° С
(Т = 872° К):
а) по выведенной нами формуле
lg К„ = — -^ 0,726 lg 873+
+ 0,874-10~6 .873 — 0,00918 -10~° -8732 + 4.4 -—0,41 1;
б) по уравнению A5а) табл. 24
1 к 220^1_ _ 5,1588 • 10~5 • 873 — 2,5426 • 10~7 • 873 +
s p 873
¦{-7,461 • 10~п • 8733 + 2,3 —0,413;
в) по уравнению A56) табл. 24
lg Кр =--- — -^- + 1,5904 lg 873 — 1,817 • 10~3 • 873 +
о/о
+ 5,65 • 10 • 8732 —8,24 • 10~" • 8733— 1.5313= —0,423.
Значение Кр, найденное опытом при 600° С, равно—0,423.
Пример 7. Подсчитать выход NO при синтезе его из воз-
воздуха при температуре 2400° С, если константа равновесия при
этом равна 0,0035, а равновесие достигает 80%.
Решение. Воздух состоит из 21% О2 и 79% Nr2- Согласно
реакции
N2 + Оа = 2NO
из 1 объема О2 образуются 2 объема NO. Следовательно, если
в равновесной смеси х% NO, то на образование их пошло — л
Ог и —л N2. До реакции каждые 100 л воздуха содержали
:>04

79 л N2 и 21 л 02. Так как реакция идет без изменения объема,
то в равновесной смеси содержится
21 — — % О., и 79 — -— % N...
2 2
Таким образом, равновесный состав смеси будет
х % NO, 21—^ % Оо и 79 — •¦- % N2.
Если общее давление равновесной смеси равно Р ата, то пар-
парциальные давления:
Р •= —х— ата;
no 100
1--^-) Я D2-х) Я
^ата;
100 200
П~-Х-)р A58— x) P
П., -¦- — -¦= ата.
N* 100 200
Константа равновесия
Р2^
-= 0,0035.
14 2 ^2
Подставляя сюда найденные парциальные давления NO, N2 и
Ог, получим:
-?J2 - - ™-200 = 0 0035.
A58— х) Р D2 — х) Р ¦ 10Q-
После преобразования это уравнение примет вид:
а-2+ 0,1752* —5,81 =0.
Решая его, получим:
х = 2,34 % NO.
Следовательно, при достижении равновесия на 80% выход
NO будет равен:
х== 2,34-0,8= 1,87 %.
Пример 8. Вывести уравнение для подсчета выхода аммиа-
аммиака при синтезе его из элементов. Подсчитать также суточную
производительность колонны синтеза, если в нее подается
1000 м3/час азото-водородной смеси (приведенных к 0° С и 760 мм
205

рт. ст.) и если синтез идет при температуре 477° С и 1000 ата;
достигаемое равновесие составляет 60%.
Решение. Определим константу равновесия синтеза ам-
аммиака при t = 477° С (Т = 750° К) по уравнению C3) табл. 24:
lg/Cp = — 2°775108 + 2,4943 Ig 750 f 2,6833 • 10~3 • 750-
— 1,8564 • 10~7- 7502 —4,473,
откуда
К„ = 69,44.
Подсчитаем содержание аммиака в равновесной смеси. Обо-
Обозначим количество NH3 в 100 л последней через х. Тогда на до-
долю ЗН2 + No останется A00 — х) л, из которых 3 объема прихо-
приходится на Н2 и 1 объем на N2- Таким образом, равновесная смесь
состоит из
— A00 - х) % На, — A00 — х) % N2 и х % NH3.
4 4
Если общее давление равновесной смеси равно Р ата, то пар-
парциальное давление компонентов ее определится:
п 3A00 —х:) Р
Р„ = — — ата,
и
„ = —
и' 4-100
A00— х)Р
4 • 100
ата,
п Рх
PHNI = ата.
hn, 100
Отсюда константа равновесия синтеза равна:
V /jh/n2 100]/[3/4РA00 — х)'л\ ¦ [1/4 Р A00 — *)].
/С„ = -
Решая это уравнение, получим:
100J ¦ 100
3,248 • 10~3 A00 — .
Таким образом, получилось общее уравнение для подсчета
максимального выхода * аммиака в зависимости от давления.
Сделаем подсчет выхода NH3 для наших условий, т. е. когда
Р=1000 ата и Л^ =69,44 (при ^ = 477° С). Подставляем эти зна-
* Т. с. выход в момент равновесия.
2A6

чения в выведенное уравнение
69,44 3,248 • 10—3 A00 — xf
1000 x
Решая его, получим:
х= 63,2% NH;1.
или, считая, что реакция достигает равновесия на 60%, получим
фактический выход NH3
я1 = 63,2- 0,6 = 37,9% NH3.
Подсчитаем производительность колонны. В каждых 100 м3
смеси по выходе их из колонны содержится 37,9 мъ, или (для 0° С
и 760 мм рт. ст.) — = 1,695 кг-моль, или 1,695- 17 = 28,83 кг NH3.
Из реакции синтеза видно, что на 1 объем NH3 требуется 2 объ-
объема смеси азота с водородом. Следовательно, на 37,9 м3 NH3
израсходовалось 75,8 м3 азото-водородной смеси. Если колонна
синтеза будет работать только на свежен, поступающей из ком-
компрессора, азото-водородной смеси, а непрореагировавшие 62,1%
последней в нес вновь не возвращаются, то на каждые 37,9 м3
B8,83 кг) NH3 нужно свежей смеси 62,1 + 75,8= 137,9 Л13. Сле-
Следовательно, 1000 Л13 смеси ,в час дадут:
1000- 37,9 „г „
= 275,3 л
137,9
а производительность колонны составит:
JL7JbiL 24 " ' _ ^ 5 0 т/сутки NH3.
1000 • 22,4
Примечание. Фактически рабста колонн синтеза NH3 протекает
таким образом, что непрореагировавшая азото-водородная смесь снова воз-
возвращается в колонну, присоединяясь к свежей, подающейся компрессором,
смеси. Поэтому фактическая нагрузка колонны будет не 1000 м? газа, а зна-
значительно больше.
Пример 9. При сжигании колчедана печной газ имеет сле-
следующий состав: 9,0% SO2, 10% О2 и 81% N2. После пропускания
этого газа через контактный аппарат при t = 527° С и Р= 1,2 ата
концентрация непрореагировавшего SO2 в конечном газе равно
2,04%. Определить константу равновесия реакции окисления SO2
в SO3 при заданной температуре.
Решение. Реакция при окислении SO2
2SO2 + O2 = 2SO3 + q.
?V7

Константа равновесия
где Pso , Ро , Ps0 —концентрации газов в равновесном
состоянии, выраженные через пар-
парциальные давления;
[SO2J, [O3] и [SO-jj — то же, но выраженные в моль/л.
Определим состав равновесной смеси. Из предыдущего мы
знаем, что для газов объемные проценты представляют собой то
же, что и молярные проценты, или, что то же число молей газа
в 100 моль смеси. Следовательно, 100 моль первоначальной сме-
смеси (до контактного аппарата) содержит 9 моль SO2, 10 моль О2
и 81 моль N2. В равновесной же смеси, т. е. после контактного
аппарата известно только количество молей SO2 в газе.
Напишем изложенное выше в виде уравнения
2SO2 г О, + No = 2SO3 + No
пли применительно к нашим условиям:
vjSO, ;- vXb -I v;1N2 --= v4SO2 (остаток) 4,- v5SO3 j-
i ve02 (остаток) + v3N2.
Подставляя вместо v их значения из условий задачи, получим:
9SO2 -!- 1002 + 81N3 - v4SO2 + v5SO3 -\- va0.2 -|- 81N2.
Согласно реакции окисления сернистого газа 1 моль SO2 даеч'
1 моль SO3, а кислорода при этом расходуется '/2 моля. В конеч-
конечном газе осталось v4 молей SO2. Следовательно, остальные
9 — v4 молей SO2 дадут vs = 9 — v4 молей SO3, а расход кисло-
кислорода при этом составит —;—^ молей. Остальные Vfi==10 —¦
моль О2 останутся в конечном газе. Азот в реакции не участвует,
поэтому количество его остается одним и тем же до и после ре-
реакции. Окончательно получаем:
9SO2 + ЮО2 + 81N2 --- v4SO2 -{- (9 — v4) SO3 4-
10 — --9-^^-) O2 -f 8IN,.
Следовательно, число молей газа в конце системы, т. е. после
контактного аппарата, составит (на каждые 100 моль исходного
газа):
Ч + (9 — v4) 4- (\0 ~уЧ ¦ 1- 81 -=¦ 95,5 — -^- моль,
где V4 моль SO2 по условию задачи составляют 2,04%.
208

Отсюда
100v4 = 2,04/95,5 — -^-]
Решая это уравнение, получим:
v4 = 1,93 моль SO2.
Таким образом, уравнение реакции будет иметь следующий
вид:
9SO2-f- Ш02 + 81N2 = 1,93SO2 + 7,07SO;i+ 6,470, -f 81N2.
Общее число молей в конечном газе составит (на 100 моль
первоначальной смеси):
1,93 + 7,07 + 6,47 + 81 = 96,47,
или в процентах и парциальных давлениях (р):
502 . . . '¦¦" =2,0%*, PSQi = 0,020- 1,2=0,0240 ата
503 . . -^~—= 7-3%. ^, = 0,073. 1,2-0,0876 »
О2 • ¦ • 6'эб4700 = 6'7%' ^о, =0,067- 1,2 = 0,0804 ,
N2 . . . 81"^° =84,0%, PNj = 0,840 • 1,2= 1,0080 »
Отсюда определяем константу равновесия Кр и Кс\
Pin pn @.024J ¦ 0,0804
а) Ко = ьо> о> = = 0,00602;
P|Oj @,0876)
К" 0,00602 .
б) Ке -= ¦ р-— = = 0,92 • 10~4.
(RTf 0,0821 • 800
Проверим значение Кс* исходя из состава смеси в моль/л.
При выходе из контактного аппарата на 100 моль исходной сме-
смеси получается 96,47 моль газа, из которых 1,93 моль приходится
на SO2, 7,07 моль на SO3, 6,47 моль на Ог и 81 моль на Nj. Отсю-
Отсюда состав газа в моль/л определится из следующего. Обозначим
через V объем, занимаемый 96,47 молей нашего газа. Из уравне-
уравнения Менделеева — Клапейрона:
V = -
* Точнее 2,04% (см. условие задачи).
** :-v = 2+1—2=1.
14 С. Л. Бесков 209

где п = 96,47 моль; # = 0,0821 л-ат/моль ¦ град; Т = 800° К;
Р = 1,2 ага.
Подставляя эти значения в указанное уравнение, получим:
у = _96,47^0.0821^ 8ВД __ ^д. Д
1,2 '
т. е. при выходе из контактного аппарата 96,47 г-моль таза зани-
занимают объем 5295 л.
Концентрация отдельных компонентов в газовой смеси равна:
1,93 сгл 7,07 . сг. 6.47 . ^ .
моль/л SO2; —-— моль/л SO3; моль/л (J2
Отсюда
[1,93]2 6,47 I/ 3,724-6,47
[SO3|2 V2 V 7,072 50,0V
Подставляя сюда значение V, равное 5295 л, получим:
Кс =¦ —•¦-¦—-——— = 0,92 • 10.
50 ¦ 5295
Таким образом, расчет произведен правильно.
Пример 10. Смешанный газ, идущий на конверсию, имеет
следующий состав: 36,0% СО, 35,5% Н2, 5,5% СО2 и 23,0%, N2.
Сколько объемов водяного пара нужно взять на 1 объем этого
газа, чтобы в сухом конвертированном газе содержание СО было
но выше 2%, если конверсия протекает при 550° С и если при-
принять, что в конверторе реакция достигает равновесного состоя-
состояния? Принять константу равновесия при этой температуре рав-
равной 0,281 *.
Решение. Реакция при конверсии
С0-1-1Ш = СО2-| И,.
Константа равновесия
Примечание. Так как эта реакция идет без изменения объема, то
здесь безразлично, выражать ли концентрации в моло/л, в моль-процентах, а
объемных процентах пли в парциальных давлениях.
Расчет ведем на 100 моль сухого смешанного газа. Обозна-
Обозначим количество водяных паров, вводимых на 100 моль сухого
газа, через у моль, а количество прореагировавшей окиси угле-
углерода через х моль. Следовательно, остаток СО после реакции со-
* Ее можно подсчитать то уравнению 15, табл. 24.
210

ставит C6—л') г-моль. Согласно уравнению реакции иолучается х
моль Ъ\-2 и х моль СОо; водяных паров прореагирует также х
моль. Напишем это для наглядности в виде химического ра-
равенства:
ЗбСО + 35,511, -I- ijU.,0 + 5,5CO2 -\- 23N2 = C6 — х)СО 4-
+ C5,5 + х) Н2 + {у — х) Н.,0 -|- E,5 -f x) CO2 + 23N,.
Таким образом, сухой смешанный газ (на 100 г-моль) имеет
следующий состав:
до конг.ерсии после конверсии
СО 36 моль 36 — х моль
Но 35,5 » 35,5 -|- х »
Н2О .... у » у — х »
СО2 5,5 » 5,5 + х »
N, 23 » 23 »
И то г о: влажного газа A00 \-у)моль 100 + у моль
сухого » 100 » 100 + х »
Количество СО в конвертированном газе должно составить
2% по отношению к сухому газу, т. е.
—зе^-^_ ______ Q 02_
100 + х
Отсюда
х = 33,33 моль.
Составим второе уравнение, исходя из константы равновесия
и определим у:
д, _= [СО] [Н,О] = CG -х)(у- х) ___ Q 28]
ICOJII!2] E,5 + х) C5,5+ х)
или, подставляя вместо х найденное значение его, получим-
2,67A/ —33,33) л, оо1 о 1
——^0,281; у =3,1 г-моль.
3S.83- 68,83
Следовательно, для данных условий конверсии на 1 объем
сухого смешанного газа необходимо брать 3,1 объема водяных
паров. При этом процент конверсии составит:
33,33-юо ^92[5%_
36
14* 211

ЗАДАЧИ
1. Подсчитать изменение термодинамических функций 1 г-моль бензола
при переходе его в газообразное состояние при температуре кипения и
Р=1 ата; температуру кипения и теплоту испарения бензола взять из т;:бл. 15.
Ответ. ДУ = 7350 кал; AS = 20,8 кал/град; Af = 0; АА„а„<¦.. = — 704 кал;
Д?/ = 6б46 кал.
2. Вычислить изменение энтропии 1 кг льда при изотермическом перехо-
переходе его в пар при 105° С; первоначальная температура льда —30° С.
Ответ. AS = 2,115 ккал/град.
3. Газ при температуре 127° С подвергается изотермическому расшире-
расширению с давлением 1,0 до 0,01 ата. Подсчитать изменение термодинамических
функций газа в результате этого процесса.
Ответ. Д?/ = 0; AS = 9,18 кал/моль ¦ град; AF =—3670 кал/моль; АА =
= —3670 кал/моль.
4. Вычислить термодинамическую эффективность (коэффициент полезного
действия) водяного пара, начальная температура которого: а) 100° С;
б) 360° С, а температура конденсата 30° С.
Ответ, а) 18,1%; б) 52,2%.
5. Подсчитать энтропию: а) метана и б) водорода при 600° С, если при
?=25° С энтропия метана раина 43,4 кал/моль ¦ град, а энтропия водорода
31,23 кал/моль ¦ град, и процесс нагревания их (с 25° до 600° С) протекает
при постоянном объеме. При подсчетах пользоваться значениями С?н* н
Ср« из табл. 6; Cv =CP—R.
Ответ, а) 54,1 кал/моль ¦ град, б) 36,7 кал/моль . град.
6. По окончании реакции между 1 моль/л этилового спирта и 1 моль/л
уксусной кислоты получено 0,667 моль/л уксусноэтилового эфира. Подсчитать
константу равновесия реакции
С2Н5ОН + СН3СООН = СН3СООС2Н6 + Н2О.
Ответ. 4,0
7. При 1000° С константа диссоциации Кл„сс йода (/2^2У) равна
0,1650. Если 1 г-моль йода поместить в сосуд емкостью 100 мл и нагреть до
1000° С, то сколько при этом останется йода педиссоципрованным?
Ответ. 0,937 г-моль.
8. Смесь 1 г-моль этилового спирта и 0,091 г-моль ацетальдегида в рав-
равновесном состоянии при 25° С занимает объем 63,0 мл. При этом вступило в
реакцию 90,72% ацетальдегида:
2С2Н6ОН + СН3СОН ^ СН3СН (ОС2Н6J + Н2О.
Подсчитать: а) константу равновесия Кс указанной реакции; б) сколько ос-
останется ацитальдегида непрореагироваишим, если раствор разбавить инертным
растворителем до 500 мл.
Ответ, а) 0,071; б) 31,6%.
9. Константа равновесия Кс реакции между уксусной кислотой
(СНзСООН) и этиловым спиртом (С2Н5ОН)
СНзСООН + С2Н5ОН ^СН3СООС2Н5 + Н,0
при 25° С равна 4,0. Сколько получится уксусноэтнловпго эфира в равновес-
равновесной смеси, если взять исходных продуктов: а) по 1.0 молю кислоты и сниртаз
6) 2,0 моля кислоты и 1,0 моль спирта, разбавленных в 1 моле воды.
Ответ, а) 0,667 молей; б) 0,774 моля.
212

10. Стехиометрическая смесь CH2+N2), заключенная в сосуд емкостью
1 л при 40(Г С, образует 0,0385 г-моль NH3. Вычислить константу равновесия
Ке и Кр реакции 3H2 + N2:?2NH3.
Ответ. К, =5.95-К); Кр = 1.95 ¦ 10~я.
11. Подсчитать: а) степень превращения азота в аммиак при 427° С и
давлении 300 ата; б) состав равновесной смеси газов, если в колонну синтеза
поступает стехиометрическая смесь и константа равновесия Кс реакции
синтеза при данных условиях равна 0,0136 на 1 моль NH3.
Ответ, а) 0,6; С) 14,2% N2; 42,9% Н2; 42,9% NH3.
12. Приняв константу равновесия реакции окисления сернистого газа в
серный ангидрид при температуре 727° С равной 0,00345 на 2 моля SO31 вы-
вычислить: л) Ко для нее; б) еостап равновесного газа.
Отпет, а) 0,283; б) 42,5% SO2, 21,2% О2 и 36,3 SO3.
13. Константа равновесия Кр при сгорании СО и СО2 при температуре
1850° С равна 5,88 • 10~5 на ' моль Ог. Подсчитать равновесный состав га-
газов, полученных при диссоциации СО2 при указанной температуре.
Отпет. 4,5% СО, 2,3% О2 и 93,2% СО2.
14. Вычислить стандартное (при 25° С) изменение свободной энергии ре-
реакции СО + Н2О = Н2 + СО2, если тепловой эффект ее при 20° С равен
9820 кал, а изменение свободной энергии при 727° С равно +830 кал. Тепло-
Теплоемкости реагирующих компонентов взять из табл. 6.
Ответ. 6432 кал.
15. Пользуясь табличными данными: а) теплотой образования Н2О па
элементов (см. табл. 17), б) стандартным значением свободной энергии
1 моля 112О (см. табл. 23) и в) температурной зависимостью тсплоемкостей во-
водорода, кислорода и Н2О (см. табл. 6) вычислить изменение свободной
энергии при образовании Н20Газ из элементов при 727° С.
Ответ. 43 800 кал.
16. Подсчитать максимальную работу диссоциации углекислого кальция:
а) при температуре 930° С; б) когда упругость диссоциации его равна
0,24 ата. При расчетах пользоваться графиком рис. 18.
Ответ, а)—630 кал/моль; б) 3020 кал/моль.
17. Баллон емкостью 3,4 л, в котором находится 5,0 г фосгена COCIj
нагрет до 400° С. Давление в баллоне при этом установилось 760 мм рт. ст.
Подсчитать, насколько диссоциирован фосген (СОС12^СО + С12) и каковы
константы равновесия Кр и Кс для этих условий.
Ответ. Диссоциировано 22% СОС!2; /С^ =0,0495; Кс =0,0009.
18. Подсчитать: а) насколько будет диссоциирован фосген, если в бал-
баллоне емкостью 3,4 л будет помешено его 2,5 г и, кроме того, добавлен 1 г
хлора; б) какое при чтом будет давление в баллоне, если температура газа
в нем 400° С и К,,-0,0195.
Отпет, а) Диссоциировано 9,0% фосгена; б) Р = 0,9 ата.
19. Подсчитать, какое давление будет иметь газ после диссоциации, если
в условиях предыдущего примера вместо хлора в баллон будет прибавлено
1,0 г азота.
Отпет. 1,8 ата.
20. Насколько будет диссоциирован углекислый газ BСО2^2СО + О2)
при температуре 2000° С и Р=1 ата, если константа равновесия при этом
Кр =2,77 10~е?
Ответ. На 1,7%.
21. Сколько образуется водорода из 5 г Н2О при 1985° С и 1 ата, если
константа равновесия реакции 2Н2+О2^:2Н2О + G при этих условиях
равна 6.936- 10~7?
213

22. Реакция между железом и водяным паром протекает по следующей
схеме:
3Fe + 4Н„О г"- Fe;A + 4Н2.
Подсчитать выход водорода, если давление в системе 1,591 ата, причем со-
содержание водяных паров в равновесной смеси составляет 40,7%.
Примечание. При решении пользоваться уравнением изохоры.
Ответ. 59,2%.
23 Определить теплоту диссоциации N2Oi, если константа равновесия
Кс реакции 2NO2^N2O4 при 27° С равна 0,0068, а при 1110 С 0 8I6.
Примечание. При решении пользоваться уравнением пзохоры.
Ответ. 13 000 кал.
24. В сосуд емкостью 1 л помещены 3,6 г PCIs и нагреты до 200° С. При
этом установилось давление, равное I ата. Подсчитать, насколько разложится
(диссоциирует) лятихлористый фосфор
Ответ. На 48,5%.
25. Каков будет состав равновесной смеси в результате реакции водяного
пара с окисью углерода
Н.,О + СО -= Н2 + СО2,
если константа диссоциации водяного пара BH2Oi;2H2 + O2—q) при данных
условиях равна 10~'7, а константа диссоциации СО2 равна 1,17. 10" 2|
Ответ. 32,2% СО2; 32,2% IЬ; 17,8% СО; 17,8% П2О.
26. Через трубку, наполненную катализатором, пропущена смесь, со-
состоящая из 10% SOo и 90% О2 (по объему) при 723° С и 1 ата. Равновес-
Равновесный газ из трубки затем пропускался в раствор ВаС12. По истечении 1 часа
анализ показал, что из раствора выпало в осадок 2 92 г BaSO*. Скорость
пропускания реакционной смеси через трубку равнялась 5 л/час (измерение
произведено при 1 ата и 20° С). Подсчитать: а) сколько процентов SO2 пре-
превратилось в SO3; б) какова константа равновесия Кр при этом; состав
газа, идущего и раствор ВаСЬ.
Ответ, а) 60% SO2; б) 0,40; в) 6,18% SO3; 4,12% SO2 и 89,7% О2.
27. Определить состав равновесной смеси при синтезе аммиака из эле-
элементов, если синтез протекает при 350° и 100 ата, а констэнта равновесия
при этом Кр =36,95; исходная смесь состоит из 3 объемов водорода и 1 объ-
объема азота.
Ответ. 36,1% NH3, 47,5% Н2 и 16,4% N2.
28. Для окисления хлористого водорода 4НС1 + О2 = 2П2О + 2С12 Зыла
взята смесь состава: 32,4% О2 и 67,6 НС1. По окончании реакции в конечном
газе оказалось 31,4% С12. Определить а) константу равновесия Кр этой ре-
реакции и б) состав конечного (равновесного) газа.
Ответ, а) 0 01233; б) 31,4% С12, 31,4 М2О, 15,4% HCI и 21,8% О2.
29. Найти константу равновесия реакции окисления аммиака
4NH3 -|- 5О., = 4NO + 61IX)
при 727° С, пользуясь значением теплоемкостей, приведенных в табл. 6 и
тепловых эффектов, приведенных в табл. 17.
Ответ. К„^\0~й0-
30. Определить температуру: а) при которой начинается диссоциация
известняка на СаО и СО2 под давлением 1 ата (СаСОз<^СаО + СО2) и б) при
которой СаСОз начинает диссоциировать под давлением 10 ста.
Ответ, а), 716° С (решение по уравнению Нсрпста); б) 835° С.
214

31. Определить процент превращения SO2 a SO3 в контактном аппарате
при 450° С и 1 ата, если реакция достигает своего ранновесия и смесь
(SO2 + O>) мята в стсхиометричоском отношении.
От ист. 96%.
32. Пользуясь значениями констант равновесия реакций: 2NO + O2 =
= 2NO2 и 2SO2 + O2 = 2SO3 (см. табл. 24) вывести температурную зависи-
зависимость lg Кр для реакции
SO2+NO2=NO + SO3.
Pso PNO 2312
Отпет, lg Kp= lg —* -¦— = ——;,——1,485 Ig Г +0,000025 Г + 5,48.
PNOPSO, '
33. При производстве серной кислоты контактным способом печной газ,
поступающий в контактный узел, имеет следующий состав (по объему):
7,8% SO2, 10,8% О2 и 81,4% N2. Процесс контактирования SO2 в SO3 про-
протекает при температуре 500° С и давлении 1 ата. Подсчитать: а) процент кон-
контактирования; б) состав газа по выходе из контактного аппарата.
Примечание. Значение константы равновесия реакции: SO2 +
+ V2O2--SO3 ii.iHTi, па рис. 18; при расчете принять, что реакция достигает
равновесного состояния.
Отпет, а) 94%; б) 0,5% SO2. 7,6% SO3. 7,4% О2 и 84,5% N2.

Глава VI
КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ*
МОЛЕКУЛЯРНОСТЬ И ПОРЯДОК РЕАКЦИЙ
С точки зрения первичного элементарного акта, которым оп-
определяется механизм химических реакции **, последние разде-
разделяются на моно-, ди- и тримолскулярные реакции; реакции бо-
более высокой молекулярности практически неизвестно.
* Кинетикой химических реакций называется учение о их скорости и за-
зависимости последней от различных факторов.
** Под мехашнмом химической реакции понимается совокупность эле-
элементарного первичного акта и сопутствующих ему элементарных вторичных
актов, которые суммируясь, дают и итоге наблюдаемые результаты процесса
в целим Так. например, механизм разложения пятиокнен азота представля-
представляется в следующем пиле:
первичный элементарный акт
N A = N,O3 + О,;
сопутствующие ему вторичные элементарные акты
N,0., = NO -f КО,,
N0 + N А = 3NC>2,
4NO2= 2NA: "
суммарные наблюдаемые результаты процесса в целом
2N А = 2N А + 02.
216

Мономолекулярными реакциями называются та-
такие, при которых первичный элементарный химический акт осу-
осуществляется всего лишь за счет одной исходной молекулы, на-
например
N-CH3
I) II - С.,Н„ + N2, 2) N.,O6 = NO + NOa + O2,
N—CH3
3) CH3— O — CH3 = CH4 -f CO + H2 и т. д.
Или в общем случае
Л = Л' + Л"+ . . .
Реакции, в которых элементарный химический акт протека-
протекает за счет двух встречающихся друг с другом молекул, носят
название бимолекулярных, например:
1) 2HJ = Н2 + J2, 2) 2NO2 = 2NO + О2 и т. д.
или в общем случае
1А = В' + В" + . . . или А + В = (АВ)' + (АВ)" + . . .
Тримолекулярными реакциями называются такие,
которые в элементарном первичном акте требуют встречи трех
молекул, например,
ЗА = С + С" + ... или А + В + С = (ABC)' + (ABC)" + ...
или 2А+ В ш. (А.,В)' + (А,В)" + . . . и т. д.
Три молекулярные реакции практически встречаются очень
редко; наиболее частыми и преимущественными в производст-
производственной практике являются бимолекулярные реакции.
Обозначим *:
а—начальная концентрация вещества А;
b—начальная концентрация вещества й;
с — начальная концентрация вещества С;
х—количество прореагиропапшпх исходных веществ или,
что то же, количество образующихся конечных продук-
продуктов за время т (минуты, секунды) от начала реакции;
/г — константа скорости реакции, которая для данной реакции
при данных условиях является величиной постоянной.
Тогда скорость реакции, в зависимости от ее молекулярности,
выразится одним из следующих кинетических уравнений:
а) Для мономолекулярной реакции
v= --—= А (а — х), (ПО)
d-z
* При изучении кинетики мимических процессов концентрации исходных
веществ и продуктов реакции обычно выражают в моль/л.
217

откуда после интегрирования получим:
A11)
т \ а — х
б) Для бимолекулярной реакции
откуда
/г=———]g a(b-x)_ ^ (\\2a)
т (а — b) b (а — х)
Если исходные вещества взяты в эквимолекулярных количе-
количествах (а = Ь), то уравнения A12) и A12а) примут следующий
вид:
v ¦= — - = к (а — х?, A126)
A-е
откуда
т • а (а — х)
или
а — х
в) Для тримолекулярнои реакции (если а = Ь = с)
-^=(а-хУ\ A13)
откуда
к = -!_
Г
2 т L (« - х2) «
Если при тримолекулярнои реакции в качестве исходных ве-
веществ два компонента (например, 2NO + O2 = 2NO2), взяты не в
стсхиометрическом отношении (о = с =/¦= Ь), то уравнение скоро-
скорости реакции примет следующий вид:
_rf— = k (a — xf (b — х), A136)
d i
откуда (после интегрирования) получим:
k -= 1 ( ^—")Х + 2,3 lg ^^lb I. A13b)
Таким образом, уравнения (ПО) — A13а) показывают, что
каждому типу реакции соответствует свое выражение для опре-
определения константы их скорости.
Я8

Следует, однако, отметить, что, определяя на основании этих
выражений практическую константу скорости той или иной реак-
реакции, очень часто наблюдают несовпадение порядка реакции с
соответствующим ей кинетическим уравнением.
Так, например:
1) Практические измерения состава и концентрации продук-
продуктов разложения пятиокиси азота
2N А = 2N.,O4 -f О,
показывают, что эта реакция идет по бимолекулярному закону,
т. е. константа ее скорости подчиняется уравнению A12). Од-
Однако более детальными исследованиями этой реакции установ
лено, что первичный элементарный акт при разложении N2O5
является мономолекулярным:
NA = NA + О2.
Вслед за этим сравнительно медленным первичным актом идет
ряд сопутствующих ему вторичных, более быстрых, элементар-
элементарных актов:
NA, - NO-I-NO*
N0 + N А - 3NO2f
4NO2 = 2NA,
суммарно: 2NA 1;= 2NA + 03,
которые и определяют собой наблюдаемую (определяемую изме-
измерением) скорость суммарной реакции.
2) Измерения концентраций исходных веществ и конечных
продуктов реакции окисления окиси азота
2N0 + О, = 2N0.
показывают, что эта реакция идет по тримолекулярному закону,
т. е. в случае эквимолекулярных концентраций N0 и Ог она под-
подчиняется кинетическому уравнению A13в). Более детальными
исследованиями установлено, что эта реакция состоит из двух
бимолекулярных элементарных актов:
а) первичного: 2N0 =¦- NA (быстрый акт),
б) вторичного: N А + О.2 — 2NO2 (медленный акт)
суммарно: 2N0 + 0.2 = 2NO2.
Вследствие этого, с точки зрения изменения измеряемых кон-
концентраций реагирующих компонентов с течением времени, все
химические реакции разделяются (по более формальному их
признаку) на реакции первого, второго, третьего и высших по-
219

рядков, независимо от их молекулярности. К реакциям первого
порядка относятся те реакции, скорость которых по результатам
измерения концентрации исходных веществ и конечных продук-
продуктов, подчиняется кинетическому уравнению A10) независимо
от их истинного механизма, т. е. независимо от элементарных
первичного и вторичного актов. Аналогично этому все реакции,
подчиняющиеся кинетическим уравнениям бимолекулярных
A13) и A13а) и тримолекулярных A15) реакций, соответствен-
соответственно называются реакциями второго и третьего порядка. Так, на-
например, рассмотренные выше реакции относятся к следующим
типам II категориям их:
N-CH3
1) II ¦= C2He + No—реакция мономолекулярная, первого
N—СН3 порядка;
2) 2HJ — Н2 f J2—реакция бимолекулярная, второго по-
порядка;
3) 2NO + О2 = 2NO2—реакция бимолекулярная, третьего
порядка;
4) 2N2O6 = 2N2O4 -f O.j—реакция мономолекулярная, второго
порядка и т. д.
Из определения порядка реакции вытекает, что в реакциях
первого порядка стехиометрическии коэффициент прямой реак-
реакции равен единице, в реакциях второго порядка — двум, треть-
третьего порядка — трем и т. д.
Однако следует иметь в виду, что стехиометрические коэф-
коэффициенты того или иного равенства химической реакции не
всегда определяют собой порядок, а тем более молекулярность
реакции. В простых, типа указанных вьппе, реакциях эти коэффи-
коэффициенты совпадают с порядком реакции; однако это бывает да-
далеко не всегда. Практически порядок реакции на основании
изменения ее скорости определяется экспериментальным путем.
При измерениях кинетики химических реакции константы
скорости нх необходимо всегда выражать в одноименных едини-
единицах. Константа скорости любой реакции зависит от температуры.
Для реакций первого порядка а и х не зависят ни от вы-
выбранных единиц изменения концентраций, ни от степени разбав-
разбавления раствора. Для би- и тримолекулярных реакций числен-
численное значение зависит от выбранных единиц измерения, а сле-
следовательно, и от степени разбавления раствора или газа. При
пользовании величиной это необходимо всегда иметь в виду и
выражать ее при тех или иных подсчетах, сообразуясь с раз-
размерностью, которая была вычислена при экспериментальном ее
определении.
2:>0

Приведенные выше уравнения константы скорости реакции
показывают, что для реакций первого порядка отношение
Д lg (а — х)
должно оставаться постоянным в течение любого промежутка
времени Дт. Это означает, что если откладывать на оси ординат
время реакции т, а на оси абсцисс соответственно этому времени
величину lg (а—х), то должна получаться прямолинейная за-
зависимость.
В случае реакций второго порядка должно сохраняться по-
постоянным соотношение
А т
1
для любого промежутка времени Ат. При этом в графической
форме прямолинейная зависимость будет в том случае, если на
одной оси координат откладывать время, на другой — значе-
значение ¦.
а — х
Нередко в практической работе приходится сталкиваться с
подсчетами полугериода распада * того или иного вещества,
т. е. с подсчетом времени т(/ , необходимого для того, чтобы
концентрация этого вещества уменьшилась наполовину. Следо-
Следовательно, в данном случае величина х должна равняться — •
Если принять при этом, что подобного типа реакции протекают
по мономолекулярному закону, то величина полупериода распа-
распада составит:
a--~ k
или
0,693
Определяя подобным образом полупериод распада исходных
веществ реакции второго порядка, находим но уравне-
* Полупериод распада в научно-технической литературе именуется также
периодом полураспада и полупериодам «жизни» данного вещества.
221

нию A12а):
а
у. —
2
/ а
-с а (а — А') т а \а —¦
2
ИЛИ
Уравнения A14) — A15) чаще всего в практике используются
при расчетах процессов радиоактивного распада.
Пример 1. Подсчитать скорость омыления уксусноэтилово-
io эфира
СН3СООС2Н5 + NaOH = CHaCOONa + С2НВОН,
если а) это—реакция второго порядка, б) исходные концентрации
эфира и щелочи составляют по 16 моль/л и в) через 5 мин в ре-
результате реакции концентрация каждого из них понизилась до
10,24 моль/'л.
Решение. В течение 5 мин прореагировало *=16—10,24 =
= 5,76 моль/л эфира и столько же щелочи. Отсюда
, х 5,76 моль!л
ia{a—х) 5- 16A6 — 5,76) м ин ¦ моль/а ¦ моль/л
ИЛИ
/г = 0,0070 л/'моль • мин*.
Пример 2. Перекись водорода, начальная концентрация ко-
которой равна 25,4 моль/л, разлагается в присутствии катализато-
катализатора. При этом через 15 мин в растворе осталось перекиси водо-
водорода 9,83 моль/л, а через 30 мин—3,81 моль/л. Определить по-
порядок реакции:
Н,О, = Н,О, + О; О |-О-О2.
Решение. Предполагая, что разложение П2О2 идет по мо-
мономолекулярному закону, подсчитаем константу скорости, поль-
пользуясь уравнением A11), где в данном случае
а = 25,4; (а — хх) = 9,83 и - = 15 мин
и
а = 25,4; (а — х.,) -^ 3,8 1 и т: = 30 мин.
Подставляя эти значения в уравнение A11), получим:
kx = -^-lg-^-i4- = 0,0632 мин'1'
15 9,83
* Или, что то же, моль/л в 1 мин.
2!!2

k2 = -±±- lg -^i- = 0 0633"
30 3,81
Таким образом, реакция разложения перекиси водорода дей-
действительно является реакцией первого порядка.
П р и м е р 3. Константа мономолекулярной реакции равна
0,0635 мин. Подсчитать полупернод «жизни» продуктов этой
реакции.
Решение. Применяя уравнение A14), определяем величи-
ну T,/f:
0,693 ,„„
т.,0 = = 10,9 мин.
1/2 0,0635
Таким образом, половина исходного продукта данной реак-
реакции прореагирует за 10,9 мин.
ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ СКОРОСТЬ
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
В предыдущем параграфе было отмечено, что скорость хими-
химической реакции прямо пропорциональна произведению концент-
концентраций реагирующих веществ (см. уравнения 95—95а).
В современной производственной практике большинство хи-
химических процессов осуществляется непрерывно, т. е. протекает
таким образом, что и продукты реакции и непрореагпровавшие
исходные вещества непрерывно отводятся из аппарата, а вместо
них сюда постоянно добавляется новое количество исходных ве-
веществ. Следовательно, концентрация последних в каждом участ-
участке аппарата п течение всего процесса остается постоянной. Отсюда
и скорость реакции в каждом участке аппарата устанавливается
постоянной. При этом па входе исходных веществ в реакционный
аппарат, когда концентрация их является максимальной, ско-
скорость реакции будет также максимальной, а на выходе из аппа-
аппарата она становится минимальной. Таким образом, для тех ус-
условий работы аппарата, которые имеют в нем место, средняя
скорость реакции вполне определенная и постоянная. Следова-
Следовательно, выход продуктов реакции будет зависеть от времени пре-
пребывания в реакционном аппарате исходных веществ и он будет
максимальным в том случае, если реагирующие вещества будут
находиться здесь в течение времени, достаточного для того, что-
чтобы реакция достигла равновесного состояния. И естественно, что
одним из главных факторов, определяющих производительность
аппарата или, что то же, размеры его ири равной производитель-
223

10СТИ, будет являться скорость реакции, осуществляемой в этом
аппарате.
Из уравнений (95) —(95а) следует, что скорость любой хи-
химической реакции зависит от величины ее константы и от кон-
концентрации реагирующих веществ, а следовательно, для реакции,
протекающей в газовой фазе, — и от давления. При концентра-
концентрации реагирующих веществ, равной единице A моль/л) константа
скорости численно будет равна скорости реакции
v =•• К моль • л ¦ мин~х.
Таким образом, константа скорости реакции характеризует со-
собой природу реагирующих веществ и определяет собой частоту
или число активных (эффективных) столкновений * реагирую-
реагирующих молекул в единицу времени A сек, 1 мин и т. д.) в единице
объема при концентрации их 1 моль/л. В связи с тем, что с по-
повышением температуры число активных столкновений молекул
увеличивается, константы скорости, а следовательно, и скорость
химической реакции будет зависеть от температуры. Так, напри-
например, при взаимодействии азота с кислородом
N, + О -zt 2NO,
заметное количество окиси азота можно обнаружить
при 850°С—примерно, через 10 час:
при 1600°С—¦ » » 1 сек и
при 2000°С— » » 0,005 сек и т. д.
Как показывает опыт, повышение температуры на 10° С, вы-
вызывает увеличение скорости химической реакции примерно в 2—
4 раза (правило Вант-Гоффа):
где kt — скорость реакции при температуре t°, a ^t + io —
при температуре (/+10)°,
Т — температурный коэффициент скорости, значение ко-
которого равно, как правило, от 2 до 4.
Хотя это правило и является приближенным, однако им не-
нередко в практике пользуются для ориентировочной оценки воз-
возможного влияния температуры на скорость данной реакции.
* Активными столкновениями молекул называются такие
СТОЛКИШ1СЧ1НЯ, которые прпшинт -ян молекулы к химической реакции между
ними. И кшток внутренней энергии молекул в этом состоянии, по сравнению
со средней их энергией при данной температуре, называется энергией a te-
tern в а Ц и 'И.
224

Из уравнения A15) следует, что если константа скорости
данной реакции при температуре t\ равна k f , то при темпера-
температуре ti она будет равна
д t
*,2=т'° kti, A15а)
где
или
\gkt- lg^^-Ai-lgT. A156)
Наиболее точно температурная зависимость скорости бимо-
бимолекулярных реакций и реакций второго порядка, протекающих
в гомогенной среде, передается уравнение Аррениуса:
kt = Коеакт/Ш , A16)
где Ко—коэффициент, выражающий число всех столкнове-
столкновений молекул А и В в единицу времени,
е — основание натуральных логарифмов,
?акТ — энергия активации данной реакции, выраженная
в моль/л,
R — газовая постоянная, равная 1,987 кал/моль- град,
Т ¦— абсолютная температура, для которой определяет-
определяется константа скорости.
Множитель е~ акт/яг представляет собой ту часть (до-
(долю) общего числа молекул, которая активирована (реакционно-
способна), т. е. обладает необходимой энергией активации, вы-
вызывающей эффективные их столкновения.
Коэффициент Ко определяет собой природу реагирующих ве-
веществ и согласно молекулярно-кинетической теории газов равен:
A16а)
где a — поправочный коэффициент (стерический * фактор,
или фактор вероятности), который характеризует со-
собой пространственную ориентацию сталкивающихся мо-
молекул, необходимую для осуществления реакции; при
взаимодействии молекул, состоящих из небольшого чис-
числа атомов, величина а составляет 0,1—0,01, а для мно-
многоатомных молекул она может принимать очень малое
значение (до 10~9),
* Сторимеский — пространственный.
15 С. Д. Бесков 225

Л/ — число Авогадро, равное 6,02 • 1023,
а — так называемый средний «газокинетический» диаметр
реагирующих молекул, равный а= = гА + гв ,
где гА и гв—соответственно радиусы реагирующих
о
молекул А и В, г аА и afl — их диаметры (в А),
К — постоянная Больцмана, равная 1,38- 10~16 эрг/град,
Т — абсолютная температура,
(j. — среднее гармоническое молекулярных весов реагирую-
МА .Мв
щих веществ А и В, равное ц=
МА + МВ
Подставляя известные величины в уравнение A13), получим
A166)
МА-МВ
Таким образом, скорость бимолекулярной реакции, выраженная
в кинетической форме, будет представлена в виде довольно
сложного уравнения:
/ TIM | ЛЛ ч
[А] [В\е ак-/нт
мА ¦ мв
Из этого уравнения следует, что скорость химической реакции
зависит от природы реагирующих веществ (размеров и весов
молекул, их ориентации в пространстве при столкновении и
т. п.), от их концентрации и температуры (энергия активации
является функцией тоже температуры).
В это уравнение входит тоже коэффициент пропорциональ-
пропорциональности (поправочный множитель а), физический смысл которого
до сих пор еще полностью не изучен. Значение этого коэффици-
коэффициента, как уже было отмечено выше, может колебаться от едини-
единицы (для одно- и двухатомных молекул) до 10~9 — для состоя-
состоящих из большого количества атомов. Поэтому в практике произ-
производственных расчетов данным уравнением для подсчета скоро-
скорости реакций, как правило, не пользуются. Однако уравнение
Аррениуса в его дифференциальной форме является основным
при подсчетах энергии (теплоты) активации химических реакций:
^r.^ (Пбг)
226

где k—константа скорости реакции; • v
qaKT —теплота активации в кал/моль -град; ,
Т — температура газа; .-
R— газовая постоянная, выраженная в кал/моль • град
Если константа скорости данной реакции при температуре
7"i равна ku а при температуре Т2 равна k2, то, интегрируя ука;
занное выражение A16г) в пределах от Тх до Т2 и от kY до k-2y
получим:
^ ^ () A17)
2,3lg
h D
«1 К
Интегрируя же уравнение A15) без пределов, получим общую
математическую зависимость константы скорости от температу-
температуры, выраженную через энергию активации:
W c, A17а)
2,3/?Г
или, подставляя R= 1,987, получим*:
: (П7й)
g
4.576Г
где С — постоянная интегрирования. '
Пример 1. Во сколько раз увеличится скорость реакций
синтеза аммиака при увеличении давления в 3 р^за, например",
при давлении 6 атм по сравнению со скоростью этой реакции,
протекающей под давлением 2 атм. , ,
Решение. Скорость рассматриваемой реакции
+ N2^2NH3) выразится: .
При увеличении давления реакционной смеси в 3 раза, концент-
концентрация реагирующих веществ, согласно следствию из закона
Бойля, увеличится тоже в 3 раза и будет равной [ЗНг] и [3N2].
Отсюда скорость реакции согласно закону действующих масс
определится:
v = ?[3H2]3[3N2] = 81* [Н213 • [N2].
Следовательно, скорость реакции при увеличении давления в
3 раза увеличится в 81 раз. ' ¦
Пример 2. Во сколько раз увеличится скорость растворе-
растворения железа в 5-процентной соляной кислоте при повышении
температуры с 18° С до 32° С, если температурный коэффициент
скорости в этом растворе НО равен 2,8.
* Для перевода натуральных логарифмов в десятичные берем при этом
более точное значение переводного коэффициента, равное 2,303.
15* 227

Решение. Увеличение скорости указанной реакции будет
определяться отношением констант скоростей при данных тем-
температурах, т. е. во сколько раз увеличится константа скорости
при 32° С {Км) по сравнению со значением ее при 18° С (К\&),
во столько раз увеличится и сама скорость реакции при прочих
равных условиях. Из уравнения A156) имеем:
«18 Ю
Подставляя сюда А^ = C2—18) и y = 2,8 и решая полученное
уравнение в отношении —:—, получим
lg M_ = 3218
fe
10
откуда
Следовательно, скорость реакции увеличится в 3,21 раза.
Пример 3. Константа скорости какой-то реакции при 15°С
равна 2 • 10"" , а при 52° С—0,38 моль ¦ л/сек. Определить тем-
температурный коэффициент и константу скорости реакции
для 30° С.
Решение. По уравнению A116) определяем вначале тем-
температурный коэффициент скорости этой реакции
[\t= E2—15) = 37°]:
lg 0,38 — lg 0,02 == -51- lg T
пли
. О.Я
lgT = —-^ = 0,3456,
откуда
Т = 2,22.
По найденному значению у определяем константу скорости при
30° С [Д/= C0—15) = 15°]:
lg*ao= 1.5 lg T -big 0,02
ИЛИ
Ig&ao ----- A,5 • 0,3456 + 2,3010) = 2,8194,
откуда
30 — 6,6 • 10 2 моль-л/сек.
228

Пример 4. Разложение двуокиси азота на N0 и 02 идет
по бимолекулярному закону:
2NO2 = 2N0 + 02.
Константа скорости этого разложения при 327°С (Г, = 600°) рав-
равна 83,9 л/моль ¦ сек, а при 367° С (Т2 = 640°) 407,0 л/моль ¦ сек
Вычислить теплоту активации этой реакции.
Решение. Подставляя в уравнение A16) имеющиеся зна-
значения k и Т, получим:
или
rjeiO-JOO^l 407,0
4z [ F40 • 600) J 83,9
откуда
</пкт — 30 230 кал/'моль-град.
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИЙ
ОТ КАТАЛИЗАТОРОВ
При отсутствии в данной системе посторонних веществ (ка-
(катализаторов) почти единственным, наиболее эффективным фак-
фактором, служащим для повышения скорости химической реакции,
в особенности при гомогенных процессах*, является температу-
температура: чем выше температура, тем больше активных столкновений,
а следовательно, тем больше скорость химического взаимодей-
взаимодействия веществ.
Однако в случае обратимых экзотермических реакций, кото-
которые в промышленной практике занимают ведущее место, повы-
повышение температуры снижает выход продуктов реакции (принцип
Ле-Шатслье). Эти два противоречащих обстоятельства тем-
температурной зависимости, т. е.: 1) желательное с увеличением
температуры повышение скорости реакции и одновременно с
этим 2) крайне нежелательное понижение выхода—разрешается
II практике применением катализаторов.
Последние при данных температурных условиях, не оказы-
оказывая никакого влияния на выход продуктов реакции, очень силь-
сильно изменяют ее скорость (как прямую, так и обратную). Сле-
* При гетерогенных процессах достаточно эффективное повышение ско-
скорости реакции достигается также путем перемешивания и увеличения поверх-
поверхности соприкосновения реагирующих веществ (см. следующий параграф).
Повышение скорости реакции можно также достичь увеличением числа ак-
активированных молекул путем, например, светового облучения и других факто-
факторов Однако в производственной практике этим путем пользуются очень редко.
229

довательно, чем больше Данный катализатор ускоряет реакцию,
тем больше производительность аппарата при той же темпе-
температуре.
Катализаторы бывают положительные и отрица-
отрицательные: первые увеличивают скорость реакции, вторые
уменьшают ее. Катализаторы для той или иной реакции подби-
подбирают главным образом экспериментальным путем. На ско-
скорость реакции сильное влияние оказывает природа самого ката-
катализатора, его структура, всевозможные добавки к нему (акти-
(активаторы) и т. д., т. е. сам катализатор обусловливает очень мно-
многие факторы, ускоряющие или замедляющие данную реакцию.
Кроме того, состав реагирующих веществ, посторонние примеси
в них и т. п. также сильно влияют на каталитическую способ-
способность данного катализатора. Несмотря на то, что за последние
годы в области катализа достигнуты значительные успехи, сов-
современные теоретические представления о катализе в настоящее
время еще не являются основой для создания общей методики
техно-химических расчетов каталитических процессов промыш-
промышленных установок.
Основным показателем качества катализаторов является их
активность, которая определяется экспериментальным путем.
Если же данная реакция протекает в различных направлениях,
то, кроме активности, важнейшей характеристикой катализато-
катализаторов служит избирательность их действия (селектив-
(селективность).
Активность катализатора определяет собой степень ускоре-
ускорения данной реакции по сравнению с протеканием ее без катали-
катализатора при тех же условиях. Так, например, скорость окисления
сернистого газа на платиновом катализаторе при / = 500—600° С
увеличивается в сотни тысяч раз (~Ю5 раз) по сравнению со
скоростью этого процесса, протекающего без катализатора, на
ванадиевых — несколько меньше, а на железных—еше меньше;
реакция окисления аммиака до окиси азота без катализаторов
ничтожно мала, в присутствии же платино-радиевых катализато-
катализаторов она ускоряется в миллионы раз и заканчивается в десяти-
десятитысячные доли секунды; если реакция синтеза аммиака при
450° С и давлении 300—500 атм достигает равновесного состоя-
состояния без катализатора через несколько часов, то в присутствии
одних катализаторов при тех же условиях равновесие наступа-
наступает через несколько минут, в присутствии других — через несколь-
несколько секунд, в присутствии третьих процесс синтеза заканчивается
и доли секунды.
В случае гомогенных реакций скорость их пропорциональна
количеству катализатора:
k=MAk, A18)
!30

откуда
Ak = JL, A18a)
где k — константа скорости,
С—концентрация катализатора в г/л.
В практике гетерогенных каталитических процессов актив-
активность катализаторов оценивается временем контакта и
числом активности или производительностью
катализатора (АА,).
Временем контакта (тА) называется время в секундах, в
течение которого реагируемое вещество находится в контакте с
катализатором:
3600 ,,, _.
^ = -=— «к, A19)
где Wo6 — объемная скорость вещества, проходящего через
катализатор, выраженная в л/ч; в случае газов ко-
количество их должно быть при этом приведено к нор-
нормальным условиям (нл/час).
Числом активности или производительностью катализатора
Ak) называется практический выход продукта ( -практ.) с
единицы поверхности (м2), веса (кг) или объема (м3) катализа-
катализатора в единицу времени (минуту, час):
- тпрякт. I кг I тпракт* I К2 I
iifa ~— ' ¦ I I ==- I I -~"
ffкатализ- [л(*ЧйС J тФка,ализ. |_ '«-Ч |
A20)
Селективностью катализаторов называется их свойство уско-
ускорять преимущественно одну из возможных реакций, возникаю-
возникающих при химическом взаимодействии исходных веществ. Напри-
Например, при 300° С и 150—200 ата давления окись углерода с водо-
водородом взаимодействует на медном катализаторе — с образовани-
образованием метанола (СО + Н2 = СН3ОН), а в присутствии цинк-хромово-
цинк-хромового катализатора, активированного щелочью, при тех же усло-
условиях— с образованием сингала (смесь альдегидов, спиртов, ке-
тонов и жирных кислот); в присутствии катализатора на основе
А12О3 пары этилового спирта разлагаются преимущественно на
этилен и воду, а в присутствии меди—на уксусный альдегид и
водород и т. д. Следовательно, А12О3 обладает селективностью
по отношению к реакции С2Н5ОИ = С2Н4+Н2О, а медь—к реак-
реакции С2Н5ОН = СНзСОН + Н2.
Пример 1. На опытной установке по окислению аммиака
на платиновом катализаторе получено в сутки 720 кг HNO3;
231

вес платиновой сетки (катализатора) 32 г. Из этих данных ак-
активность катализатора определится [см. уравнение A20)]
720 кг
0,032 кг B4-60) мин
А., — = 16 кг/кг-мин.
Пример 2. Через колонку синтеза аммиака пропускается
30 000 нм3/час азото-водородной смеси. Количество катализато-
катализатора в колонке—1200 л A,2 м?)\ производительность ее — 90 г
аммиака в сутки. На основании этих данных объемная скорость,
время контакта и производительность (активность) катализато-
катализатора определятся:
= 25 000 нм3/мй-час.
1,2
3600 „ , . .
т., = = 0,144 сек,
k 25 000
. 90 • 1000 О1ОЛ ,3
Ak = = 3130 кг/м3-час.
k 1,2-24
КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Значительное количество наиболее распространенных в про-
промышленной практике химических реакций и физико-химических
процессов протекает в гетерогенной среде. Так, например, гете-
гетерогенный характер носят:
а) большинство осуществляемых в промышленности катали-
каталитических процессов (производство серной кислоты контактным
способом, синтез аммиака, азотной кислоты, каучука и метано-
метанола, получение искусственного жидкого топлива путем гидриро-
гидрирования твердого топлива и жидких нефтепродуктов и т. п.);
б) процессы гидролиза древесины и других растительных
материалов (производство из древесины этилового спирта, ме-
метанола, белковых дрожжей и других продуктов);
в) процессы, лежащие в основе производства искусственного
волокна;
г) все процессы растворения твердых продуктов и т. д.
В подобного рода гетерогенных системах взаимодействие
компонентов происходит на поверхности раздела твердой и
жидкой или твердой и газообразной фаз *. Естественно, что в
этих случаях исключительную роль играют размеры и природа
* Имеется, конечно, целый ряд и таких химических реакций, осуществ-
осуществляемых в промышленности, которые протекают на поверхности раздела жид-
жидкой и газообразной фаз, как, например, гидрогенизация жидких нефтепро-
нефтепродуктов, очистка (сатурация) диффузионного сахарного сока при помощи уг-
углекислого газа л др.
232

поверхности твердой фазы, а также характер (ламинарность
или турбулентность) потока жидкости или газа у поверхности
твердого тела. При этом в очень многих случаях существенную
роль играют процессы диффузии («транспортирования») про-
продуктов к поверхности или от поверхности раздела фаз), которые,
как известно, обусловливают передвижение реагирующих ком-
компонентов к твердой поверхности и отвод продуктов реакции с
твердой поверхности в жидкую или газообразную фазу. Поэтому
кинетика подобных процессов в целом будет определяться не
скоростью взаимодействия компонентов (химической реакции
или растворения твердого тела), а соотношением этой скорости
и скорости диффузии. Если, например, скорость химической
реакции (или растворения) меньше, чем скорость диффузии про-
продуктов реакции с поверхности твердой фазы в жидкую или га-
газообразную фазу, то она и будет определять собой кинетику
процесса в целом и, наоборот, при большей скорости реакции
(растворения) кинетика всего процесса будет определяться ско-
скоростью диффузии. Из рассмотрения процессов, протекающих на
поверхности раздела твердой и жидкой фаз*, видно, что ско-
скорость всего процесса, как правило, будет определяться ско-
скоростью диффузии или: а) с поверхности твердой фазы в раствор
тех продуктов, которые получаются в результате взаимодействия
жидкой и твердой фаз, или же б) к поверхности твердой фазы
реагирующих компонентов, так как эта диффузия обычно проте-
протекает очень медленно.
Скорость диффузии (»дифф.) , всякого процесса определяет-
определяется следующим уравнением:
или после интегрирования
^^ A21а)
а — х
где F — площадь поверхности раздела фаз в см2;
б — толщина насыщенного слоя на поверхности раздела
фаз, через который происходит диффузия (в см);
а— концентрация реагирующего компонента в объеме жид-
жидкой или, соответственно, газообразной фазы (обычно
выражают в г-моль/л);
V — объем жидкой или газообразной фазы в мл;
х — количество компонента, прореагировавшее за время от
начала реакции (в г-моль/л);
* Например, процессы растворения твердых тел, гидролиз древесины, про-
процессы химической переработки целлюлозы в искусственное волокно и др.
233

D — коэффициент диффузии, котирый, в случае жидкой фа-
фазы, зависит от температуры и вязкости жидкой фазы и
других факторов; для большинства жидкостей коэффи-
коэффициент диффузии имеет порядок величины 10~3 —
10""* см1! мин*.
Толщина слоя (б), через который протекает диффузия для
каждого конкретного процесса при данных условиях, постоянна.
Отсюда кинетическое уравнение диффузии A18а), отнесенное к
единице площади {F—\ см2) и объема (V=l мл), примет вид
уравнения для мономолекулярного процесса:
— = k = -M-lg_fL_. A22)
Ь -и а — х
В случае диффузии газов к поверхности твердого катализа-
катализатора через ламинарную пленку газа вышеуказанное уравнение
при технических расчетах приводится обычно к следующему
виду:
где <рл— количество кг-моль компонента А, переносимое к
поверхности катализатора в 1 м3 контактного объе-
объема;
F—наружная поверхность зерен (сетки) катализатора в
этом объеме (м2);
т — время в часах;
da — изменение концентрации реагирующих компонентов
в турбулентной части газового потока (<2i) и у по-
поверхности зерен катализатора (а2): Аа= (ai—
а2) кг-моль/м3;
I—расстояние от поверхности зерен катализатора в
метрах;
D — коэффициент диффузии, м2/час, который может быть
вычислен по уравнению
1,55 -Ю-3 Т \ МА+МВ
D = мЧчас,
где Т — абсолютная температура,
Р — общее давление газа, атм;
VA и VB — молекулярные объемы газов;
Мд и Мв — молекулярные веса газов.
* Для процессов, протекающих в газовой фазе, коэффициент диффузии
равен 0,1—1,0 см2/сек, а для процессов в твердой фазе — от 1 см^/год до
1 смг1сек.
234

Из этого далеко не полного изложения основного уравнения
кинетики гетерогенных процессов следует, что процессы диффу-
диффузии занимают очень большое место в расчетах технологических
процессов химических производств и составляют специальный
раздел курса процессов и аппаратов химической технологии и
специальных ее курсов. Поэтому в данном пособии на расчетах,
связанных с процессами диффузии, мы останавливаться не
будем.
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. При каких соотношениях азота и водорода
скорость их химического взаимодействия при синтезе аммиака
будет максимальной независимо от условий синтеза?
Решение. Реакция при синтезе NH3:
ЗН2 + N2 = 2NHa.
Скорость химического взаимодействия водорода с азотом равна:
o = A[H2|8-|N3|.
Обозначим молекулярную концентрацию Н2 через х, a N2—
через у. Тогда уравнение скорости реакции примет следующий
вид:
v -• kx3y.
Приняв объем всей азото-водородной смеси за единицу
(например, 1 л), имеем:
х + у = 1 или г/= 1 — х.
Отсюда
Чтобы найти максимальное значение какой-либо функции,
необходимо по правилам высшей математики решить задачу на
максимум и минимум, т. е. найти максимальное значение функ-
функциональной зависимости составленного нами уравнения (в дан-
данном случае максимум скорости реакции v в зависимости от от-
отношения — или от х). Для этого находим первую производную
У
от скорости по х и приравниваем ее нулю. Затем, решая полу-
полученное равенство обычным алгебраическим путем, подсчитываем
значение х.
Дифференцируя уравнение скорости реакции по х, находим
dv
первую производную :
ил
— = d [k (х3 — х*)] = Зх2 - 4xs.
dx
235

Приравниваем нулю (находим максимальное значение
этой функции):
Зха — 4х3 = О,
откуда
3 1
3 — 4х = 0; х -¦ — и у --- —.
4 4
Таким образом, максимальная скорость указанной реакции бу-
будет в том случае, если водорода в смеси втрое больше, чем азота,
т. е. если состав смеси: 3H2 + N2.
Пример 2. Исследование активности радиоактивного пре-
препарата показало, что за 20 дней активность его уменьшилась на
8,5%. Определить константу скорости распада этого препарата,
период полураспада и подсчитать, через какой промежуток вре-
времени он разложится на 95%.
Решение. Процессы радиоактивного распада являются ре-
реакциями первого порядка (мономолекулярными). Следователь-
Следовательно, константа скорости этих процессов подсчитывается по урав-
уравнению A11), в которое вместо концентрации следует подставить
количество вещества. Примем начальное количество препарата
на 100% (а = 100). Тогда величина х в уравнении A11) соста-
составит, по условию задачи, 8,5%, а т — 20 дней.
Подставляя эти значения в уравнение A11), получим:
к — —— 1 100
~~ 20 100 — 8,5 '
откуда
k = 0,00444 дня" .
По уравнению A14) определяем период полураспада иссле-
исследуемого препарата:
0.693 ,-„
1:з6 дней.
/2 0,00444
Промежуток времени, в течение которого препарат разложится
на 95%, определится из уравнения A11), в котором х будет рав-
равным 95%, а /г = 0,00444:
0,00444 =-2-^-^
2>3
g
т 100-95
откуд
23 20,
0,00441
ИЛИ
т = 651,4 дня.
236

Пример 3. Константа скорости окисления сернистого газа
в серный ангидрид, вычисленная по экспериментальным данным
проведения этой реакции на платиновом катализаторе, при
525° С, оказалась равной 0,48, а при 665°—1,90. Подсчитать
энергию активации процесса окисления на этом катализаторе и
температурную зависимость константы скорости.
Решение. По уравнению A17) имеем:
R
Ц.
л T2J
Подставляя сюда Л, = 0,48, *2=1,90, У? = 1,987, 7",= B73 + 525) и
Г2= B73 + 665), получим:
Я ^ 2,3 ¦ 1,987-f-798-938 )lg^,
VaKT- \ 938-798 I 0,48
откуда
qiK[ ~ 14 650 кал/моль.
По уравнению A17а) подсчитываем постоянную С для выра-
выражения температурной зависимости константы скорости окисле-
окисления сернистого газа на изучаемом платиновом катализаторе:
4.576Г
Подставляя в это уравнение й = 0,48 и, соответственно,
/"==798° или /г = 1,90 и, соответственно, Г = 938°, получим:
lgOf48
4,576 ¦ 798
ИЛИ
lglig0 + Cv
4,576-938
Отсюда
С, = 1,681 + 4,027 = + 3,708;
С2 - 0,278 + 3,407 = + 3,686
или
СсрсДн.= 3,697.
Из этих данных получаем общую температурную зависимость
константы скорости окисления SO2 на данном платиновом ката-
катализаторе (по уравнению 1176):
4,576 -Т
237

или
\gk = ^- +3,697.
т
Пример 4. Серия опытов по изучению скорости окисления
сернистого газа на платиновом катализаторе показала, что кон-
константа скорости этого процесса при 665° С равна 3,36 сек~1. Под-
Подсчитать постоянный множитель Ко в уравнении Аррениуса, если
энергия активации этой реакции на данном катализаторе равна
15 ккал/моль.
Решение. Для решения этой задачи пользуемся уравне-
уравнением A12):
2,3 lg К = 2,3 lg Ко — ?акт./КГ
или
Подставляя сюда приведенные данные, получим:
15 000
o = Ig7,36+
2,3 ¦ 1,987 ¦ F65 +273)
ИЛИ
]g /Со = 0,8669 + 3,380 = 4,2463,
откуда
Ко= 1,76- 103.
Пример 5. Исходное вещество А в конце первой секунды
прореагировало наполовину. Подсчитать, какая часть его оста-
останется к концу второй секунды, если реакция протекает по моно-
мономолекулярному закону. Определить то же самое для реакции
второго порядка, если начальная смесь взята в стехиометриче-
ском отношении.
Решение. Для реакции первого порядка.
Обозначим концентрацию исходного вещества через а г-моль, а
конечную, по истечении 2 сек,— через х. Тогда константа скоро-
скорости реакции будет равна:
С другой стороны, время полураспада исходного вещества
по условиям задачи равно 1 сек. По уравнению A14) имеем:
0,693
¦с
,,
f* k
откуда
= 1 сек,
k = 0,693 сек.
::!38

Подставляем полученное значение k в уравнение константы
скорости реакции
0,693= l,151g—^—,
а — х
откуда
lg—^—=0,602 или —2— = 1— — = 4,0.
а — х а — х х
Величина 1 представляет собой ту часть молекул исходно-
а
го вещества, которая осталась непрореагировавшей к концу
второй секунды; ее значение равно:
1_JL= ?=?. = _!_ =0,25.
о а 4,0
Для реакции второго порядка. По предыдуще-
предыдущему имеем [см. уравнение A136)]:
а — х а
или для времени 2 сек
1 1
a) 2k =
а — х а
Кроме того, из уравнения полупериода «жизни» для бимоле-
бимолекулярной реакции имеем [по уравнению A15)]:
б) т = — = 1 сек, или k = —.
/г а а
Из уравнений (а) и (б) получим:
Или 2 = -^
а—х а а — х
Отсюда определяем часть молекул II ), непрореагировав-
ших к концу второй секунды:
= 3, или ?zifL =: 1 __?_ ^-_L = о.ЗЗЗ.
а — х
Пример 6. Окись азота в газовой смеси состава: 9,0% NO,
8,0% О2 и 83,0% N2 подвергается окислению при атмосферном
давлении и температуре 30° С. Подсчитать степень окисления и
состав газовой смеси через 10 сек от начала реакции, если кон-
константа скорости окисления NO при указанных условиях равна
1,59 106 г-моль/мин.
239

Решение. Окисление окиси азота
2NO + О2 = 2NO2
является реакцией третьего порядка, т. е. протекает по тримоле-
кулярному закону. Константа скорости ее определяется уравне-
уравнением A056)
k = i fi^^u j Jo-*H
т F — aJ { (a—x)a (b — x) a J
где (для данных условий задачи):
k — константа скорости, равная 1,59- 10й г-моль/мин, или
-1'59' 10" = 2,65 • 104 г-моль/сек;
60
т — время реакции, равное 10 сек;
а—половина концентрации окиси азота*, выраженной в
г-моль/л;
b — концентрация кислорода в газовой смеси, выраженная
в тех же единицах;
х — уменьшение концентрации кислорода (г-моль/л) в ре-
результате взаимодействия его с N0 или, что то же, по-
половинное количество образующейся двуокиси азота
/ NO2 , \
г-моль/л\ или прореагировавшей окиси азота
/NO , \
г-моль/л .
\ 2 /
Пользуясь уравнением C3), подсчитаем значения аи 6 в
г-моль/л (температура реакции 30° С, давление 1 ата);
[NO] / 1
2 \ 8,2
а —
,21Г
ИЛИ
а 4- = 1,81 • 10~3 г-моль/л.
8,21 • 303
Подсчитаем так же величину Ъ:
Ъ = ^ = 3,22 ¦ 10~3 г-моль/л.
8,21 -303
* Для того, чтобы яснее представить себе значение величины а, напишем
уравнение реакции окисления в следующем виде:
NO + NO + O2 - NO2 + NO2)
a a b
откуда 'видно, что а действительно раано половине измеряемой концентра-
концентрации NO.
240

Подставляя полученные данные в выражение для константы
скорости, получим:
2i65 . 10" = —- ( Ю-3 C.22- 1,81) х ^
10C,22—1,81J | A,81 ¦ 10~3 — х) 1,81 ¦ 10~3
(I ,81 • 10~3 — .*) 3,22 • Н)~3 |
+ 2,3 lg
C,22 • 10~J — х) 1,81 ¦ 10
—3
или после сокращения
0.779* 2 3 j 1.779 @,00181 - х) = Q ^
' 000322 :
2 3
0,03181 — х ' 0,00322 —а:
Решая полученное уравнение методом последовательных под-
подстановок, получим:
х = 0,00100 г-моль/л.
Отсюда степень окисления NO равна
0,00100 „ гс.. г_ . п/
а— = 0,554, или 5t>,4%.
0,00181
Примечание. Подобное выражение можно получить, исходя также
из объемных концентраций реагирующих компонентов (NO и О2). При этом,
однако, необходимо размерность константы скорости выразить в соответствии
с этими значениями концентраций, а именно:
_ 2,65 ¦ 1С4 __ 2,65 • К!4
~~ (WORTI ~ (L00 ¦ 0;821 - 3U3;2 '
откуда
/с = 0,00429% в 1 сек.
Подставляя в уравнение для константы скорости объемные
концентрации реагирующих компонентов /— и О21, а также
соответствующее им значение /с, получим:
0 00429 = ! | -Ш=_4Л^ .,.23 lg Jl^ziilM I
10(8,0—4,5)^ [ D,5 —л'L,5 ' ' (8,0 — х') 4,5 J
или после упрощения
„0,779,' J ^99D,5-..,;/ =
-1,5 --х' 8,0 —л'
Решая это уравнение методом подстановок, получим х = 2,д%,
или
2 5
х — '- = 0,00J 0 г-моль/л.
8,21 ¦ 303
16 С. I, Бесков 241

Таким образом, газовая смесь через 10 сек от начала окисле-
окисления N0 в N02 имеет состав:
Концентрация D
N0
N0.2
о.
г-моль/л
2A,81-10—3 — 1,00-Ю-3) = 1,62-IQ-3
объсмм.)
162
39,21
= 4,1
2- 1,00-10~3 = 2,0010
200
39,21
= 5,1
C,22— 1,00)-Ю-3 = 2.2210
0
83,0
8,21-303
1,00-1
= 33,37-10
3
Итого . . . .39,21-10"
222
39,21
= 5,6
3337
39,21
--85,2
100,0
Реакция окисления окиси азота имеет очень большое про-
промышленное значение. Однако, как видно из приведенного при-
примера, подсчет степени окисления N0, а следовательно, и состава
конечных продуктов этой реакции, очень сложный и требует
затраты довольно значительного времени. Для упрощения этих
подсчетов нами приводится номограмма 11, пользование которой
совершенно исключает почти всякую вычислительную работу.
Номограмма состоит из пяти шкал и бинарного поля: на шка-
шкале 1 нанесены концентрации кислорода (Ог г-моль/л), на шка-
шкалах II и III — половинные концентрации окиси азота
N0 , , ». ...
г-моль/л] *, на шкале IV — константы скорости окисле-
окисления N0 или соответствующие им значения температуры в °С,
на шкале V — время в мин и сек и на бинарном поле — значения
степени окисления а.
Пользуясь номограммой, подсчитаем степень окисления N0
при условиях, указанных в данном примере, а= 1,81 X
XI О г-моль/л, Ь = 3,32 10~3 г-моль)'л, х = 10 сек и i = 30° С.
* В случае необходимости иа этих шкалах можно нанести полную кон-
концентрацию N0 в газопой смеси, для чего все значения шкал II и III следу-
следует увеличить вдвое. Результаты подсчета от этого не изменятся.
242

Соединяем прямой линией / точку 3,32 шкалы I (Ь ¦ 10~3)
с точкой 1,81 шкалы II (а- 10~3) до пересечения ее со шкалой
III. Затем соединяем прямой линией 2 точку 1,81 шкалы III с
точкой 30 температурной шкалы IV (или, что то же, с точкой
2,65 значений к- Ю4 на той же шкале) и к полученной линии 2
из точки 10 (т = 10 сек) шкалы V проводим перпендикуляр 3.
После этого из точки пересечения линии / со шкалой III про-
проводим параллельную оси абсцисс линию 4 до пересечения ее с
перпендикуляром 3 и из полученной точки пересечения п опуска-
опускаем перпендикуляр (линия 5) параллельно оси ординат на шка-
шкалу а бинарного поля. На последней отложилось деление 0,56.
Следовательно, степень окисления N0 при данных условиях
равна 0,56 E6,0%) *¦
Пример 7. Газ, содержащий 5,0% NO, 6,2% О2 и 88,8% N2,
имеет температуру 90° С. Подсчитать: а) через сколько времени
NO при этих условиях окислится на 80%; б) состав газа к это-
этому моменту времени.
Решение. При решении воспользуемся номограммой 11,
, NO _.
переводя предварительно объемную концентрацию и О2
в г-моль/л:
5,0
а = = 0,84 • 10~3 моль/л,
8,21 ¦ B73+90)
Ь = — = 2,08 • 10~3 моль/л.
8,21 • B73+90)
Соединяем точку 2,08 шкалы I с точкой 0,84 шкалы II пря-
прямой линией /' до пересечения ее со шкалой III. Из полученной
точки пересечения проводим прямую линию 2', параллельную
оси абсцисс, до пересечения ее с линией 0,8 бинарного поля
(точка Р), на котором нанесены значения степени окисления а.
Затем соединяем прямой линией 3' точку 0,84 шкалы 111 с точ-
точкой 90 температурной шкалы IV. К полученной линии 3' через
точку Р восстанавливаем перпендикуляр 4' до пересечения его
со шкалой V; на последней отложилось время, равное 200 сек
C мин 20 сек). Таким образом, время, необходимое для окисле-
окисления 80% NO в NO2 при указанных выше условиях, равно
3 мин 20 сек.
Подсчитаем состав окисленного газа к этому моменту (рас-
(расчет ведем, исходя из объемного состава газовой смеси, т. е. в
литрах каждого компонента на 100 л исходного газа):
* Расхождение на 0,6% с вычислениями, сделанными выше, произошло в
результате неточности отсчетов значений а, Ь, т п t на соответствующих им
шкалах В расчетной практике подобная ошибка вполне допустима.
16* 243

Окислилось NO 5,0-0,3 = 4,0 л
4,0
Израсходовано О2 на окисление NO ==2,0 »
Получено NO2 4,0 »
Отсюда на 100 л исходной смеси получается конечного газа:
1 • 100
NO 5,0—4,0 = 1,0/1 или ==1,0%
4 2 ¦ 100
Оа 6,2 — 2,0 = 4,2 » » ==4,3%
98,0
4,0 ¦ 100
NO, 4.0 »» — = 4,1%
"" " ' =90 ..6%
98,0
Итого . . . 98,0 л 100,0%
ЗАДАЧИ
1. При омылении уксусноэтилового эфира едкой щелочью при 10° С
СНаСООС2Н6 + NaOH = CH3COONa + С2Н5ОН
ао время реакции отбирали отдельные порции реакционной смеси, которые
титровали 0,056 н. соляной кислотой. При этом до начала реакции (т = 0) по-
пошло на титрование 100 мл смеси 47,6 мл ИС1, а через 10,37 мин после нача-
начала реакции 32,6 мл HCI. Кроме того, в конце реакции на титрование избытка
NaOH израсходовано 11,48 мл 11С1. Подсчитать константу скорости, считая,
что реакция идет по бимолекулярному закону.
Ответ. 1,871 л/г-моль ¦ мин.
2. Вещества А и В вступают между собой в химическое взаимодействие.
Определить порядок реакции, пользуясь следующими данными:
Время от начала реакции 0,0 10,0 мин 30,0 мин
% прореагировавших цеществ . . . 19,8 46,7 » 77,0 »
Ответ. Реакция первого порядка.
3. Константа скорости бимолекулярной реакции равна 0,1095 л/моль-сек.
Подсчитать время, необходимое для того, чтобы начальная концентрация ве-
вещества, равная 0,0835 г-моль/л, понизилась до 0,0418 г-моль/л. Принять при
этом, что реагирующие компоненты взяты в стехиометрическом соотношении.
Отпет. I мин. -19 сек.
4. Реакция между веществами А к В протекает по бимолекулярному за-
закону и через 10 мин завершается на 25%. Через сколько времени завершится
3ia реакция на 50%, если исходные вещества в том и другом случае взять\
в стехиометрическом соотношении.
Ответ. Через 30 мин 18 сек.
5. Определить теплоту активации: а) разложения ацетондикарбоновой
кислоты:
СО (СН.СООН), = СО (СН3J + 2СО2)
244

если константа скорости этой реакции при 0° С ряппл 2,46 10—\ при 40' С
5 ¦ 76 ¦ 10~3; б) гидролиза разбавленного раствора сахарозы
C12H2.,OU + Н.,0 = 2CeHiaO6>
если константа скорости гидролиза при 21° С равна 4,42 • 10 , а при 41° С
73,5 10~4. Обе реакции протекают как реакции первого порядка.
Ответ. ;i) 2:i 100 кал/.'-моль; б) 2Г)!КH кал/г-мол/к
6. Практика показывает, что энергия активации реакции окисления сер-
сернистого газа в серный ангидрид на промышленных катализаторах, как прави-
правило, равно примерно I7O0O кал/моль, а постоянный множитель (и уравнении
Аррениуса) скорости этой реакции на платинированном асбесте, содержащем
0,2% платины, рапен 6,1 • 10*. Подсчитать константу скорости этой реакции
на платинированном асбесте при температурах а) 400° С, б) 525° С и
в) 600° С.
Отпет, а) 1,84, б) 13,5 и п) 34,8 сект1.
7. Производительность контактной установки, работающей на ванадиевом
катализаторе, равна 60 т моногидрата H2SO4 в сутки. Количество катализато-
катализатора, загружаемого в контактный аппарат, составляет 14 ж3. Подсчитать актив-
активность катализатора.
Ответ. 2,5 кг/л-час.
8. Константа скорости разложения вещества А в водном растворе при
10° С равна к,0=1,Ю • 10~4, а при 60° С к6о= 5.5- 10~2 сек~1. Подсчитать:
а) энергию активации этой реакции и б) температурную зависимость кон-
константы скорости
5340
Ответ, а) 19,4 ккал/молъ, б) lgK= — ;— +1,406.

Глава VII
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ И ЭЛЕКТРОТЕРМИИ
В основе технохимических расчетов электрохимических про-
процессов лежат законы Фарадея и электродвижущих сил, а осно-
основой расчетов электротермических процессов служит закон Джоу-
Джоуля об эквивалентности тепловой и электрической энергии.
ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ
Первый закон. При прохождении через электро-
электролит постоянного электрического тока количе
ство выделяющегося при этом вещества про-
пропорционально количеству прошедшего элек-
электричества.
Второй закон. При п р о х о ж д е и и и о д п о г о и г ого ж о
количества электричества через различные
электролиты количество веществ, выделяющих-
выделяющихся при этом на электродах, пропорционально их
эквивалентным весам.
При этом установлено, что для выделения 1 грамм-эквива
лента любого вещества из раствора какого-либо его соединения
требуется затратить одно и то же количество электричества,
равное 96500 кулонам *.
* Точнее 96494 кулонов.
246

Величина 96500 кулонов носит название числа Фарадея (F).
Таким: образом, оба закона Фарадея могут быть выражены сле-
следующим образом:
°-~-9-=-U- , A24)
г 96 500 96 500 v '
где О — количество граммов вещества, выделившееся на од-
одном из электродов;
z — эквивалентный вес выделившегося вещества;
С — количество кулонов электричества, прошедшее через
данный электролит за время т сек;
i — сила тока в амперах;
96.100 — число Фарадея.
В технических расчетах число Фарадея обычно выражают в
ампер-часах. Так как 1 а-ч равен 3600 кулонам, то 1 фарадей =
96500 ос
= 26,8 а-ч.
3600
Уравнение A24) можно представить иначе. Как извести;). I
кулон электричества соответствует заряду в 6,24¦ 1018 электро
нов. Если при электролизе на 1 электрон выделяется на электро-
электродах m частиц продуктов электролиза, то 1 кулон, т. е. 6,24 • 1018
электронов, даст т-6,24-1018 частиц или
m ¦ 6,24 ¦ 10'8 . „_„ . __5 m
= m • 1,036 • 10 = = п р.-моль.
6,023 ¦ 1023 96 500
Следовательно, если через данный раствор проходит С кулонов
или, что то же, ix а-сек электричества, то они могут дать продук-
продуктов электролиза *:
= • ^ п г-моль. A25)
96 500 96 500
В практике электролиза количество выделившегося из элек-
электролита вещества всегда бывает меньше, чом это получается вы-
вычислением по уравнениям A24) или A25), так как при электро-
электролизе всегда в той или иной степени протекают побочные процес-
процессы, наличие и влияние которых зависит от чистоты электролита,
характера примесей в нем, от режима работы электролитической
установки, от концентрации рассола, подаваемого на электролиз,
* Например, при электролизе медного купороса
Си++ + 2е - Си
2ОН'—2е -+ Н,0 + 0,5О2
на каждый электрон выделяется '/г атома (частицы) меди и Чл молекулы
(частицы) кислорода, т. е. в данном случае т = 3Д-
247

и г. д. Поэтому о степени использования подаваемого на элект-
электролиз количества электричества судят по так называемому ко-
коэффициенту использования тока (расходному коэф-
коэффициенту тока) или, что то же, по «выходу по ток у» (ц).
Последний представляет собой отношение практически получен-
полученного количества продукта при электролизе к теоретически вы-
шелеиному количеству его по уравнению A47), т. е.
4=.-?^. A26)
Величину ц обычно выражают в процентах:
ч = _'°°:^^_ % _ (|27)
^тоорст.
Таким образом, выход по току дает возможность судить о
том, насколько полно основной процесс электролиза освобожден
от всякого рода побочных реакций. Об этих побочных процессах
при электролизе нетрудно также судить по химическому анали-
анализу рассолов, подаваемых в электролитическую ванну, и продук-
продуктов электролиза (см. гл. VIII, стр. 390)
Пример 1. Через раствор CuSO4 пропущено 5 а-ч электри-
электрического тока. При этом на электроде (катоде) выделилось 5,6 г
меди (GnpaKT. = 5,6). Определить выход по току.
Решение. Эквивалентный вес меди == —-— =31,8. При
электролизе затрачено ~а =0,1865 фарадея, или 96500 X
Х0,1865= 17910 кулонов электричества. Следовательно, теоре-
теоретически должно было получиться меди:
Qtpopct. = 31,8-0,1865 -5,93 г.
Те же результаты получим непосредственно по уравнению
A24), где С= 17910 кулонов, 2 = 31,8;
СТРО.ст-= '-^.yL^LOO. =.-5,93, меди.
to'lL1' 90 500
Отсюда выход меди по току составит:
* ,00=
Стоор„.. 5,93
Пример 2. Через раствор медного купороса проходит ток
силой в 1,5 а. Определить теоретический выход меди в течение
1 часа.
248

Решение. Количество пропущенного через раствор тока
ранпо: 1,5-1 = 1,5 а-ч, или 1,5-3600 = 5400 кулонов; эквивалент-
эквивалентный вес меди в медном купоросе 31,8. Следовательно, по урав-
уравнению A24) имеем:
г 5400- 31,8 . по ..
р 96 500
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ
При погружении металла в раствор любого электролита на
границе между металлом (электродом) и раствором возникает
разность потенциалов, которая носит название потенциала
электрода. Это же явление наблюдается и на границе сопри-
соприкосновения растворов двух электролитов. Величина электродно-
электродного потенциала Е между металлом и электролитом определяется
уравнением Нернста
Е с = ?0+-^-1пс, A2S)
где ?,. — электродный потенциал в вольтах, соответствующий
данной концентрации ионов в растворе при темпера-
температуре 7°К;
?0 — так называемый нормальный электродный потенци-
потенциал;
R-- газовая постоянная, выраженная в джоулях (/? =
8,316 дою);
пп — заряд ионов электролита;
с — концентрация ионов металла з растворе.
Нормальны]'! электродный потенциал Ео представляет собой
потенциал, возникающий между металлом и раствором его
попон о концентрацией, равной 1 г-экв в литре*.
Заменяя в уравнении A28) R и F их числовыми значениями и
переходя к десятичным логарифмам, получаем следующее вы-
выражение для величины электродного потенциала:
?,.-=?„ .- -M°L2. rlg, A29)
ил(! при температуре 25е С G = 298° К), принятой в настоящее
время как «стандартная» температура, имеем:
?г== ?„-!- -°¦'--"--lg с- С1301
"и
Электродвижущая сила электрической цепи, как известно, оп-
определяется разностью потенциалов или. что то же, напряжени-
* Точнее с активностью, равной единице.
249

ем между полюсами (в случае электролитов — между электро-
электродами). Следовательно, если между электродами и раствором
электролита возникают потенциалы Ес. и Ес„, то электродвижу-
электродвижущая сила (э. д. с.) гальванической цепи без учета диффузион-
диффузионного потенциала (см. ниже), будет равна:
Е - Ес-—Ес- =(Е'о— Е'о) + 0,02Г ; -^ ~-\* , П31)
- "о "о /
где «о и по, с не, Ео и Ео — соответственно валентнос-
валентности ионов, их концентрации у электродов и нормальные электрод-
электродные потенциалы.
Если г, качестве электродов служит один и тот же металл
(Ео + Ео) и заряд ионов у каждого из электродов одинаков
(п'п — п"п =г п0), то уравнение A66) примет следующий вид:
„ 0,00027 , с' ,,пО1
Е = lg— вольт. (i-iz)
п0 с"
При электролизе на катоде протекает разряд катионов, т. е.
восстановительный процесс, а на аноде — разряд ани-
анионов, т. е. процесс окислительный. Следовательно, лю-
любую разность потенциалов между электродами можно рассмат-
рассматривать как потенциал данного окислительно-восстановительного
процесса. Следовательно, если этот процесс протекает по схеме
го нормальный потенциал его определяется по уравнению
J^ [с+гмр-г- , A33)
Для того чтобы при электролизе произвести разряд анионов
(на катоде) и катионов (на аноде), необходимо извне приложить
минимальную э. д. с. (Е), численно равную алгебраической
сумме разности электродных потенциалов:
спи °-058 1„ с<
Е = Ес- — Ес» --= :lg
g г ,
«с с
где ЕС' и ЕС", с' и с" — соответственно потенциалы катода и
анода и концентрации ионов у катода (с') и анода (с").
Эта минимальная или, что то же, теоретическая э. д. с. на-
называется потенциалом разложения электроли-
* Значения Ес. и Ес„ должны быть взяты каждое со своим знаком.
?50

т а. Согласно законам термодинамики, э. д. с. гальванической це-
цепи определяется также следующим уравнением:
Е = V- <134)
n,,F
где 1: — э. д. с. цепи в вольтах;
Л — работа тока, выраженная в джоулях;
F — число Фарадея, равное 96500 кулонам.
Выражая работу А в больших калориях A дж = 2,39Х
X 10~4 икал) и подставляя F — 96500 кулонам, получим:
Е - = - . A35)
п0 2,39 ¦ 10~4 • 96500 23,04»<„
Если же работу данного химического процесса при электро-
электролизе выразить через его тепловой эффект или изменение свобод-
свободной энергии, то согласно второму закону термодинамики полу-
получим:
23,04fi0 dT
или
Е- Я. \-kt\T, A37)
23,04n0 V '
ИЛИ
? = -—. A38)
23,04/г0
В этих уравнениях:
Q — тепловой эффект и AF — изменение свободной энергии хи-
химического процесса при электролизе, выраженные в ккал
на 1 г-моль вещества;
k — так называемый температурный коэффициент, который
зависит от природы электролита. Так, например, для про-
процесса электролиза хлористого натрия
k — — 0,0004, а для сульфатов двухвалентных металлов
к ~- — 0,0001 (на 1° повышения температуры).
Примечание. Для процессов электролиза, протекающих при срав-
сравнительно низких температурах, значение потенциала разложения электролита
очень часто в практике подсчитывают по уравнению
?-—^ , A39)
23,04/г0
гак как в уравнении A36а) величина k ДГ при этом очень мала но сравне-
сравнению с первым ее членом.
Практически при электролизе в электролите возникает так
называемый диффузионный потенциал, вследствие того
251

что концентрация ионов электролита при этом в анодном и ка-
катодном пространствах изменяется, в результате чего между об-
образующимися вновь растворами возникает добавочная разность
(скачок) потенциалов. Эта добавочная разность потенциалов
(диффузионный потенциал) или, как ее называют, обратная
электродвижущая сила концентрационной по
л я р и з а ц и и электролита, может быть выражена следую
ншм уравнением:
/ _/. о,О2Г с"
ci - ———^— ¦ 1/? — , A73)
Кат.
+ '
Аи.
Кат.
и /Ап — соответственно подвижности катионов и аим
онов (ионные электропроводности);
с" — концентрация более концентрированного и
с' —менее концентрированного раствора (с'<с").
Рассмотрим, например, электролиз медного купороса с мед-
медными электродами
— Cu|CuSO4|Cu
В процессе электролиза концентрация CuSO4 у катода убывает,
а у анода возрастает. Тогда цепь будет представлена в таком ви-
виде (с' < с"):
— Cu|CuSO4 CuSO4]Cu
с'
При этом за счет разности с' и с" в растворе возникает диффу-
диффузионный потенциал, а следовательно, появляется электро-
электродвижущая сила поляризации, величина которой опре-
определится (в данном случае
См SO4 ¦-- С u++ -I- SO"; п0 =-¦ 2):
0102_ т | _г*_
' " 9 /' '
(HI)
Кроме концентрационной поляризации, иногда при электро-
электролизе возникает химическая поляризация с'- , вызванная
недостаточной скоростью процессов и побочными реакциями,
протекающими у электродов.
В процессах электролиза, протекающих с выделение-м газа,
кроме диффузионного потенциала и химической поляризации,
возникает так называемое перенапряжение, обусловлен-
обусловленное задержкой газа на поверхности электрода при его выделе-
252

нии из раствора. Так, например, если электролиз серной кислоты
производится на платиновых электродах, то величина потенциа-
потенциала разложения здесь будет меньше, чем при электролизе H2SO4,
на свинцовых электродах. Это объясняется тем, что образующие-
образующиеся в процессе электролиза водород и кислород с поверхности
свинцовых электродов удаляется в виде элементарных Н2 и Ог
гораздо труднее, чем с платиновых.
Практически перенапряжением называют разность меж-
между фактической и теоретической величиной по-
потенциала разложения электролита. В технике боль-
большое значение имеет перенапряжение водорода, так как оно дос-
достигает иногда очень большой величины.
Так, например, при плотности тока 10 а/см'2 перенапряжение
водорода на платиновом электроде равно 0,82 в, а при 0,1 а/см2
перенапряжение равно: для платины 0,5 в, для железа и серебра
0,88 в, для углерода 1,1 в и т. д.
Перенапряжение других газов не играет существенной роли
в процессах промышленного электролиза. Перенапряжение во-
водорода зависит от силы поляризующего тока и от материала
электродов. Оно может быть вычислено по эмпирической фор-
формуле
е" = a + b\gi0, A42)
где t0 — плотность тока при электролизе (сила тока в ампе-
амперах на 1 см2 поверхности электрода);
а и Ь — эмпирические коэффициенты.
Из изложенного ясно, что фактическая электродвижущая си-
сила V для разложения электролита всегда больше теоретической
Е на величину су т. е.
V - Е + е,.
Отсюда сила тока во время электролиза определяется по урав-
уравнению:
'1 + Гг f\ лг г.,
где V -- внешняя электродвижущая сила, т. е. напряжение на
клеммах ванны;
Е — теоретическая э. д. с, т. е. теоретический потенциал
разложения электролита;
<'; — э. д. с. поляризации и перенапряжения (су----с\-\-е'!-{-
+ <");
г\ — сопротивление внешней цепи;
/'2 — сопротивление электролита.
Таким образом, в практике электролиза напряжение на за-
зажимах ванны, а следовательно, и динамомашины, всегда бывает
253

больше теоретической э. .д. с, расходуемой только на рабо-
работу разложения электролита. Эта избыточная часть работы элек-
электрического тока расходуется:
а) на преодоление внутреннего сопротивления электролизе-
электролизера, которое зависит от формы и материала диафрагм, проводи-
проводимости и площади сечения электролига, расстояния между элек-
электродами, силы тока и т. п.;
б) на преодоление перенапряжения на электродах, которое
зависит главные образом от материала электродов и плотности
тока на них;
в) на компенсацию поляризационных явлений в электролите,
которые зависят от характера процесса электролиза. Теоретичес-
Теоретический подсчет этого расхода электроэнергии по п. п. «а», «б» л
«в» является довольно сложным вопросом специальной части
технической электрохимии, и мы здесь на нем останавливаться
не будем.
В целях уменьшения поляризационных явлений и внешнего
перенапряжения водорода и других газов в практике работы
промышленных установок обычно применяют перемешивание
электролита, добавление в ванны деполяризаторов и т. п.
Таким образом, при расчетах и характеристике работы элек-
электролитических установок различают:
а) выход по току, который характеризует степень ис-
использования количества электричества неза-
независимо от напряжения тока и зависит от наличия по-
побочных реакций при электролизе, и
б) расход электроэнергии на единицу получае-
получаемой продукции, который определяется не только количест-
количеством затраченного электричества, но и напряжением, и зависит
от системы электролизера и других указанных выше факторов.
Отношение теоретически необходимого на разложение электро-
электролита количества электроэнергии (работы) к практическому рас-
расходу ее в электролизере носит название коэффициента ис-
использования электроэнергии или к. п. д. элект-
электролизера (установки).
Пример 1. Нормальный потенциал меди при 25°С равен
Е'о = +0,34 в, а цинка ?„ = —0,760 в. Вычислить для 25° С
э. д. с. цепи без учета диффузионного потенциала
+ Си ICuSO,1ZnSO41Zn
если: а) концентрация CuSO4 равна 150 л/г, a ZnSO* — 50 г/л;
б) степень диссоциации CuSCU указанной концентрации
щ = 0,25; для ZnSO4 a2 = 0,42.
254

Решение. Определим концентрацию ионов меди у медного
электрода и цинка у цинкового электрода (мол. вес CuSO^ =»
159,6; мол. вес ZnSO4 = 161,5):
сСи++ = 0,25 ^°б = 0,235 г-ион/л;
cZn++ = 0,42 1б5° 5 = 0,130 г-ион/л.
Отсюда по уравнению A30) получим (валентность меди и цин-
цинка «о = 2):
а) потенциал медного электрода в растворе CuSO4 указан-
указанной концентрации
?Си = + 0,340 + °'°58 lg 0,235 = + 0,312 в;
б) потенциал цинкового электрода в растворе ZnSO4
?z., = — 0,760+ °'°58 lg 0,130--=-- —0,786 в.
Электродвижущая сила определяется по уравнению A31)
Е = ЕСа — Е2п = + 0,312 — (—0,786) - 1,098 в (~ 1,1 в),
Ток в цепи идет от Си к Zn (?Си > ЕХп), т. е. медь здесь
будет служить положительным, а цинк отрицательным электро-
электродом.
Пример 2. Подсчитать потенциал разложения NaOH при
выделении из него металлического натрия путем электролиза
расплавленного едкого натра при температуре 300°С E73° К).
Решение. Электролиз расплавленного едкого натра теоре-
теоретически протекает по следующей схеме:
NaOH = Na+ + ОН~
4Na+ +• Ае -> 4Na (на катоде)
4ОН~ — 4е -> 2Н,О + О., (на аноде)
4Na+ + 401-Г = 4Na + 2H2O + 02
или
4NaOH - 4Na + 2H2O + O2— 274 100 кал*.
Подсчитаем потенциал разложения NaOH
* Тепловой эффект реакиит вычислен по закону Гесса на основании
теплот образования Н2О и NaOH.
255

а) по уравнению A39) *
Е = 274:i^ = 2,97 в;
23,04 ^-п-Л-. 4
в
б) по более точному уравнению A37), (принимая К равным
порядка —0,0002):
074 1
Е = —^^ \- 0,0002 E73 — 20) = 2,86 в;
23,04 ¦ 4 ' V
ii) по уравнению 138.
Изменение свободной энергии реакции разложения NaOH опре-
определится (см. табл. 21):
Л F = (Д Fc,2 ;- 2Д FIIjO -j- 4Д FNJ - 4 (Д FNa+ -u Д FOH_),
Д F = @ + 2 • 56,8 + 0) — 4 (—32,26 — 62,58) = 266 000 кал.
Отсюда
с 266,0 о оо
Е -= = 2,88 в.
23,04 ¦ 4
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИИ
Если через проводник проходит электрический ток, то при
этом происходит выделение тепла, т. е. нагревание проводника.
По закону Джоуля количество тепла (Q), которое развивает
электрический ток в проводнике, будет зависеть от мощности
тока W и времени прохождения его через проводник, т. е.
Q -=2,39 ¦ 10~4 U/т,
где Q —количество тепла, выделяющееся в проводнике, в
больших калориях;
W — мощность тока в ваттах;
т — время прохождения тока через проводник в секундах;
2,39 10 ' —тепловой эквивалент работы электрического тока. **
В случае постоянного тока (W = Vt = ri2) величина Q опре-
определяется по уравнению
Q 2,39 • 10~4 Vi- ¦= 2,39 ¦ 10 /ч2т, A44)
где V—напряжение в проводнике в вольтах;
i—сила тока в амперах;
г — сопротивление проводника в омах.
* В данном случае по = 4 (при реакции ру.ътожемпн участвуют 4 элект-
электрона). Не следует забывать, что Q и Д/-' в уравнениях A36) — A39) выраже-
выражено и ккал/г-моль.
** В технических расчетах величину теплового эквивалента работы элект-
электрического тока обычно принимают равной 2,Ф10~4.
256

При переменном токе (W = Vi cos cp) величина Q равна:
Q = 2,39- 10~4V/icos<p, A45)
где cos ср — коэффициент мощности.
Эти уравнения и служат основой расчета всякого электротер-
электротермического процесса.
При расчете сопротивления нагревателя применяют формулу
где г — сопротивление проводника в омах;
\> — удельное его сопротивление;
L — длина проводника (обычно в метрах);
S — площадь поперечного сечения проводника в мм'2.
Пример 1. В 500 мл воды опущена проволока, имеющая
сопротивление 30 ом. Через сколько времени вода нагреется до
80° С, если первоначальная ее температура была 20е С, а сила
тока, проходящего через проволоку, равна 3 а. Теплопотери
в окружающую среду не учитывать.
Р е ш е н и е. Для нагрева 500 мл воды от 20° до 80е С требу-
требуется тепла (теплоемкость воды равна 1,0):
Q = 500 • 1,0(80 — 20) = 30 000 кал (пли 30 ккал).
Это тепло должно быть передано воде, греющей проволокой.
Таким образом, последняя при прохождении через нее тока си-
силой в 3 а должна выделить 30 000 кал в течение т сек. Согласно
закону Джоуля
Q ^-2,39- I0 пт ккал.
Подставляя сюда г = 30 ом, 1 = 3 а и Q = 30 ккал, получим:
30
х = — 46о сек G мин 4о сек)-
2,39 • \0~4 • 30 ¦ З2
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Ток силой в 10 а пропускают в течение 1 часа
через воду, подкисленную серной кислотой. Определять, сколько
при этом выделится сухого газа на обоих электродах, если баро-
барометрическое давление окружающего воздуха 740 мм рт. ст. и
температура 27° С.
Решение. Процесс электролиза подкисленной воды проте-
протекает по уравнениям
2Н2О?-2Н+ -|- 201 Г"
2Н+ -\-2е = Н2 (на катоде)
17 С. П. Бесков 257

201-Г — 2e = H2O + ^-O2 (на аноде).
Таким образом, на каждый электрон выделяется на электро-
электродах — г-моль Н2 и ~ г-моль О2, а всего --¦ г-моль обоих газов
з
(т = —=0,75). Отсюда общее количество выделяющегося газа
4
(приведенного к нормальным условиям) определяется по урав-
уравнению A25)
0,75 ¦ 10 ¦ 60 • 60 п ооа /и | л|
п = —¦ — 0,280 г-моль (Н2 + О2).
90 500 '
Это составит при 740 мм рт. ст. и 27° С (по уравнению Менделе-
Менделеева — Клапейрона)
7R0
V = 0 280 • 0,0821 • 300 • --— =-- 7,007 л.
740
Пример 2. При помощи электролиза воды требуется полу-
получить 0,6 л гремучего газа при температуре 20° С и давлении
740 мм рт. ст. Сколько для этого потребуется времени, если си-
сила тока при электролизе равна 2 а}
Решение. Гремучий газ состоит из 2 объемов водорода и
1 объема кислорода. Следовательно, 0,6 л его состоят из 0,4 л Н2
и 0,2 л О2.
Определяя по формуле Менделеева — Клапейрона вес того
и другого газа, получим:
С„ = _?^?«l^i_ .-= 0,0325 г Н„
н' 760 • 0,0821 • 293
32.0-740 ¦0:2
°
760 ¦ 0,082! • 293
Определим по уравнению A24) время, необходимое для по-
получения 0,6 л гремучего газа (эквив. вес Н2=1,0; О2= —9~ т~~
-8,0; t = 2 о):
96 500 • G
или
96 500 0,0325 ,г„,, .пс .
z = 1560 сек B6 мин),
1,0-2
или, что то же, (проверяем по кислороду)
96 500-0,2591 ,_с„ ,ос ,
- = = 1560 сек B6 мин).
8,0-2
258

П р и м е р 3. Железная проволока помещена в качестве ка-
катода в раствор соли цинка. Длина погруженной в раствор части
проволоки равна 1 м; диаметр ее 4 мм. Ток плотностью в 2 а на
1 дм2 проходил через нее в течение 40 мин. Какова толщина от-
отложившегося слоя цинка на проволоке, если цинк распределил-
распределился на ней равномерно (уд. вес цинка 7,1)?
Решение. Площадь поверхности проволоки, погруженной
в раствор, равна:
F = * dL,
где я = 3,14; d = A лш = 0,4 см, /,= 1,0 м A00 см).
Отсюда
F = 3,14 0,4 • 100 = 125,6 см2 A,256 дм2).
Плотность тока на 1 дм2 равна 2 а. Следовательно, сила тока
в проводнике i = 1,256-2 = 2,512 а. Отсюда количество отложив-
отложившегося цинка на поверхности проволоки за 40 мин. B400 сек.)
Ас л
составит (эквив. вес цинка z = —^- =32,7):
G = ±^- = _g-5"-4°lJ^ ,. 2 04 г 7м.
96500 96500
Объем, занимаемый этим количеством цинка, равен:
V = -^i- = 0,288 см3.
7,1
При площади в 125,6 см2 толщина слоя цинка равна:
Ь -_-. -°-'-^-8 = 0,0023 см B3|i).
125,6
Пример 4. Металлический предмет необходимо покрыть
слоем никеля толщиной в 0,3 мм. Поверхность покрываемого
предмета равна 100 см2. Уд. вес никеля 9,0. Сколько времени
требуется пропускать ток через раствор соли никеля силой
в 3 а, если выход по току равен 90%?
Решение. Количество никеля, которое требуется отложить
на металлическом предмете, равно:
100.0,03 = 3 см3, или 3-9,0 = 27 г NL
По уравнению A26) определим GreopeT.:
< = у = 30 г т-
Отсюда по уравнению A24) время, необходимое на покрытие,
со у
составит (эквив. вес никеля 2= —^- =29,35):
-с = 9650° ' 30 = 32890 сек (9 час 8 мин 6 сек).
29,35-3
17* 259

Пример 5. Подсчитать нормальный потенциал окислитель-
окислительно-восстановительной реакции
2FeCl2 + H3AsO4 + 2НС1 Z 2FeCl3 -\- H3AsO3 + H2O,
если константа равновесия ее равна 1,46-10~5.
Решение. Константа равновесия данного окислительно-вос-
окислительно-восстановительного процесса определится:
2Fe++ + AsO4 -* 2Fe+++ + AsO3 ,
[Fe++]2 [AsO4 ]
Значение п0 в этой реакции равно двум
2Fe++— 26-2F
Отсюда по уравнению A33) получим
Пример 6. Имеется гальваническая цепь
—|Zn|ZnCla|Pt|^
и/.
Подсчитать стандартное изменение свободной энергии при
разложении хлористого цинка
ZnCl2 = Zn + Cl2,
если электродный потенциал цинка в 1 к растворе ZnCb при
25° С равен —0,762 в, а хлора +1,358 в.
Решение. Разность потенциалов данной цепи определяется
по уравнению
Е = ?х — ?2) или Е ^= 1,358—(—0,762) = +2,120 в.
По уравнению A38) имеем:
A F = — 23,04-2,120-2 --= —97,69 ккал на 1 моль С1а.
ЗАДАЧИ
1. Через подкисленную воду при температуре 24" С и барометрическом
давлении 740 мм рт. ст. проходит ток силой 1,5 а. Подсчитать, сколько по-
потребуется времени для получения 50,0 мл гремучего газа, с учетом в нем во-
водяных паров, парциальное давление которых при данных условиях состав-
составляет 19 мм рт. ст.
От в ет. 2 мин, 47 сек.
260

2. В течение 5 час через разбавленный раствор H2SO4 пропускают ток
силой и 1,54 а. Определить объем выделившегося при этом водорода, если
температура во время электролиза равна 18° С и давление 737 мм рт. ст.
Ответ. 3,50 л.
3. Через раствор СиС12 проходит ток силой в 1,5 а. При этом через 5 час
было получено 8,0 г меди. Определить: а) выход по току; б) сколько за это
время должно теоретически разложиться электролита (СиСЬ).
Ответ, а) 91,2%; б) 18,84 г.
4. Ток силой 50 а за 5 час выделил 281 г рафинированной меди. Опреде-
Определить выход по току.
Ответ. 95,0%.
5. Металлическая пластинка общей поверхностью 300 см'2 должна быть
покрыта слоем серебра толщиной в 0,015 льи; уд. вес серебра 10,5. Подсчитать,
сколько времени нужно пропускать ток силой в 0,5 а через раствор серебря-
серебряной соли.
Ответ. 2,26 часа.
6. Железо получается электролизом сернокислой закиси железа FeSO*.
Подсчитать, какое количество железа теоретически выделяет 1 а-ч электро-
электроэнергии и какое минимальное напряжение требуется для электролиза.
Ответ, а) 1,05 г электролитического железа; б) 2,5 в.
7. При электролизе медного купороса с медными электродами получено
0,3 г меди. Перед электролизом концентрация раствора у анода составляла
1,214 г/л Си, а после электролиза 1,430 г/л. Подсчитать величину чисел пере-
переноса: а)ионов меди; б) сульфат-ионов при данных условиях.
Ответ: а) 0,28; б) 0,72.
8. При измерении потенциала раствора сульфата кадмия получены сле-
следующие результаты: при силе тока 0,11 а величина потенциала равна 2,6 в,
а при 0,192 а она составляет 3,0 в. Подсчитать потенциал разложения суль-
сульфата кадмия.
Ответ. 2,07 в.
9. Имеется окислительно-восстановительная гальваническая цепь, в кото-
которой концентрация соответствующих ионов у электродов равна 1 к:
- |Pt|Zn++++- Sn++|Fe+++ - Fe++|Pt|-
Потенциал электрода Sn+++~*~ —Sn~'"*" при 25° С равен Е, = +0,130 в, а
Fe+"Н" — Fe+ ¦" при тех же условиях Е2 = + 0,748 в. Определить: а) какой
¦из полюсов будет отрицательным; б) э. д. с. цепи; в) стандартное изменение
свободной энергии системы.
Отпет, а) Платиновый электрод и ратиоре солей олова является от-
отрицательным; б) 0,618 в; в) 28480 кал.
10. Подсчитать: а) потенциал разложения поваренной соли при электро-
электролизе с ртутным катодом, если теплота образования амальгамы натрия равна
1900 кал. Определить также: б) сколько килограмм хлора; в) едкого нзтрн;
г) водорода дает 1 кв-ч электроэнергии при электролизе поваренной соли,
если напряжение у ванны 3,6 s, а выход но току 90%-
Ответ, а) 3,4 в; б) 0,340 кг С12; в) 0,356 кг NaOH; г) 0,0159 кг Н2.
11. Определить: а) теоретическую работу тока для получения 1 кг натрия
при электролизе расплавленного едкого натра и б) к. п. д. установки, если
напряжение на зажимах ванны равно 5,0 в и выход по току 40%.
О-ве т. а) 3,45 кв-ч на 1 кг Na; б) 23,7%.
261

12. Какое минимальное напряжение должно быть при электролизе
a) CuSO4 б) CuCI2, если основные реакции, пропекающие при этом, будут:
a) Cu++ + 2e--*Cu (на катоде)
Н2О — 2е -> 2Н+ + 0,5О2 (на аноде)
Си++ + Н2О — Си + 2Н+ + 0,502
б) Си++ -Ь 2е —» Си (на катоде)
2С1 —2g-^Cl2 (на аноде)
Си++ + 2С1'— Си + С12
Ответ: вычислено по уравнению C8): а) 0,89 в, б) 1,02 в.
13. В термостате имеется 850 л воды, подогретой до 25° С. Однако вслед-
вследствие теплопотерь в окружающую среду вода в термостате охлаждается и че-
через 1 час температура ее снижается до 24,8е С. Для поддержания постоянной
температуры B5° С) воду в термостате подогревают электрическим током.
В качестве нагревателя служит обмотка из никелина длиной в 2,6 л с сопро-
сопротивлением в 8,14 ом/м. Подсчитать, какой силы электрический ток необходимо
пропускать через обмотку для поддержания постоянной температуры термо-
термостата.
Ответ: 0,21 а.
14. Требуется нагреть 5 л поды от температуры 20° до 100° С при помощи
гока силой в 4 а. В качестве нагревателя служит обмотка из иихромовой
проволоки, длина которой 2 м и сопротивление 65 ом/м. Сколько потребуется
времени на нагревание воды (тепловыми потерями в окружающую сряду пре-
пренебречь)?
Ответ: 13 мин 20 сек.

Глава VIII
РАСЧЕТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Несмотря на большое разнообразие химических производств,
большинство процессов химической переработки сырья и полу-
полупродуктов производства осуществляется: а) методами «терми-
«термической» обработки* исходных материалов (обжиг, плавка,
крекинг, термическое разложение и т. п.), б) каталитиче-
каталитическим путем (синтез, контактное окисление и т. п.),в) элек-
электрохимическим путем (электролиз растворов и расплав-
расплавленных солен), г) физико-химическими методами (выще-
(выщелачивание и кристаллизация, сжижение и ректификация, экстра-
экстрагирование и перегонка и т. п.), д) сочетанием одного из указан-
указанных методов с другим (каталитический крекинг, гидрирование
жидкого топлива и полимеризация и т. п.).
Получение почти любого товарного продукта химической тех-
технологии включает в себя несколько стадий производства. Однако
каждая из этих стадий осуществляется каким-либо одним из
указанных выше методов обработки исходных материалов. Так,
например: 1) коксохимическое производство включает в себя
* В строгом смысле под термической обработкой материалов обычно по-
понимается механическая обработка их при высоких температурах, т. е. такая
обработка, up и которой обрабатываемый материал не подвергается химиче-
химическим тиснениям.
263

следующие основные стадии*: а) коксование угля методом тер-
термической его обработки, б) выделение из прямого газа надсмоль-
надсмольной воды, сырого бензола и каменноугольной смолы путем его
конденсации, в) переработку надсмольной воды, сырого бензола
и каменноугольной смолы путем физико-химической их обработ-
обработки (отгонка аммиака из надсмольных вод, фракционированная
перегонка смолы и т. д.); 2) контактное производство серной
кислоты осуществляется при помощи следующих основных хими-
химических процессов: а) обжига железного колчедана или других
сернистых руд, б) контактное окисление полученного при этом
сернистого газа в серный ангидрид, в) абсорбции последнего
водным раствором серной кислоты и т. д. Очень многие химиче-
химические производства в отдельных своих стадиях имеют совершенно
тождественные категории процессов. Так, например: а) произ-
производство свинца, цинка, чугуна, олова и фосфора в стадии «тер-
«термической» обработки сырья основано на тождественных процес-
процессах восстановительной плавки; б) в основе производства азота,
кислорода и гелия из воздуха или получения водорода и углево-
углеводородов из коксового или искусственного нефтяного газа лежат:
метод глубокого охлаждения и последующая ректификация сжи-
сжиженной смеси указанных газов; в) производство бензина, керо-
керосина и масел из нефти, а также выделение товарных продуктов
(этилового спирта, ацетона, молочной кислоты и др.), получае-
получаемых в результате биохимической обработки растительного сырья
или сахаров при гидролизе древесины, осуществляется методом
дробной перегонки исходных материалов и т. д.
Отсюда естественно, что и методика техно-химических расче-
расчетов каждой одноименной категории производственных процессов
более или менее однотипна независимо от рода производства.
В каждом случае здесь может только: а) несколько усложняться
или, наоборот, упрощаться эта методика в зависимости от соста-
состава исходных продуктов и характера побочных процессов, сопро-
сопровождающих основной процесс; б) изменяться порядок цифр
в расчетах в зависимости от величины тех или иных констант,
участвующих в данном процессе компонентов и т. п.
Принцип расчета любого одноименного процесса всякий раз
остается одним и тем же. Так, например: а) подвергается ли
электролизу поваренная соль, производится ли электролитиче-
электролитическое рафинирование меди, получается ли металлический алю-
* Каждая из основных стадий химического производства включает а
себя также целый ряд подготовительных процессов (операций) механическо-
механического, а в отдельных случаях физико-химического характера, как, например, из-
измельчение твердых видов сырья .и полуфабрикатов, очистка исходных мате-
материалов и т. п.
264

миний электролизом бокситов и т. п., — во всех аналогичных слу-
случаях стадия электролиза каждого из указанных производств рас-
рассчитывается на основе законов Фарадея и соответствующих сте-
хиометрических уравнений, б) подвергаются ли ректификации
сжиженные газы или простой дробной перегонки смеси жидко-
жидкостей,—во всех случаях расчет основывается на законах равно-
равновесия жидкой и газообразной фаз этих смесей и т. д.
Поэтому мы здесь не будем останавливаться на всем много-
многообразии расчетов производственных процессов в химической про-
промышленности. Рассмотрим лишь типовые и наиболее распрост-
распространенные в промышленной практике материальные и тепловые
расчеты производственных процессов, как то: а) «термическую»
обработку некоторых видов органического и минерального сырья
(газификация и коксование угля, газификация торфа, обжиг же-
железного колчедана, электротермическое получение карбида каль-
кальция, ферросилиция и окиси азота), б) каталитические процессы
синтеза и окисления аммиака, конверсии окиси углерода и окис-
окисления сернистого газа, в) электрохимические производства,
г) один из наиболее сложных физико-химических методов про-
промышленной переработки сырья —сжижение и ректификацию га-
газовых смесей в( частности воздуха). Приведенные расчеты
производственных процессов охватывают собой значительную и
наиболее сложную и важную часть процессов химической техно-
технологии. Освоение этих расчетов дает возможность технологу ме-
методически правильно подойти к расчету материального и тепло-
теплового баланса почти любого химического производства.
УГОЛЬ, ЕГО СЖИГАНИЕ И ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА
Примеры расчетов
Пример 1. Сухой коксовый газ имеет состав (по объему):
56,0% Н2, 25,5% СН4, 2,5% тяжелых углеводородов (C,,Hffl),
7,0% СО, 2,6% СО2, 0,7% О2 и 5,7% N2. Подсчитать: а) количе-
количество сухого воздуха для полного сгорания этого газа, если коэф-
коэффициент избытка воздуха а = 1,1; б) состав продуктов сгорания.
Решение. Расчет ведем на 100 лг3 или 100 кг-моль газа;
при этом принимаем тяжелые углеводороды за этилен С2Н4.
Реакции при полном сгорании составных частей коксового
газа выражаются уравнениями:
Н2 + 0,5О2 = НаО, СН4 f 2О2 - СО2 + 2Н2О,
С2Н4 + ЗО2 = 2СО2 + 2НА СО + 0,5О2 = СО2.
265-

Отсюда потребное количество кислорода для сгорания коксового
газа составит:
56,0-0,5 + 25,5-2 4- 2,5-3 -|- 7,0-0,5 — 0,7 --¦= 89,3 м\
или, что то же, 89,3 кг-моль кислорода на 100 кг-моль коксового
газа.
79
Воздух содержит — 3,76 мл азота на 1 м3 кислорода; по-
поэтому теоретический расход сухого воздуха составит:
89,3 + 3,76-89,3-425,1 м\
«ли при коэффициенте избытка его а = 1,1:
1,1-425,1 -467,6 м3 D67,6-1,293 = 603,6 кг).
Количество продуктов сгорания составит:
СО2—от сгорания СН4 25,5 м3
» » С,Н4 2,5-2 = 5,0 »
» » СО 7,0 »
с коксовым газом ..... ... 2,6 »
Итого ~ . . .40,1 м:>
Н-О—от сгорания Н 56,0 м3
' » С\\\ 25,5 • 2 = 51,0 »
» s C2i[4 2,5 • 2 = 5,0 »
Итого 112,0 м3
N4—с воздухом 1,1 ¦ 3,76 • 83,3 = 369,3 м3
s коксовым газом 5,7 »
Итого 375,0 м3
О2—введено с избытком воздуха 0,1 ¦ 89,3 = 8,9 м3
Всего 536,0 м3
Таким образом, на 100 м3 сгоревшего газа получается
536,0 м3 влажных или 536,0—112,0 = 424,0 ма сухих продуктов
¦сгорания. Отсюда сухие продукты сгорания имеют состав:
СО, _J?dli~= 9,5%
424,0
N, 375,0-100 =8g
424,0
О2 8 9- Ю0 =
424,0
Итого 100,0%
266

Пример 2. Подсчитать, какой должен быть состав паро-
паровоздушной смеси, чтобы окиси углерода и водорода (СО + Н:!)
в продуктах газификации было втрое больше, чем азота.
Р с ш е н и е. Расчет ведем на 1 кг-моль кислорода или, что то
же, на A + 3,76) кг-моль воздуха.
Обозначив количество водяного пара через х кг-моль, на
I кг-моль кислорода получим:
2С + О2 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2
хС -1- *Н2О = хСО + xU2
Суммарно: B + х)С+О2 ¦¦!-3,76N2+*H2O=B + *)CO+3,76N2+xHa.
Таким образом, в продуктах газификации содержится:
СО 2 + X кг-моль (или объемов)
N2 3.76 » » »
Н3 х » » »
По условию задачи азот в них должен составить '/3 от (СО +
+ Н2).
Следовательно
376B + х + х)Ц^х ¦
Отсюда
х — 4,64 кг-моль.
На 4,76 кг-моль воздуха требуется 4,64 кг-моль НгО, или на 1 мг
воздуха:
-= 0,975 м3 водяных паров.
4,76
Пример 3. Смешанный газ следующего состава: 36% СО,
5% СО2, 33% Н2, 21,5% N2, 4% Н2О и 0,5% СН4, подвергается
конверсии при температуре 530° С и давлении 1 ата; равновесие
при конверсии равно 90%. Сколько требуется водяного пара на
100 м3 этого газа, чтобы содержание СО в сухом конвертирован-
конвертированном газе было не более 3%?
Решение. Реакция конверсии:
СО + Н2О ? СО2 -f- Н2.
Константа равновесия этой реакции при 530°С равна 0,245 (см.
табл. 24, реакция 15 или рис. 18):
267
,Kp = — j^±L.\. 1,5904 lg Г— 1,817 • 10~jj
+ 5,65 • 1(Г7 T2 — 8,24 • 10~" T3— 1,5313.

Подставляя сюда Т = 530 + 273 = 803° К, получим:
К = К„ =-- 0,245.
Считая, что равновесие достигает 90%, расчетное значение К
составит: 0,245-0,9 = 0,220. Следовательно,
к
[CO.J [i!,l
Обозначим количество водяного пара, взятого на 100 м3 сы-
сырого газа, через х м3. Тогда газ до конверсии имеет следующий
состав:
СО 36:22,4 = 1.608 кг-моль
СО2 5 : 22,4 ^0.223 »
Н2 ,43: 22,4 = 1 474 »
N.; 21,5 : 22,4 = 0,960 »
СН4 0,5:22.4 = 0,022 »
П2О (х + 4j : 22,4 = 0,0446л: + 0,179 кг-моль
или сухого газа
1,608 + 0,223 + 1,474 + 0,960 + 0,022 = 4,287 кг-моль.
Процесс конверсии идет без изменения объема газа. Следова-
Следовательно, если в конвертированном газе осталось у кг-моль СО, то
прореагировано: A,608—у) кг-моль СО и столько же Н2О. За
счет этого образуется по A,608 — у) кг-моль СО2 и Н2. :
Отсюда объем сухого конвертированного газа определится
по уравнению
4,287 — A,608 — у) + 2A,608— у) = 5,895 — у кг-моль.
Окиси углерода, по условию задачи, здесь должно быть не бо-
более 3%, т. е.
0,03 = 9- .
b,S% — y
Отсюда
у = 0,172 кг-моль СО.
Таким образом, в процессе конверсии прореагирует тго 1,608—
—0,172 = 1,436 кг-моль СО и Н2О.
За счет этого образуется по 1,437 кг-моль СО2 и Н2. Следо-
Следовательно, газ после конверсии имеет состав:
СО .0.172 кг-моль
CO., 0,223 Н- 1,436= 1,6^9 »
Нг 1,474+ 1,436=- 2,9Н) »
N.. 0.У60 »
СН4 • (',022 »
НаО . . . 0,С446х + 0,179— 1,437=0,0446%— 1,258 кг-моль
268

По значению константы равновесия находим х, т. е. количе-
количество ешдяных паров, взятых на 100 м3 смешанного газа.
к _ [СО] \\\,О\ _ т 0,172 ¦ @,0446л— 1.2Г.8) _
|COJ • [Н,2]
1,659 • 2,910
Отсюда
X —
1,280
— = 167 ма Н2О на 100 ма смешанного газа.
0,00765
В связи с тем, что с расчетами конверсии окиси углерода водя-
водяными парами в производственной практике приходится встре-
встречаться довольно часто, приводим номограмму (рис. 19), состав-
составленную Н. М. Жаворонковым и С. Н. Тихменевым для этих ра-
расчетов. Номограмма состоит из 7 шкал, из которых 2 слепые.
Ь @
г
1 isoa ь
t
г
;—35
~h36
-
^37
-38
-39 ,
-Hi
Lw
— ЧЧ
-<t5
-iS
-*7
-18
-43
-50
~P
Содержание С02 • СО
(исходной смеси. 7.
.
a
t
-SB
-67
-68
OJ
-70
-71
-72
-73
-74
-75
-76
-77
-73
¦73
-so
-81
-8?,
-83
-81
-85
—RF,
-87
-81
— S9
-so
2 A
S A
/ -|
Содержание СО 6 сухой
„ равновесной смеси, %
Содержание СО-н,
6 исгпдной смеси. У-
Рис. 19. Номограмма для расчета конверсии окиси углсрида.
На шкале А номограммы откладывают процентное содержа-
содержание суммы окиси углерода и водорода в исходной смеси, а на
шкале В —суммы двуокиси и окиси углерода в ней.
На шкале /°С дается температура конверсии, на шкале D —
процентное содержание окиси углерода в конвертированном
газе и на шкале п — отношение объемов водяного пара к газу.
Пользуясь номограммой, подсчитаем объем водяных паров,
который необходимо брать для конверсии окиси углерода, соб-
соблюдая заданные условия: а) температура конверсии 530° С;
26Э

б) содержание СО в сухом конвертированном газе не более 3%.
В исходном газе сумма СО + Н2 равна 69%, а сумма СО2 +
+ СО = 41%.
Откладываем на шкале А значение СО + Н2, равное 69 (точ-
(точка а), а на шкале В — значение СО2 + СО, равное 41 (точка Ь)
Соединяем эти точки прямой линией ab. При этом последняя пе-
пересекает слепую шкалу F в точке с, которую соединяем прямой
линией со второй слепой шкалой Е так, чтобы эта линия пересе-
пересекала температурную шкалу t° С в точке заданной температуры
E30° С). На слепой шкале при этом откладывается точка d, ко-
которую соединяем со шкалой D в точке з — процентного содержа-
содержания окиси углерода в сухом конвертированном газе. При этом
на шкале п отложилась точка k, значение которой равно ~1,8.
Эта цифра показывает, что на 1 объем (м3) исходного газа еле
дует брать 1,8 объема (м3) водяного пара.
Примечание. Расхождение с вычисленным составляет +7%; рас-
расхождение получилось вследствие того, чю номограмма построена из расчета
конвертированной газовой смеси в равновесном состоянии, в то время как
мы при расчете исходили из 90% достигнутого равновесия. С учетом процен-
процента конверсии практическое количество водяного пара, вычисленное по но-
номограмме, составит 0,9 ¦ 1,8 = 1,62 м3 (расхождение с вычисленным околс
3%).
Если конверсии подвергается i аз отстала: 36% СО, 30% Н2, 4% СО2 и
24% N2, при температуре 550° С и если при атом в сухом конвертированном
газе должно быть окиси углерода не 6oj.ee 3%, то подсчет по номограмме
показывает, что в данном случае необходимо брать около 2 объемов водяно-
водяного пара на 1 объем исходной газовой смеси.
Пример 4. При газификации угля чистым воздухом в зоне
горения развивается температура до 1500° С, что затрудняет
процесс. В целях снижения температуры в генератор вместе
с воздухом вдувают водяной пар. Практикой установлено, что
оптимальная температура газификации равна 1000—1100° С.
Подсчитать, сколько нужно водяного пара на 1 мя воздуха, что-
чтобы температура при газификации была 1000°С.
Примечав и с. При подсчетах принимаем, что содержание углерода в
топливе равняется 100% и весь углерод сгорает в СО.
Решение. Подсчитаем температуру, которая достигает
в зоне горения при газификации угля, приняв при этом, что ге-
генератор теряет в окружающую среду 10% тепла. Температура
горения определится из уравнения
t - _L
Хтс р
где Q — алгебраическая сумма прихода тепла в зоне горе-
горения, которая составляет из суммы теплового эффек-
270

та реакции горения (<7i) и физического тепла, вно-
вносимого в зону горения коксом (^г). минус теплопо-
тери в окружающую среду (q3) *, т. е. Q = <7i +
+ <?2 —<?з;
^тс/) — сумма произведений из количества полученных про-
продуктов горения на их среднюю теплоемкость.
Подсчитаем величину Q. При сгорании углерода в СО выде-
выделяется тепла (см. табл. 17):
2С + О2 = 2СО + 59400 (при 20° С),
или при 1000° С (Т = 1273° К.) **
qL = 60320 — 4.298Г + 3,594-10~3 Т2 + 1,25- 10~6Г3
(см. табл. 24).
Подставляя сюда значение Т =1273° К, получим:
^ = 60320 —4,298-1273+ 3,594-10~3 -12732 +
+ 1,25 • 10~6 -12733,
откуда
<7! ~ 63250 ккал на 2 кг-ашома B4 кг) углерода,
или
<7!---31625 ккал па 1 кг-шпом A2 кг) углерода.
Кокс в генераторе к зоне горения подходит с температурой
~ 1000° С. Средняя теплоемкость его (см. табл. 13) при 1000° С
составит:
с = 0,19025 4-0,220625-10 • 1000 + 0,050-10 -10002 =
— 0,461 ккал/кг,
или
с = 0,461 ¦ 12 = 5,532 ккал/'кг-шпом.
Отсюда теплосодержание 1 кг-атома A2 кг) кокса при 1000° С
равно:
q2 = 5,532-1000 = 5532 ккал.
* Теплосодержание воздуха, поступающего в генератор, не учитываем,
так как оно составит незначительную долю от общего количества тепла q\
и q-x (см. пример 8, стр. 3U0).
** Здесь правильнее было бы вычислить величину q не при 1000° С, а при
Q
той температуре, которая определится ниже из уравнении! / = ZT- Однако
i ШСр
при этом расчет значительно усложняется; ошибка, допускаемая ири подоб-
подобном подсчете температуры, не превышает 2—3%.
271

Потери тепла в окружающую среду составляют 10% от при-
прихода его, т. е.
<7з "-= 0,107! + <72) = 0,1 C1625 + 5532) = 3716 ккал.
Отсюда
Q = <7i -г <?2 — 7з =31625 + 5532—3716 = 33440 ккал.
Теоретически продукты сгорания содержат в своем составе
СО, полученную за счет сгорания углерода, и азот, идущий
с воздухом в количестве 3,76 кг-моль на 1 кг-моль кислорода:
2С + О2 + 3,76N2 = 2CO + 3,76N2
или
С + — О2 + 1,88N2 = СО + 1,88N2.
Отсюда температура зоны горения определится из уравнения
t _ __ 33440
Cco + l,88CNi
Так как теплоемкость СО и N2 в свою очередь также зависит от
температуры, то, подставляя сюда выражение этой зависимости,
получим уравнение, которое ввиду его сложности решить трудно.
Поэтому определяем t методом интерполяции. Примем t равной
1500° С. Теплосодержание указанных газов при этой температу-
температуре составит (см. табл. 16):
СО 11730 ккал
N3 1,88- 11600-= 21810 »
Итого Q' = 33540 ккал.
Значение Q' > Q. Принимаем / = 1400° С; при этой темпера-
температуре теплосодержание (СО+ 1,88 N2) (см. табл. 16) будет
равно:
СО 10890 ккал
N, 1,88-10760 = 20230 »
Итого Q" = 31120 ккал
Следовательно, Q" < Q. Таким образом, имеем:
1500 — 1400 = 100°С 33540 — 31120 -= 2420 ккал
^— 1400 = At 33440 — 31120 = 2320 » .
Отсюда
2320 100 = ggo с или* = 1400+96= 1496° С.
2420

Следовательно, при газификации угля чистым воздухом мож-
можно достичь внутри генератора температуры 1496° С. Нами же
в условиях задачи принято, что температура газификации дол-
должна быть 1000° С. Снижение температуры можно достичь вдува-
вдуванием в генератор не чистого воздуха, а паровоздушной смеси:
С -1- Н2О - СО + Н2 — 28150 ккал (при 20° С),
или 28 100 ккал при 1000°С (см. табл. 24, уравнение 10).
Выше мы определили, что при вдувании в генератор
0,5 кг-моль О2 + 1,88 кг-моль N2, т. е. 2,38 кг-моль воздуха (на
1 кг-атом углерода) в зоне горения выделится 33 440 ккал тепла.
Принимая температуру отходящих газов (СО и N2) равной
1000° С, находим, что теплосодержание их при этой температуре
равно (см. табл. 16):
СО 7554 ккал
N.2 1,88 • 7471 = 14050 ккал
Итого 21600 ккал
Таким образом, в генераторе получается 33 440 ккал тепла на
1 кг-атом углерода; продукты горения при этом уносят с собой
21 600 ккал тепла. Отсюда избыток тепла составит:
Д Q = 33440—21600 = 11840 ккал.
Это тепло должно быть использовано на реакцию разложения
воды углеродом:
С + Н2О = СО + На— 28100 ккал (при 1000° С),
а также на компенсирование теила, которое уносят с собой про-
продукты этой реакции, т. е. 1 кг-моль СО и 1 кг-моль ЬЬ (на
1 кг-моль водяных паров, вдуваемых в генератор).
Количество этого тепла определится (при 1000° С) (см.
табл. 16):
СО 7554 ккал
1-1, 7121 »
Итого 14675 ккал*
Отсюда расход тепла на 1 кг-моль вдуваемого водяного пара,
или, что то же, расход на 1 кг-атом углерода, сгорающего за счет
водяного пара (при 1000е С), равен:
q -: 14680 + 28100 -¦-- 42780 ккал.
Или с учетом физического тепла водяного пара в количестве
4250 ккал**.
q = 42780 — 42.50 =-- 38530 ккал.
* В дальнейших расчетах эту цифру округляем до 14G80.
** Принимаем, что водяной пар вдувается перегретым до 500° С.
18 С. ;... Песков 273

Избыток же тепла нами был определен в количестве 11 840 ккал
(на 2,38 кг-моль воздуха).
Следовательно, чтобы обеспечить в зоне горения генераторч
температуру 1000° С, необходимо вдувать: ——— = 0,307 кг-моль
38^30
водяных паров на 2,38 кг-моль воздуха, или на 1 м3 воздуха:
—--— = 0,121 м:] водяных паров.
2,38 ' F
Таким образом, для обеспечения в генераторе температуры
1000° С. вдуваем паро-воздушную смесь в отношении пар : воз-
воздух = 0,121 : 1,0. При этом в зоне горения протекают следующие
реакции:
С -I- — О2 -|- 1,88N, =- СО -| 1,88N2
0.307С -I- 0,307Н2О = 0,3Q7CO -|- 0.307H,
1,307С + 0,307Н2О !-0,5О2-|- 1,88N2 = 1,30700 + 1,88N2+0.307H,
Отсюда: а) состав газа:
СО 1,307 кг-моль, или 37,4%
N. 1,880 » » 53,8%
Н, . 0,307 » » 8,8%
Итого 3,494 кг-моль пли 100°/
7о
б) на 1,307 кг-атом углерода должно подаваться паро-воз-
душной смеси 0,5 + 1,88 + 0,307 = 2,687 кг-моль.
Следовательно, на 1 кг угля требуется паро-воздушной смеси:
A6*L: 22,4 ^ з 85
1,307 ¦ 12,0
В составе смеси содержится водяных паров:
0,307 • 18,0 . о
~ = 4,2 кг.
1,307
Примечание. В данном расчете памп принималось по внимание, что
реакция горения угля и в чистом воздухе и с водяным паром идет до конца;
равновесное состояние реакции горения при этом не учитывалось.
Пример 5. Подсчитать расходные коэффициенты и состав
генераторного газа при работе газогенератора на паро-воздуш-
паро-воздушной смеси. Температура газификации 1000° С; потери тепла
в окружающее пространство нижней частью генератора равны
274

20%. Состав рабочего угля *: 72,0% С, 5,6% Но, 9,0% О2,
2,0% N2. 1,5% S, 4,3% золы и 5,6% влаги.
Решение. Процесс, протекающий в генераторе при газифи-
газификации угля, может быть примерно представлен следующими
реакциями **•
в нижних частях генератора (на колосниках).
1) С -| - О, - СО2, 1а) С -V СО2 = 2СО,
2) С I Н,0 = СО -|- Н„, 3) FeS + 1,5О2+ SiOa --= FeSiO3 f О2,
в верхних частях генератора
4) СО + Н.,0 = СО2 + На, 5) FeS2 = FeS + S, 6) С + 2Н2 --=- СН4>
7) 2С -!- 2Н2 = С2Н4, 7а) лС + -^-Н2-|-С„Нт,
8) S + О., = SO2, 9) SO2 + ЗН2 = H2S + 2Н2О,
В верхних частях генератора, кроме того образуются продук-
продукты сухой перегонки (смола, NH3, уксусная кислота и др.), коли-
количество которых зависит от вида, сорта и состава топлива.
При расчете газогенераторного процесса пользуются либо
методом, предложенным проф. В. Е. Грум-Гржимайло, либо
методом проф. Н. Н. Доброхотова, либо методом чл.-корр. АН
СССР А. Б. Чернышева. Первый из этих методов дает наиболее
надежные результаты ири расчете процессов газификации ка-
каменного угля и главным образом металлургического кокса. Ме-
Метод Н. Н. Доброхотова используется при расчетах газификации
как каменных, так и бурых углей. При расчете газогенераторно-
газогенераторного процесса на торфе и других видах низкосортного топлива наи-
наиболее точным является метод А. Б. Чернышева.
При всех этих методах расчет процесса газификации ведется
отдельно по обеим стадиям: а) стадии сухого разложения
(в верхних частях генератора) и б) собственно процесса газифи-
газификации (в нижних частях генератора).
* Рабочим топливом называется топливо, которое, пс подвергаясь
подсушке, идет непосредственно потребителю. Состав такого топлива называ-
называется рабочим составом. Кроме того, различают воздушно-сухое н аб-
абсолютно-сухое топливо. В о з д у ш и о-с у х и м топливом называется такое
топливо, которое после хранения его на воздухе в лабораторных условиях со
держит постоянное количество влаги; абсолютно-сухим топливом назы-
называется топливо, высушенное в атмосфере воздуха при 105" С до постоянного
веса.
** В действительности процессы, имеющие место в генераторе, гораздо
сложнее. Однако для практических расчетов обычно пользуются приведенной
здесь сх( мой генераторного процесса.
18* 275

Отличительной особенностью указанных методов расчета яв-
является то, что при каждом из них, исходя из практических дан-
данных, задаются распределением отдельных элементов топлива
между составными частями генераторного газа и тем самым
определяют состав.и количество последнего. Кроме того,
при расчетах газификации каменного угля и кокса по методу
Грум-Гржимайло в состав топлива обычно вводят поправку
Дюлонга, которая заключается в том, что весь кислород угля
предполагается соединенным с соответствующим количеством
водорода в жидкую воду. Это правило хотя п не соответствует
действительности, но при расчетах состава генераторного газа
дает достаточно точные результаты. Для сравнения сделаем
в данном примере расчет состава генераторного газа по методам
Грум-Гржимайло и Доброхотова *.
Расчет по методу проф. Грум-Гржимайло. При расчете га-
газогенераторного процесса по этому методу принимается, что:
а) от '/ю До 'А всего углерода топлива переходит в СО2;
б) от Узо до '/is углерода топлива переходит в СН4**;
в) остальной углерод топлива переходит в СО;
г) вся сера угля переходит в генераторный газ в форме bbS,
причем половина ее выгорает в верхних частях и половина в ниж-
нижних частях генератора.
На основании этого подсчитывается количество СО2, СЬЦ,
СО и HoS, образующихся в верхних частях генератора (в трубо-
трубопроводе). Затем, обозначая через х количество водяных паров,
вступивших в реакцию под колосниками (С 4- ЬЬО = СО + Ib),
подсчитывают баланс водорода на колосниках и в газопроводе.
Количество азота определяют по расходу кислорода па обра-
образование продуктов сгорания составных частей топлива (СОг, СО,
SO2 и FeSiO3) ***. Отсюда определяют состав сухого генератор-
генераторного газа (выраженный через величину х), в котором при данном
методе расчета принимают содержание водяных паров равным
30—60 г/м3. Затем на основании реакции составляется тепловой
баланс (также выраженный через х) зоны газификации топлива,
из которого уже определяется величина х, а отсюда состав гене-
генераторного газа и все расходные коэффициенты при газификации.
Для простоты и удобства расчетов выразим состав угля
в кг-моль на 100 кг угля.
* Расчет газогенераторного процесса на торфе по методу А. В. Черны-
Чернышева см. стр. 296.
** При расчетах газификации металлургического кокса образование СЬЦ
обычно не учитывается.
*** При этом принимается, что поступающий в трубопровод из верхней
части генератора газ не содержит свободного кислорода.
276

Состав
с
о,
Но
Н,0
N,
S"
Зола
Итого . . .
% (пес)
72,0
9,0
5,6
5,6
2,0
1,5
4,3
100,0
Число кг-моль
без поправки
Люлонга
72,0: 12,0=6,000
9,0:32,0=0,281
5,6: 2,0=2.800
5,6 : 18,0=0,311
2,0:28,0 = 0,071
1,5:32,0=0,047
9,510
с поправкой Дюлонга
6,000
2,800—2,0-281=2,238
0,311-1-2,0-281=0,873
0,071
0,047
9,229
Расчет СОо (в верхних частях генератора). Положим, что
на образование СОг израсходована '/а всего углерода. Тогда ко-
количество СОг составит:
6,000 „ _гп
=0,750 кг-моль.
Расчет СН4. Принимаем, что на образование СН4 пойдет
'/20 всего углерода. Следовательно, количество СН4 будет равно:
6,000 „ опп
= 0,300 кг-моль.
20
Расчет СО. Остальная часть углерода переходит в окись
углерода, количество которой определится:
6,000 — @,750 + 0,300) = 4,950 кг-моль.
Из них на колосниках образуется:
6,000—0,300 = 5,700 кг-моль СО,
так как метан в количестве 0,300 кг-моль образуется в верхней
части генератора за счет углерода угля, а СОг @,750 кг-моль)
за счет угля, идущего с колосников.
Расчет H2S и SO2. В нижнюю часть генератора поступает
7г всей серы. Следовательно, здесь образуется
0,017
= 0,024 кг-моль SO2.
В верхней части генератора вся сера угля переходит в серо-
сероводород, количество которого составит
0,047 кг-моль H2S.
. 277

Расчет ЬЬ. Обозначим количество водяного пара, вступив-
вступившего в реакцию под колосниками, через х кг-моль. Тогда баланс
водорода выразится:
Приход Н2
образуется на колосниках по реакции
С + Н2О = СО -f Н2 х кг-моль
образуется в верхней члсти генератора по реакции
СО + Н2О =-- СО, + Н2 . . .0,750 »
поступает с углем 2,238 »
Итого jc H- 2.98S кг-моль
Расход Н;
на образование метана С -f- 2H2 = СН4 0,600 кг-моль
на восстановление SO3 (SO3 4- ЗН, = II..S -+- 2ILO) .. .0,141 »
Итого 0,741 кг-моль
Следовательно, в верхней части генератора (в трубопроводе) ко-
количество водорода составит
х + 2,988 — 0,741 = * + 2,247 кг-моль На.
Расчет N2. Количество азота определится из количества
кислорода, расходуемого в процессе газификации.
Расход О2
на образование СО (количество СО 5,700 кг-моль, из которых х кг-моль п:олу-
5,703— х
чается за счет разложения Ы.,0 а зоне газификации) . кг-моль
на образование SO2 в верхней части генератора 0,024 »
на образование SOa и FeSiO3 в нижней части
генератора 0,036 »
Итого 2,910 — 0,5л кг-моль
Отсюда количество поступающего в генератор (под колосника-
колосниками) азота составит
3,76B,910 —0,5л) = 10,942— 1,88* кг-моль N2>
а с учетом содержания 0,071 кг-моль N2 в угле количество его,
поступающего в газопровод, будет равно
10,942—1,88*-i-0,071 = 11,013—1,88* кг-моль N,.
Количество воздуха, поступающего в генератор (под колосни-
колосниками) :
4,76B,910 — 0,5*)= 13,852 — 2,38* кг-моль.
278

Таким образом, количество сухого генераторного газа соста-
составит:
На колосниках, кг-моль В газопроводе, кг-моль
сн4 .
го .
so2 .
H2S .
II,
N, . . .
Итого . .
10
16,
5,700
0,024
X
,942—1
,666-0,
,88л:
,88л
11
19,
0,7
0,300
4,950
0,047
х + 2,247
,013— 1,88jc
307—0,88л
Расчет НгО. Принимаем, что в генераторном газе содер-
содержится 40 г/м3 Н2О, что составит:
-—А- ---= 0,00222 кг-моль Н2О на 1 мя сухого газа.
18,0 100
Таким образом, баланс НгО определится так:
Приход Н2О
поступает с топливом 0,873 кг-моль
за счет восстановления SO2 по реакции
SO2 f- 3Ha - 1LS 4- 2Н.2О 0,094 »
Итого 0,967 кг-моль
Расход П.,О
с генераторным газом 0,00222 ¦ 22,4 A9,37 — 0,88х) = 0,960 —
— 0,044х кг-моль
для процесса газификации п нижней
части генератора по реакции
С -f-Н,О = СО-|-И, х »
для коннерсми СО и верхней части
генератора по реакции
СО 4- Н.2О = CQa 4- Иа 0,750 »
Итого .... 1,710 4- 0,956л; кг-моль
Следовательно, требуется дать с паро-воздушной смесью*
1,710 4- 0,956* — 0,967 = 0,743 + 0,956х кг-моль Н2О.
На колосниках разлагается х кг-моль НгО. Отсюда неразло-
жившиеся здесь водяные пары составят
0,743 + 0,9i>6x—x - 0,743 — 0,044л; кг-моль НаО.
* При расчете количества Н2О мы не учитываем количеств водяных па-
парой, идущих в генератор с воздухом; но ато и конечном итоге значительной
ошибки не дает.
279

Таким образом, количество влажного газа определится:
На колосниках, кг-моль В газопроводе, кг-моль
СО2 - 0,750
СН4 — 0,300
СО 5,700 4,950
SO 0,024 —
H2S — 0,047
Il2 * 2,247+*
N, 10,942—1,88* 11,013—1,88*
Н2О 0,743—0,044* 0,960—0,044*
Итого 17,403—0,924а- кг-моль 20,267—0,924* кг-моль
Определим величину х, т. е. количество водяного пара, разло-
разложенного на колосниках. Для этого воспользуемся уравнением
теплового баланса зоны горения (нижней части генератора),
имея в виду, что температура здесь 1000° С и что приход тепла
составится из: а) теплового эффекта реакций нижней части гене-
генератора (д{) и б) физического тепла, т. е. теплосодержания угля,
идущего сюда из верхней части генератора (Q2) • Расход тепла
в нижней части генератора: в) тепло, уносимое газами в верх-
верхнюю часть генератора при 1000° С (<7з) и г) потери тепла в окру-
окружающее пространство (</4). величину которых мы приняли рав-
равной 20% от всего прихода тепла.
Таким образом, приход и расход тепла определится следую-
следующим образом.
Приход тепла, а) Тепло в нижней части генератора по-
получается в результате следующих реакций:
1) 2С + О2 = 2СО + 59400, 2) С + Н2О = СО + Н2 — 28150,
3) FeS + 1,5 О2 + SiO2 = FeSiO3 + SO2 + 105500.
Указанные тепловые эффекты даны при 20° С. Подсчитаем их
для температуры процесса газификации, т. е. при 1000° С
(Г= 1273° К).
Для первой реакции (см. табл. 24):
q\ = 60320—4,298Г +3,594-10~3 -Т2 + 1,25 -10~6 -7,
или
^¦A273) = 63280 ккал па 2 кг моль сгоревшего углерода.
Для второй реакции:
q'- =—26853 —5,2697 +2,719- 10~3 -72+0,546- 10~б -Г3,
или
q" 273 .¦=—28060 ккал на 1 кг-моль разложенной Н2О.
280

В виду того что содержание серы в угле незначительно, теп-
теплота выгорания ее в общем балансе большой роли играть не бу-
будет. Поэтому пересчет теплового эффекта третьей реакции для
1000° С производить не будем. Это вызовет ошибку не более
0,01%.
Таким образом, тепловой эффект третьей реакции прини-
принимаем:
ккал на ! кг-моль сгоревшего FeS,
или, что то же, на 1 кг-моль S.
Всего в 100 кг угля содержится 6,00 кг-моль углерода, из ко-
которых на колосники поступает 5,70 кг-моль; по второй реакции
его сгорело х кг-моль, т. е. столько же, сколько разложено водя-
водяных паров. Следовательно, по первой реакции сгорело углерода
E,70 — х) кг-моль.
Отсюда суммарная теплота реакций в нижней части генера-
генератора определится:
63^80
По реакции 1 E,70 — х)—;—= 180350 — 31640* ккал
» > 2 —х ¦ 28060 = —28060* »
» _» 3 .... . . 0,024 ¦ 105500 ^2530 »
Итого ?! = 1828S0 — 59700* ккал
б) Теплоемкость угля (точнее, углерода) равна 0,461 ккал/кг
(см. табл. 13). Следовательно, теплосодержание углерода, иду-
идущего в зону газификации из верхней части генератора при
850°С *, определится:
q2 = 73,45 0,461.850 = 28800 ккал.
Примечание. Здесь при подсчете взято не 100 кг угля, поступающе-
поступающего в генератор, а 73,45 кг, которые представляют собой сумму углерода, зо-
золы и половины серы минус углерод, пошедший на образование метана в ко-
количестве 0,3 ¦ 12,0 кг, т. е.
G = 72 + 4,3 + -^- - 0,30-12 = 73,45 кг,
так как предполагается, что все остальные составные части угля и половина
серы и нем (FcS2 = Fc + S) были удалены в верхней части генератора (в зоне
подсушки и удаления летучих веществ).
Таким образом, общий приход тепла:
Qn[)HX - 182880 —59700*+ 28800 = 211680 —59700* ккал**.
* Принимаем, что уголь в верхней части генератора до температуры гази-
газификации, т. е. до 1000" С, нагреться не успеет. Поэтому принимаем темпера-
температуру его равной 850° С.
** Jaocb в общем приходе тепла не учтено тепло, вносимое в генератор
водяным паром и воздухом (физическое тепло их). При составлении общего
теплового баланса (для всего генератора) эти статьи прихода тепла учиты-
учитываются (см. .пример 6); они составляют 0,4—0,5% общего прихода.
281:

Расход тепла: в) С отходящими из зоны газификации
газами (состав их см. выше; теплосодержание при 1000е С см.
табл. 16):
СО 5,700-7554 = 43060 ккал
SO.2 0,024 12064 = 290 »
Н2 х ¦ 7121 == 7121 jc »
N., ПО,942 — 1,88.*) 7471 =81800—14040* »
Н,0 @,743 —0,044x) 9194 = 6830-404* »
Итого </3 = 131980 — 7320х ккал
г) Теплопотери Ц\ составляют 20% от прихода тепла,
<<3прих. )• т- е- ^4 = 0,20-B11680 — 59700а:) = 42330— 11940д: ккал.
Общий расход тепла:
Qpacx. = 131980 — 7320* + 42330 — 11940jc = 174310— 19260* ккал.
Приравнивая приход тепла расходу его, получим:
QnpHx = Qpa(.x, или 211680 — 59700л: = 174310— 19260*.
Отсюда
а- == 0,924.
Таким образом, определив значение х, получаем следующий
состав влажного газа:
Состав
со2
сп4
со
so.
H2S
11,
N..
н,о
Итого ...
На колосниках
кг-мо-ib
—
5,700
0,024
0,924
9,205
0,702
16,555
%
—
34,4
0.1
—
5,6
55,7
4,2
100,0
В газопроводе
кг-моль
0,750
0,300
4,950
—
0,047
3,171
9,276
0,919
19,413
кг
0,750-44 = 33,0
0,300- 16 = 4,8
4,950-28=138,5
—
0,047-34=1,6
3, 171 -2 = 6,3
9,276 -28=259,7
0,919-18=16,6
460,5
объем. %
3,85
1.5
25,4
—
0,25
16,3
48,0
4,7
100,0
Объем влажного газа определится:
19,413-22,4 = 436 мя.
Количество поступающего в генератор воздуха определится
из следующего. Азота под колосниками поступает 9,205 кг-моль.
282

Это соответствует:
9,205 • 100
79
-- 11,650 кг-моль воздуха,
из которых 11,650 — 9,205= 2,445 кг-моль составляет кислород.
Отсюда весовое количество воздуха будет:
9,205 • 28 + 2,445 ¦ 32 = 336 кг.
Водяного пара на 100 кг угля расходуется:
0,743 4- 0,956-0,924 =-- 1,626 кг-моль,
или
1,626-18 = 29,3 кг.
Количество получаемого сухого газа равно:
A9,413 —0,919) 22,4 = 414,2 мя.
Отсюда расходные коэффициенты составят:
100
для угля
» воздуха . . .
» водяного пара
414
338
414
29,
,2
,0
,2
2
414,2
— 0,241 кг ия 1 м3 сухого газа
--=0.816 » »
==0,070 » »
Сведем материальный баланс генератора в таблицу
Приход
статья мрихпда
1. Уго.пь
2. Воздух
3. Водяной пар ....
Итого . . .
кг
100,0
336,0
29,3
465,3
Расход
статья расхода
1. Генераторный газ . .
2. Зола
3. Псньзкн баланса . .
Итого . . .
кг
460,5
4,3
0,5
465,3
Расчет по методу проф. Доброхотова. Расчет газогенератор-
газогенераторного процесса по методу проф. Доброхотова разбивается на две
стадии. Вначале подсчитывается количество газа, полученно-
полученного за счет сухого разложения (сухой перегонки) угля в верхних
частях генератора. При этом, исходя из практических данных,
задаются распределением содержащих в топливе углерода, кис-
кислорода и водорода между составными частями генераторного
газа. Затем подсчитывают количество СО, Н2, СОг и Н2О в газе,
283

полученном по основному генераторному процессу (при паро-
паровоздушном дутье) в нижних частях генератора. При этом про-
процессе протекают следующие реакции:
1) С + О2 = СО2)
2) СО2 + С = 2СО,
3) С + НаО = СО + И.,.
Подсчет количества продуктов, образовав-
образовавшихся при сухом разложении угля (в верхней части
генератора); расчет ведем на 100 кг угля.
а) Расчет ЬЬО. Количество водяных паров при сухом раз-
разложении топлива составляется из влаги топлива (гигроскопичес-
(гигроскопической воды) и воды, полученной за счет взаимодействия кислорода
и водорода топлива. При расчете состава генераторного газа по
методу Грум-Гржимайло применялось правило Дюлонга, т. е.
предполагалось, что в процессе газификации весь кислород топ-
топлива переходит в водяные пары И2О. Однако при нормальном
режиме генератора (время пребывания топлива в последнем 8 —
10 час) практически в воду уходит около 50% всего кислорода
И чем меньше время пребывания топлива в генераторе, т. е. чем
• быстрее ход генератора, тем меньшее количество кислорода топ-
топлива переходит в водяные пары. Так, например, при 4-часовом
ходе генератора переходит в Н2О около 40% кислорода, при 16-
часовом — около 60% и т. д. Принимаем, что в воду перейдет 50%
кислорода, содержащегося в топливе. На 100 кг топлива ъть
составит:
0,281 -0,5 == 0,140 кг-моль О,.
По реакции
2Н2 + О2 = 2Н..0
на указанное .количество О2 расходуется 0,281 • 0,5 • 2 =
= 0,281 кг-моль Н2 и получается 0,281 кг-моль Н2О.
Таким образом, баланс угля по Н2О определяется так:
Расход
Кислорода 0,140 кг-моль
Водорода 0,281 »
Итого 0,421 кг-моль
Приход
Водяных паров от сухого разложения угля .0,281 кг-моль
Водяных паров от исплрепия rvifini угля .0,311 »
Итого 0,592 кг-моль
б) Расчет СОг. Чем топливо более кислое, тем больше по-
получается СО2 при сухом его разложении, т. е. тем большее коли-
284

чесгво О2 переходит в СО2. Так, например, при газификации
торфа в углекислый газ переходит около 40% кислорода, при
газификации дерева —около 30%, бурого угля —около 20%, ка-
каменного угля — около 1О°/о и т. д.
Примем, что 10% кислорода топлива дадут при сухом разло-
разложении углекислый газ по реакции
С + О., = СО,.
¦Отсюда баланс угля по СО2:
Р я с х о д
Кислорода 0,1 ¦ 0,281 = 0,028 кг-моль
Углерода 0,028 »
Итого 0,050 кг-моль
При ход
Углс-кислою газа 0,028 кг-моль
в) Расчет СН<. Определить количество метана расчетом
чрезвычайно трудно. По методу Доброхотова принимается, что
np i сухом разложении торфа в метан переходит около 5% по-
подо.юда, содержащегося в торфе, при сухом разложении дров —
около 15%, бурого угля — около 25%, каменного угля — около
о г; о/
Принимая количество Н2, переходящего в метан, равным
35%, получим баланс угля по метану:
Расход
Водорода 2,800 ¦ 0,35 — 0,980 кг-моль
Углерода по реакции С + 2К, = СП4 0,490 »_
Итого 1.470 кг-моль
Приход
Метана 0,490 кг-моль
г) Расчет С2Н4 и С„Н„, (этилен и другие углеводороды).
Принимаем, что около 5% водорода, содержащегося в угле, пе-
переходит в этилен и эквивалентное ему количество С„НШ.
Отсюда баланс углерода по С2Н4:
Рас ход
Водорода 2,800-0,05 = 0,140 кг-моль
Углерода . . 0,140 »
Итого 0,280 кг-моль
П р и ход
Этилена 0,070 кг-моль
д) Расчет N2. Азот при газификации топлива почти весь
выделяется в виде элементарного N2. Таким образом:
285

Расход
Лзота 0,071 кг-моль
Приход
Азота 0,071 кг-моль
е) Расчет S. По данному методу расчета генераторного
процесса принимается, что около 20% серы остается в золе угля;
остальные 80% S переходят в газ в виде H2S по реакции Н2 +
+ S = H2S.
Таким образом, баланс угля по сере определится так:
Расход
Серы 0,047-0,8 = 0,038 кг-моль
Водорода ^ 0,038 »
Итого ... .... 0,076 кг-моль
П р и х о д
Сероводорода 0,038 кг-моль
ж) Расчет Но. Расход водорода при сухом разложении уг-
угля определится из следующих данных:
на образование воды пошло .... 0,0281 кг-моль
» » СН4 » ... 0,09.40 »
» » О,!^ » .... 0,140 »
» » Н.2 » ... 0,038 »
Итого .... 1,439 кг-моль
Всего в угле содержится 2,800 г-моль Нг. Следовательно, ос-
остальные 2,800—1,439= 1,361 кг-моль Н2 уходят в виде элемен-
элементарного водорода.
з) Расчет СО. Кислорода при сухом разложении угля было
израсходовано:
На образование воды 0,140 кг-моль
» » СО. 0,028 »
Итого 0,168 кг-моль
Всего в угле содержится 0,281 кг-моль О2. Отсюда остаток
кислорода в количестве 0,281—0,168 = 0,113 кг-моль идет на об-
образование СО:
2С + О2 =-- 2СО.
Таким образом, баланс угля по СО определится;
Расход
Кислорода 0,113 кг-моль
Углерода 0,226 »
Итого 0,339 кг-моль
Приход
Окиси углерода 0,226 кг-моль
285

и) Расчет углерода в золе. Принимая содержание
углерода в золе в количестве 8% от веса золы, получим:
4,3 • 0:08 = 0,344 кг,
или
0 344
— = 0,029 кг-моль углерода.
12,0
к) Р а с ч е т у г л е р о д а. Остальной углерод идет в нижнюю
часть генератора, где и подвергается газификации паро-воздуш-
ным дутьем, т. е. основному газогенераторному процессу.
При сухом разложении угля было израсходовано углерода:
Па образование СО2 0,028 кг-моль
» » СН4 0,490 »
» » Су-14 0,140 »
» » СО 0,226 »
Утло в золу 0,029 »
Итого 0,913 кг-моль
Остальной углерод в количестве 6,000—0,913 = 5,087 кг-моль,
5,087-100 о^п,
т. е. =8о%, идет в нижние слои генератора.
6,000
Итак, количество газа, полученного в зоне сухой перегонки
угля, составляет:
СО2 0,028 кг-моль
СО 0,226 з
11,0 0,592 »
П2 1,361 »
HjS 0,038 »
СП4 0,490 »
С,ГЦ 0,070 »
N2 0,071 »
Итого . . . .2,876 кг-моль
Подсчет количества продуктов, полученных
при основном процессе газификации (в нижней
части генератора).
При вдувании в генератор паро-воздушнон смеси вначале на
колосниковой решетке происходит сгорание углерода до СОг:
С + О2 = СО2>
287

после чего топливо подвергается основному процессу газифика-
газификации:
СО, -{- С 7± 2СО — 38400 ккал,
Н.,0 + С -л П., + СО — 28150 ккал.
При сгорании углерода 1 кг-моль его дает или 1 кг-моль СО,
или 1 кг-моль СО2:
С -f О, = СО,; С + 0,5О2 - СО.
Таким образом, безразлично, сгорает ли углерод в СО или
в СОо, сумма их (в кг-моль) всегда будет равна общему количе-
количеству сгоревшего углерода (выраженному также в кг-моль).
В нашем примере в зоне газификации сгорает 5,087 кг-моль
углерода (см. выше). Следовательно, сумма СО и СО2 в газе,
полученном в этой зоне, составит 5,087 кг-моль, т. е.
СО + СО2 = 5,087 кг-моль.
В процессе газификации устанавливается подвижное равно-
равновесие:
СО2 -г С <-!" 2СО, Н2О + С 7± Н2 + СО.
Константы этих равновесных состояний определятся уравнени-
уравнениями (см. табл. 24):
к, = _[СО]»_ . к„ ^ ЦК] ¦ [СО]
[COJ ' [Н2О]
Не подсчитывая указанных констант равновесия генератор-
генераторного процесса, их отношение при расчете по методу Доброхото-
Доброхотова берут в пределах от 1,7 до 2,5, т. е.
К = -*1 = _JcoiM!L_oj_ = JcopTHjOL = от
К" 1СОЯ] - lllaj ¦ [СО] [СО,] [U,]
Значение К принимается тем большим, чем меньше ход ге-
генератора. Примем величину /< равной 2,0:
|СО|.[П,О]
[СО,! ¦ МЫ
- 2,0*.
* Подсчитывая значение К для реакции СО-ИЬО—СОг-НЬ при 1000° С
(см. табл. 24, реакция 15), получим:
К |СО|-[МаО]
пли при достижении равнозеоня на 90%
2SS

Для дальнейшего подсчета величин (СО], [Н2О], [СО2] и [Щ
при данном методе задаются количеством водяного пара, вдува-
•.'мого с паро-воздушной смесью, и количеством углерода, сгора-
сгорающего на 1 кг-моль поступающего в генератор азота, или, что
! 00
то же, п.1 -¦¦¦„¦¦¦ к,'-моль воздуха.
Примем, что водяного пара вдувается 22,5% от веса угля,
22 5
т. с. на 100 кг последнего берется - ' ^¦¦¦¦ 1,256 кг-моль водя-
водяного пара.
При разложении I кг-моль Н2О получаем 1 кг-моль Н2, так
:<ш< если часть М2О и не разложится, то все равно сумма
(ИоО ¦!- Н2) должна быть равна количеству паров Н2О, пд\вае-
мых в генератор, т. е.
11,0 |- Н2= 1,256 кг-моль.
При расчетах газа па чисто-воздушном дутье в данном мето-
методе принимают также, что на 100 кг-моль азота, вдуваемого в ге-
генератор, сгорает от 50 до 52,7 кг-моль углерода, на паро-воздуш-
ном (холодном) дутье — от 60 до 63 кг-моль С и на паро-воздуш-
ном дутье, подогретом до 250° С, — от 62 до 65 кг-моль С. Но так
как количество сгорающего углерода всегда равно сумме полу-
полученных СЮ + СОч (см. выше), то это можно математически вы-
выразить следующим образом:
.. С СО : CO.,
Чисто-воздушное дутье — = — -— -г- =
' ' ' N2 N3
= от 0,50 до 0,527
п С СО -I- CO.,
Парз-воздушнг.е » . . . ¦_.._.- =
- от 0,60 д.) 0,63
~ . . с со 4- со.,
То же (с подогревам) . ¦- ---
=--- от 0,62 до 0,65
Примем это соотношение равным 0,60, т. е. на 1 кг-моль вду-
ваемого в генератор азота, или, что то же, на 1+ ¦¦-— -~
= 1,266 кг-моль воздуха, сгорает 0,60 кг-моль углерода. Из пре-
предыдущего известно, что последнего сгорает всего 5,087 кг-моль.
Следовательно, для этого требуется азота
N
0,60
19 С. ,\. Бесков 289

21
Так как в воздухе на \кг-моль азота приходится
79
= 0,266 кг-моль, или, что то же, 0,266-2 = 0,532 кг-атомов кисло-
кислорода, то с 8,466 кг-моль N2 будет поступать 8,466-0,532=
= 4,5 кг-атомов кислорода, которые и пойдут на горение угле-
углерода.
Кроме того, при разложении водяных паров кислород послед-
последних также вступает в реакцию с углеродом, причем на 1 кг-моль
водорода (полученного в результате этого разложения) осво-
освобождается 1 кг-атом кислорода. Следовательно, всего вступает
в реакцию с углеродом угля кислорода:
4,5 + Н2 кг-атомов.
В полученном же газе содержится кислорода (связанного)
2СО2 + СО кг-атомов.
Приравнивая эти выражения, получим:
2СО2 + СО = 4,5 + Н2.
Таким образом, мы получим 4 уравнения с четырьмя неизвест-
неизвестными:
1) СО + СО2 = 5,087; 3) Н2О + Н2 = 1,25;
2) -^г^~ -= 2,0; 4) 2СО2 + СО = 4,5 + Н2.
Складывая третье и четвертое уравнения и вычитая из них
первое уравнение, получим:
2СО2 + СО + НЯО + Н2 — СО — СО2 = 4,5 + Н2 + 1,25 — 5,087,
откуда
5) СО. = 0,663 — НаО.
Вычитая из первого уравнения пятое, находим:
6) СО = 4,424 -{- Н2О.
Из третьего уравнения:
7) Н2 = 1,25 — НА
Подставляя выражение E—7) в уравнение B), получим:
+ 1,658 = 0.
Отсюда находим значение Н2О, т. е. содержание водяных паров
в газе:
Н2О = 0,208 кг-моль.
290

Таким образом, количество газа, полученного при основном
процессе газификации 100 кг-моль угля, составит:
СО2 0,663 — 0,208 = 0,455 кг-моль
СО 4,424+0,208-.4,632 »
Н2 1,250 — 0,208= 1,042 »
Н2О 0,208 »
N, 8,466 »
Сведем в таблицу результаты расчета.
Состав
СО2
СН4
СО
I-I..S
н;
N2
Итого
Получено газа
От сухого
разло-
разложения
кг-моль
0,028
0,490
0,226
0,038
1,361
0,071
0,592
0,070
2,876
от горения
углерода
кг-моль
0,455
4,632
1,042
8,466
0,208
14,803
0,483
0,490
4,858
0,038
2,403
8,537
0,800
0,070
17,679
0,483-44=21,2
0,490' 16 = 7,8
4,858-28=136,0
0,038 -34=1,3
2,403-2=4,8
8,537-28=239,0
0,800 -18=14,4
0,070-28=1,96
426,5
Состав в
объемных
2,7
2,8
27,5
0,2
,
13,7
48,2
4,5
0,4
100,0
Расхожде-
Расхождение с
расчетом
по методу
Грум-
Гржкмайло
в %
— 1,15
+1,30
+2,10
—0,05
—2,60
—0,20
—0,20
+0,40
Расход воздуха на 100 кг угля составит;
8.466 ¦ 100
79
= 10,70 кг-моль
или
8,466 • 28 + A0,70 — 8,466) • 32 = 308,6 кг.
Расход водяного пара, как было указано выше, равен 22,5 кг
на 100 кг угля.
Сухого газа получаем:
A7,679 — 0,800)- 22,4 = 378 м3 (при 0сС и 760 мм рт. ст.).
Расходные коэффициенты на 1 м3 сухого газа равны:
100
Угля ....
Воздуха . . .
Водяного пара
= 0,265 кг
378
308,6
. — = 0,816 .
378
22,5
^ = 0,060 »
378
19*
291

Расхождения в расходных коэффициентах, полученных по пер-
первому методу (Трум-Гржимайло) (стр. 283), являются резуль-
результатом того, что нами при расчете по методу Доброхотова взято
недостаточное количество водяных паров. Поэтому, если по вы-
вычисленному составу газон подсчитать температуру в генераторе,
то она получится значительно выше 1000° С.
При расчете по методу Доброхотова, как это видно из при
веденного здесь примера, приходится задаваться и количеством
азота (а следовательно, и воздуха), и количеством водяного
пара, вдуваемых в генератор па 100 кг сжигаемого уг-
угля, и константой равновесия конверсии окиси углерода. При рас-
расчете по методу Грум-Гржимаило эти величины выводятся в про-
процессе самих вычислений.
Пример 6. Па основании материального баланса преды-
предыдущего примера подсчитать температуру газа па выходе из ге-
генератора и составить тепловой баланс его. Потерю тепла в окру-
окружающее пространство всем генератором принять равной 40% *
от общего прихода его .
Решение. Расчет ведем на 100 кг угля; цифры берем из
данных расчета по методу Грум-Гржнманло. Температура ге-
генераторного газа определится из количества тепла д, которое он
уносит с собой из генератора. Значение же q найдем из разнос-
разности между общим приходом и расходом тепла (см. пример 4).
Приход тепла, а) Теплота реакции в нижней части гене-
генератора (х = 0,924):
цу = 182880 — 59700 • 0,924 = 127700 ккал.
б) Теплота реакций, протекающих в верхней части генера-
генератора:
I) CO -f H..O ---¦ СО, -|- R, | 9010**.
По этой реакции образуется 0,750 кг-моль СО2.
Следовательно, 172 = 9010-0,750 = 6758 ккал.
2) FeS2 = FeS -|- S= 12400***.
По этой реакции образуется 0,024 кг-моль S.
* Сюда входят также потери со шлаком.
** Тепловой эффект (9010 ккал) подсчитан по уравнению 115 (см.
табл. 24); при этом температура в верхней части генератора принята
/=1000° С.
*** Подсчитано'по.?акону Г. И. Гесса, исходя из табличных данных тепло-
теплоты образования FeS2 и FeS (см. табл. 17). Ввиду того что за счет этой и
следующих двух реакций выделяется незначительное количество тепла, мы
пересчет величин q в зависимости от температуры не делаем. Это нисколько
не отзовется на общем тепловом балансе.
292

Следовательно. q-6 = —12400-0,024 = -298 ккал.
3) S-I-O, SO, ',-09000.
По л'ой реакции сгорает 0,024 кг-моль S.
Следовательно, q± =-E9000 • 0,024 = 1656 ккал.
4) SO, i-3H, -¦- H,S | 2Н.,О-| Л1700.
Но этой реакции восстанавливается 0,047 кг-моль SO2
Следовательно, 675 = 51700-0,047 = 2430 ккал.
5) С : 2Н, СИ, : 22110*.
ilo это]1! реакции образуется 0,300 кг-моль
Следовательно, q6 = 22100 • 0,3 = 6630 ккал.
в) Тепло, вносимое в генератор воздухом при температуре
20° С (температура в цехе); теплоемкость воздуха равна
6,82 ккал/кг-моль (см. табл. 8); подается его 11,7 кг-моль.
Следовательно, q-t = 6,82- 11,7-20 == 1546 ккил.
г) Тепло, вносимое н генератор водяным паром; температуру
пара принимаем 120° С; теплоемкость сто равна 7,94 (см. табл.
<S); количество пара равно 1,026 кг-моль.
Следовательно, */к = 7,94- 120- 1,62E =- 1550 ккал.
д) Тепло, вносимое в генератор каменным углем при 20°С;
теплоемкость угля при этой температуре —0,2 ккал/кг; количе-
количество его 100 кг. Следовательно, q<_, ~- 100-20-0,2 — 400 ккал.
Отсюда общий приход тепла в генератор:
--Н27700 +(758-i-(-298) | 165(i h 2430 1-6630 f 1596 ,-
+ 1550 1-400,
или
<?пр„х. 1'48'ЮО ккал.
Расход тепла, а) Потери в окружающее пространство
D0% прихода):
q10 ^ 0,40 • 148400 -= 59360 ккал.
б) Расход на испарение, влаги каменного угля; количество
испаряющейся влаги равно 0,873 кг-моль, или 0,873- 18=15,71 кг;
теплота испарения Н2О 538,9 ккал/кг (см. табл. 15). Следова--
тельно,
^„ = 538,9 • 15,71 =8468 ккал.
* В этой реакции мы принимаем углерод аморфным Саморф.- Переход от
СГраф. к Саморф. характеризуется следующим термохимическим уравнением:
293

в) Тепло, уносимое из генератора газом, равно q ккал. Итого
расход тепла составит:
Фрасх =-" 59360 + 84(^8 т- q = 67830 + qKKaA.
Приравниваем приход тепла к расходу его:
Qn нх = Qpacx или 148400 = 67830 + q.
Отсюда
q = 80570 ккал.
Температуру газа определяем методом интерполяции по теп-
теплосодержанию составных частей его (теплосодержание газов
см. табл. 16).
Состав
С0.2
сн4
со
H2S
н2
N2
Н,0
Итого ...
Теплосодержание, ккал
при 600* С
0,750-6512 = 4880
0,300-7284 = 2190
4,950-4370 = 21630
0,047-5189 = 240
3,171-4210 = 13350
9,?76 4331=40170
0,919-5189=4780
<7'=87240
при 500* С
0,750-5292=3970
0,300-5756=1730
4,950-3604=17840
0,047-4253 = 200
3,171 3498=11092
9.276 3575 = 33160
0,919-4253=3920
?/"=71910
Интерполируем:
q'— q" = 87240 — 71910= 15330 ккал; 600-500=100;
q — q" = 80570 — 71910 = 8660 ккал; t— :,.H--=ДЛ
Отсюда
866000
At =
15330
= 56°С;
t = 556°С.
Теплотворная способность сухого генераторного газа *:
СН4 + 2О2 = СОо -|- 2Н2О + 194900, СО + 0,5О2 = СО2 + 68100.
H2S + 1,5Оа == Н2О + SO2 + 121850, Н2 + 0.5О» = Н2О + 57850.
* Теплота сгорания составных частей генераторного газа подсчитаны на
основании закона Г. И. Гесса; теплоты образования взяты по табл. 17.
294

Следовательно, при сгорании генераторного газа
СН4 выделит 0,300 ¦ 194900 = 58470 ккал
СО
H.,S
Н
.4,950 ¦ 68100 =337100
.0,047 ¦ 121850 = 5720
.3,171 ¦ 57850= 183000
Итого . . .(потенциальная энергия газа) 584290 ккал
Теплотворная способность (потенциальная энергия) угля:
С -\- Оо = СО2 1- 97800,
Н2 + 0,5О2 - Н2О + 57850,
S + O2 = SO2-|-69000.
Следовательно, при сгорании угля
С пыделит
Н-2 »
S,
. .6,000 • 97800 = 586800 ккал
. .2,238- 57850 ---= 129470 »
. .0.047 ¦ 69000 = 3240 »
Итого 719510 ккал
Сведем тепловой баланс газогенератора в таблицу.
Таблица теплового баланса газогенератора
Приход
статья прихода
1. Теплосодержание
каменного угля
2 Потенциальная
энергия каменно-
каменного угля
3. Теплосодержание
воздуха
4. Теплосодержание
водяного пара . .
Итого . . .
Невязки
количе-
количество,
400
719510
1600
1560
722300
— 1160
%
0,1
99,5
0,2
0,2
100,0
РЖ ХО/1
статья расхода
1. Теплосодержание
генераторного га-
газа
2. Потенциальная
энергия генера-
генераторного газа
3. Потери тепла шла-
шлаками, через луче-
лучеиспускание гене-
генератора и т. п. . .
количество
ккал
80580
584290
59360
724230
+ 1160
%
11 1
80,7
8,2
100,0
295

Пример 7. Произвести по методу Чернышева расчет первой
стадии газификации торфа, т. е. стадии сухой перегонки его п
верхних слоях генератора *.
Газификации подвергается торф следующего состава:
Рабочее топливо Сухая масса
% %
С 39,95 57,07
1-1 3.79 5,42
О 23,10 33,0
N 0,88 1,26
S 0,18 0,25
Зола 2,10 3,00
Влага (гигроскопическая) 30,0 —
Итого 100,00 100,00
Состав сухого полукоксового газа (по объему) **: 40,8% СОг,
16,0% СО, 1*9,5% СН4, 1,7% С2Н4, 20,0% Н2) 0,5% H2S, 1,5% N2.
Плотность его равна 1,208 кг/м'л'**'*.
Примечание. Расчет генераторного процесса по методу проф. Чер-
Чернышева так же, как и по методу проф. Доброхотова, разбивается па две
стадии: а) расчет процесса сушки и сухой перегонки топлива в верхней части
генератора: б) расчет собственно процесса газификации (в доне газифика-
газификации). В то время как расчет второй стадии процесса по тому и другому ме-
методам индептичен, расчет первой стадии, т. е. процесса сухого разложения
топлива, различен по количеству распределения углерода между продуктами
с v.xnii перетопки. При этом метод Чернышева рассматривает главным обра-
образом газификацию битуминозного топлива.
Решение. Производя расчет по этому методу, принимаем
следующий выход продуктов сухой перегонки от веса сухой
массы ****:
Полукоксового газа . ... 32,0%
Пнрогенетической влаги . . 16,0%
Смолы . . . . 11,0%
Полукокса . . 41,0%
Итого . 100.0%
* Расчет второй стадии (производится так же, как и по методу Доброхо-
Доброхотова (см, -при!мер 5). Поэтому здесь на этом расчете мы останавливаться не
будем.
** Т. с. газа, полученного л верхних слоях генератора при сухой пере-
перегонке теврфа.
*** Подсчет плотности газа см. стр. 53.
**** Величину уноса топлива с газами в данном примере не учитываем,
так как она составляет незначительную долю в общем балансе.
296

Элементарный состав смолы: 81,2% С, 9,5% Н2, 0,8% N2.
Выхот, аммиака определим по балансу азота топлива (приход)
и азота, содержащегося в смоле и полукоксовом газе (рас-
(расход), т. е.
1,26 — @,008 • 11 + 0,015 • 1,251 -^-) ¦¦¦¦-- 0,675 кгЫ*2.
{ 1,208 I
что составляет 53,5% от азота, содержащегося в сухой массе
торфа.
Таким образом, на 100 кг сухой массы торфа получается
аммиака:
0,675 ¦ -17-°- - 0,820 кг.
14,0
Выход уксусной кислоты принимаем равным 1,35% **, т. <.:.
1,35 кг па 100 кг сухой массы торфа.
Примечание. Образование уксусной кислоты и аммиака при расче-
расчете обычно (условно) относят по материальному балансу сухой перегонки
!,i счет иирогенетической влаги.
Для дальнейших расчетов пересчитаем элементарный состав
юплива в кг-миль. При этом получаем следующее количество
1-сех элементов, участвующих в генераторном процессе (на
!00 кг рабочего торфа):
39.95
с .
11., , . .
о.2 ...
N2 .
S . .
Влага пи
ческяя
Зола . .
12,0
' ¦ •JTo~- =
23,10
32,0
0,88
28,0 ~"
0,18
32,0
роскошь
QA А
¦ 18,0 ~
Итого . . .
3,
1,
0,
0,
0,
1,
7
2
3292 кг-моль
8950 »
7219 »
0314 »
0056 >
6667 »
,6498 кг-моль
,10 кг
* 1,251 — плотность азота, 1,208—плотность полукоксового газа в кг/м?.
** Выход уксусной кислоты при этом методе расчета принимают равным'
- 1,5%.
4O

Определим выход продуктов газификации по отношению к
рабочему топливу, т. е. к торфу, с содержанием 30% гигроско-
гигроскопической влаги.
Имеем на 100 кг рабочего топлива:
Полукоксового газа 32,0-0,7 = 22,4 лу
Пирсгенетичеекой влаги . . . 16,0-0,7=11,2 »
Смолы 11 0 • 0,7 = 7,7 >
Полукокса 41,0 • 0,7 = 28,7 »
Аммиака 0,820-0,7= 0,574 >
Так же, как и при методе Доброхотова, определим выход
отдельных составных частей газа по балансу элементов, участ-
участвующих в генераторном процессе.
1. Водяные пары. Гигроскопической влаги получено
1,6667 кг-моль. Выход пирогенетической влаги на 100 кг рабо-
рабочего топлива за вычетом уксусной кислоты и аммиака, обра-
образование которых мы условно отнесли за счет пирогенетической
влаги, составит:
11,2 —A,35 + 0,82). 0,7 = 9,681 кг или -^-i- =
18,0
= 0,5378 кг-моль.
Отсюда имеем:
Приход
пирогенетической влаги 0,5378 кг-моль
Расход
водорода , 0,5378 кг-моль
кислорода 0,2689 »
2. Углекислый газ. Содержание СО2 в полукоксовом
газе 40,8%, что составит:
0,408 ¦ 44,0 „ ОГ1, . .,
=¦- 0,801 кг на 1 мл полукоксового газа.
Получено полукоксового газа 32 кг, или на 100 кг сухого торфа:
-^— = 26,49 м3*,
1,208
что составит 26,49-0,7=18,54 м? на 100 кг рабочего торфа.
Отсюда общее содержание СО2 в иолукоксовом газе равно:
0,801 • 18,54= 14,906 кг СО2, или 14,906/44,0 =
= 0,3386 кг-моль СО2.
* 1,208 — плотность полукоксового (газа (см. выше).
2Э8

Таким образом, по углекислому газу имеем (на 100 кг ра-
рабочего топлива):
Приход
СО2 0,3386 кг-моль
Расход
Углерода 0,3386 кг-моль
Кислорода 0,3386 >
Л. Окись углерода. Содержание СО в полукоксовом га-
газе 16,0%. Отсюда
Приход
0 16 • 18,54
СО = '¦ ^ 0,16 • 0,828 кг-моль =0,1324 кг-моль
22,4
Расход
Углерода 0,1324 кг-моль
Кислорода 0,0662 »
4. Метан. Содержание метана в полукоксовом газе 19,5%.
Отсюда:
Приход
СН4 0,195 ¦ 0,828 = 0,1612 кг-моль
Расход
Углерода 0,1612 кг-моль
Водорода 0,3224 »
5. Этилен. Содержание С2Н4 в полукоксовом газе 1,7%.
Отсюда:
Приход
С2Н! ..... .0,017-0,828 = 0.0141 кг-моль
Расход
Углерода 0,0282 кг-моль
Водорода 0,0282 »
Подобным образом * рассчитаем расход элементов других
продуктов сухой перегонки (H2S, NH3, смолы, уксусной кислоты,
Н2 и N2). После этого, суммируя расход одноименных элемен-
элементов па образование продуктов газификации и вычитая полу-
полученные результаты из общего их содержания в топливе, полу-
получим остаток, поступающий с полукоксом в зону газификации
(в кг-моль на 100 кг рабочего топлива).
См. также пример 5, расчет по методу Доброхотова.
299

о
II
о
N
S
Влаги гигроскопической
Золы
Итого
3,3292—1,2128:--2, 1164
1,8950—1,5064 = 0,3886
0,7219—0,7I01---0,0118
0,0314-0.0314: 0,0
0,0056—0,0012 0,0014
1 ,С667—1,6667 0,0
25,4
0,78
0,38
0,04
2,1
Элсмонтлрпы if
соста ii
полукокс.),
%
28,70*
88,50
2,72
1,29
0.17
7,32
100,00
Таким образом, материальным баланс процесса сухой пере-
перегонки торфа в верхних его слоях при газификации представит-
представится в следующем виде (в кг па 100 кг рабочего топлива):
11лимоловлние
статсП
При х о л
1. Торф . . .
Расход
I. П
y газ
Полукокс
Cmoji.'i
Аммиак
Уксусная кислота
Влага в газе:
а) гигроскопиче-
гигроскопическая ...
'">) пирогено.тиче-
CKclfi
Итого
I 1(М!ЯЗКИ . . .
Колпчсстно эЖ'М1'1пой, кг
39,95
7,93
25,40
0,252
0,378
39,96
—0,01
3,79
1 ,045
0,782
0,732
0,102
0,063
1,075
23, 10 0.88
3,799
—0,009
12,95
0,370
0,655
0,504
8,605
23,084
+A.016
0,348
0,061
0,472
ih Влага
0,181
0,132
0,048
0,881 0,18
0,00
0,00
2,10
2,10
2,10
0,00
30,0
30,0
30,0
0,00
Итого
100,0
22,405
28,700
7,70
0,571
0,945
30,0
9,68
100.00A
-0,006
Пример 8. При испытании газогенератора, работающего
на донецком длпннопламенном угле, состава: 58,7% С, 4,1% Н,
* Получилось то же количество, которое было вычислено выше. —
41 .0,7 = 28,7 кг.
300

<).!% О, 1,2% N, 2,9% S, 14,0% золы и 10,0% влаги, получены
следующие данные:
ill состав получаемого смешанного генераторного газа: 7,2%
СО,, 23,3% СО, 4,1% И2, 3,0% СН4, 0,4% С2Н4, 0,7% H2S и
51,3% N2;
б) при газификации получено 6% смолы (от веса топлива)
сопава: 90% С и 10% Н2;
в) потери топлива (от веса загружаемого в газогенератор):
;!,5%' в провале* и 2%—уное е газами в виде угольной
пыли; состав уноеа: 80% углерода и 20% золы;
г) температура подаваемого воздуха 20й С, пара 110° С,
паро-воздушнон смеси 58° С, газа 500° С и воды, идущей на ох-
охлаждение генератора, 40° С.
Исходя из этих данных, составить материальный и тепло-
тепловой баланс газогенератора. Расчет вести на 100 кг загружаемо-
загружаемого топлива.
Решение.
Материальный баланс
Приходные статьи:
1. Топливо. 100 кг, из которых 90 кг составляет сухая
часть и 10 кг — влага.
2. Воздух. Количество подаваемого в генератор воздуха
определяется по уравнению
аозд.
где Nr—процентное содержание азота в газе;
Vc. газ—выход сухого газа, т. е. количество получаемого су-
сухого газа на 1 кг топлива;
N— процентное содержание азота в топливе.
Определим выход сухого газа. Потеря углерода с провалом
(принимаем, что все горючее в провале состоит из углерода)
Спр -= 3,5 кг;
потеря углерода со смолой
Ссм = U • 0,9 - 5,4 кг;
потеря углерода с уносом
Суп_ = 2-0,8= 1,6 кг.
* Провалом называется часть топлива, содержащаяся в шлаке.
301

Отсюда выход сухого газа определится:
22 4
V = —-^-
c- газ С02 + CO + CH4 + 2C2H4
лли
.. 1.865[58.7 — Г3.5+5.4 + 1,6)]
v
г- газ 7,2 + 23,3 +3,0 +2,0 ¦ 0,4
на 1 кг топлива.
Количество подаваемого в генератор воздуха (на 100 кг топлива):
V ^ J0L/51.3. 2,70- ^1. 1,2 ) = 174*>.
возд. 79,0 \ 28,0 /
Это составит (вес 1 м3 воздуха равен 1,2928 кг; см. табл. 5)
воздуха:
G =-- 174 • 1,2928 = 225 /сг.
3. Водяной пар. Температура паро-воздушной смеси 58°
С. При этой температуре насыщенный водяными парами воздух
должен содержать 0,175 кг Н2О в 1 м3 сухого газа. Следователь-
Следовательно, на 100 кг топлива вводится водяного пара:
174-0,175 =--30,4 кг.
Расходные статьи:
1. Расход сухого газа 270 м3. Плотность его:
Р = -^— @,072- 44 + 0,233 • 28,0 + 0,141 • 2,0 + 0,03- 16,0 +
Ь 0,004 • 28,0 + 0,007 • 34,0 + 0,503 • 28,0),
или
24,8? .... . о
о = = 1,111 кг/м1.
22,4
Отсюда вес сухого газа:
Gc, газ = 27°- ]'п[ =300,0 кг.
2. Количество влаги в газе определим по балансу
водорода в нем. Внесено водорода:
с топливом ... 4,1 -| —-— = 5,21 кг;
18,0
с водяными парами . . . :—:—'¦— = 3,38 кг;
всего 8,59 кг.
302

Переходит водорода в сухой газ:
2,70
или
2,0
22,4
2,70
(Н2 + 2СН4
Н2) кг-моль
22,4
¦A4,1 + 6,0 + 0,8 + 0,7) = 5,20 кг.
Следовательно, переходит водорода во влагу генераторного газа:
8,59— 5,20 = 3,39 кг,
что (оставляет:
3,39 ¦ 18,0
2,0
= 30,5 кг влаги.
3. Смола — 6 кг.
4. Унос — 2 кг, в которых содержится 0,8-2=1,6 кг углеро-
углерода и 0,2-2 = 0,4 кг золы.
5. Ш л а к. В 100 кг топлива содержится 14 кг золы. Уносится
зола с пылью 0,4 кг. Наряду с этим в шлаке содержится 3,5 кг
углерода в форме провала. Отсюда количество шлака составит
14 — 0,4 + 3,5 =--17,1 кг.
Сведем полученные данные в таблицу материального баланса:
1.
2.
3.
4.
Приход
статья прихода
Сухое топливо . . .
Влага топлива . . .
Воздух
Водяной пар ....
Итого . . .
Невязки .......
кг
90,0
10,0
225,0
30,4
355,4
-0,2
%
25,4
2,9
61,3
8,6
100,0
1.
2.
3.
4.
5.
Расход
статья расхода
Сухой газ
Влага газа ....
Упос
Итого . . .
кг
300,0
30,5
6,0
2,0
17,1
355,6
+0,2
%
84,3
8,6
1,7
0,6
4,8
100,0
Тепловой баланс
Приход (теплоемкости НгО и воздуха берем из табл. 10).
1. Теплотворная способность топлива по фор-
формуле Менделеева
[81С + 300Н— 26@— S)] = 5824 ккал/кг,
или на 100 кг топлива
ft = 100 • 5824 = 582400 кал.
303

2. Теплосодержание топлива. Принимаем удельную
<еплоемкость топлива равной 0,3:
il •¦-¦ 100 • 0,3 ¦ 20 600 кка.1.
3. Т с п л о с о д с р ж а и и е в о д я н ы х и а р о в. Количество
чарл 30,4 кг, температура ого 58° С; теплоемкость воды
!.() ккал/кг, теплота испарения воды 538,9 ккал/кг (см. табл. 15);
7 91
средняя теплоемкость Ы2О между О0 и 100° С ""~~~" =0,44
ккал/кг:
U ----- 30,4 (Г>8 4- 538,9 -\- 0,44 ¦ 58) - 18920 кка.ч.
4. Т с п .'1 о с о д с р ж а и и е в о з д у х а. Количество поступаю-
поступающего в генератор воздуха равно 225 кг; средняя его теплоемкость
в пределах температур 0—100° С раина -'-—¦ ----=0,240 ккал/кг.
Отсюда
i3 = 0,240 • 225 • 58 = 3230 кшл.
Итого приход тепла:
?(q + г)прих. =-- 582400 + 600 + 18920 + 3230 = 605150 ккал
Расход
1. Теплотворная способность сухого газа. Ко-
лнчество сухого газа на 100 кг угля равно 270 л;3; из них горю-
горючих составных частей:
270 ¦ 0,233
СО кг-моль
22,4
270 ¦ 0.141
Н2 »
2 22,4
270 • 0,03
СН4 ! »
22,4
270 -0,004
С2Н4 ; »
2 22,4
и с 270 0.007
M..S »
23,4
Теплота сгорания составных частей газа (см. табл. 18):
СО 67620 ккал/кг-моль
Н2 68310 »
СЫ4 ¦ .212790 »
С2Н4 332000 »
H2S 138?80 >
304

О'сюда теплотворная способность газа определится;
<?,== -|^-@,233 -67620 + 0,141 • 68310 + 0,03 • 212790 +
+ 0,004 • 332000 -+- 0,007 • 138380) -¦= 410600 ккал.
2. Теплосодержание сухого газа. Количество газа
270 м\ температура его 500°С; теплосодержание составных час-
частей его берем из табл. 16:
i ,. .J™_ @,072 ¦ 5292 + 0,233 • 3604 + 0,141 - 3498 + 0,03 х
22,4
Х5756 + 0,004 • 7450 + 0,007 • 4253 + 0,513 • 3575) --¦- 45500 икал.
3. Теплосодержание влаги газа. Количество влаги
30,5 кг; средняя удельная теплоемкость Н2О при 500° С равна
=-0,472 ккал/кг:
18,0
i& = 30,5 A00 + 539 + 0,472 ¦ 500) --¦= 26690 ккал,
4. Теплотворная способность смолы (определяем
по формуле Менделеева)
<7з -= 81С + 300Н = 81 ¦ 90 + 300 ¦ 10 = 10290 ккал/кг.
(Следовательно, 6 кг смолы уносят потенциальной тепловой
энергии
6,0 ¦ 10290 ==61740 ккал.
5. Теплосодержание смолы. Удельную теплоемкость
смолы принимаем 0,5 ккал/кг и теплоту испарения 80 ккал/кг:
ia = (80 -г 0,5 • 500) -6=1980 ккал.
6. Теплотворная способность уноса. Углерода в
уносе 1,6 кг. Потери с углеродом составляют
74 = 8100 • 1,6== 12960 ккал.
7. Г е и л о с о д е р ж a ih и е у н оса. При температуре 500° С
и теплоемкости уноса 0,2 ккал/кг теплосодержание 2 кг его
составит:
д, = 2 ¦ 0,2 • 500 = 200 ккал.
8. Теплотворная с п о с о б н о с т ь ш л а к а. В шлаке со-
содержится 3,6 кг углерода, которые при сгорании выделяют тепла:
q& = 8100 • 3,6 --= 29160 ккал.
9. Теплосодержание шлака. Количество шлака
17,1 кг. Принимая температуру, с которой удаляется шлак из ге-
генератора, равной 350° С и теплоемкость его равной 0,2, получим:
q& = 17,1 • 0,2 • 350 = 1200 ккал.
20 С. Д. Бесков 305

10. Тепло, затрачиваемое на получение водя-
водяного пара в кожухе. Количество пара, получаемое в ко-
кожухе, составляет:
30,4 • 0,7= 21,3 кг.
7 9
Средняя удельная теплоемкость Н2О при 110° С раина ~ri:-.
== 0,439 ккал/кг. Тепло, затрачиваемое на получение этого количе-
количества пара при температуре его 110° С и температуре питательной
йоды 40° С, равно:
/в = A00 4- 539 + 0,44 -110)- 2! ,3 — 21,3 - 40 - 13790 икал.
11. П о т е р и тепла в о к ip у ж а ю щ у ю среду опреде-
определяются по разности между приходом и остальными статьями рас-
расхода его, т. е.
</с - Ч<7 + 0прих. - Е (Я 4- 0расх.;
Z(q + i)npex. -605150 ккал;
S (Я + ')расх = 410600 + 45500 -f 26690 + 61740 -|- 1980 +
+ 129G0 т 200 I- 29160 + 1200 + 13790 = 603820 ккал;
6 = 605150 — 603820 ----- 1330 ккал.
Сведем данные прихода и расхода тепла в таблицу теплового
баланса (на 100 кг рабочего топлива):
Приход
Р.нход
статья прихода
1. Теплотворная способ-
способность топ.мича . .
2. Теплосодержание:
а) топ.мива
б) водяного пара . .
в) воздуха
582400
600
18920
3230
96,0
0,1
3,0
0,5
Итого
605150,
100,0
статья расхода
1. Теплотворная способ-
способность:
а) сухого газа . . .
б) смолы
в) vnoca
i) шлака
2. Теплосодержание:
а) сухого газа . . .
6) влаги газа ....
в) смолы .
г) уноса . .
д) шлака
3. Тепло на получение
водяного пара ....
4. Теплопотери ....
ккал
410600
61740
12960
29160
45500
26690
1980
200
1200
13790
1330
605150
%
68,0
10,2
2,1
4,8
7,5
4,4
0,3
0,0
0,2
2,3
0,2
100,0
306

"I p и м е р 9. Составить материальный баланс коксовых печей,
рабэтающнх на шихте с содержанием: 6,0% нлаги, 5,2% О2,
12% No, 1,2% S и 28°/0 летучих. Состав сухого обратного коксо-
коксового газа: 51,0% Н2, 24,5% СН,,, 6,П% СО, 3,0% СО2, 1,2% О2.
12,3% Ы2 и 1,5% С„1-\->„ ; выход его ранен 300 лг5 на 1 г угля.
Решение. Приходная часть материального баланса коксо-
коксовых печей складывается из:
1) количества загруженном сухой шихты;
2) количества влаги, поступившей с шихтой,
'.',) количества продуктов горения и засосанного воздуха
миспи
Аммиачная
вода
Прямой нок-
coSbiu газ с
печных
Матерей.
Аммиачная вида
Сырой. Лизол
с шла
Рис. 20. Схема очистки кокеопого ппа (к примеру 9):
/- холодильники прямого дейетпмм; -—отстойник; 3 -¦ хо.ло-
jui.ii.niiiK для циркулирующем"! аммиачном поды; •/ — фильтр; 5-¦¦
эксгаустер; 6 - - иодо|репатель; 7 — сатуратор; Н — холодильник
поперхпостпып; 9 —- бенлольные скруббери
Расходная часть материального баланса печей состоит из сле-
следующих частей (см. схему, рис. 20):
1) выхода кокса (сухого);
2) выхода смолы;
3) выхода аммиака;
4) количества СО2 и HoS в падемольпых водах;
выхода влаги (поступающей с шихтой п пирогепетичс -
5)
ской)
6)
7)
8)
выхода сухого ооратпого коксового газа;
выхода ароматических углеводородов (сырого бензола);
потерь (ио разности прихода н расхода продуктов).
Расчет ведем на 1 г A000 кг) рабочей (влажной) шихты.
Пересчитаем состав обратного газа в кг-моль A т угля), ум-
307

ножая объемную долю каждого из составных частей газа на
300 =13,39:
'>Ч -1
Н2 13,39 • 0,510 . . 6,830 комель
CIIi 13,39 • 0,245 - 3,280 »
СО 13,39 -0,065 -0,870 »
СОо 13,39 - 0,030 ~= 0,402 ;¦>
О., !3,39 ¦ 0,012 :-.. 0,161 »
N, 13,39 ¦ 0,123 -^ 1,647 »
С,,!!.,,, 13,39 ¦ 0,015 -Л),200 »
Итого . . .13,390 кг-мпль
Г1 ipn ход:
а) количество шихты —- 1000 кг;
б) количество влаги, поступившей с 1000 кг шихгы, —60 кг;
в) количество продуктов горения и подсосанного воздуха.
Коксовый газ но выходе из печей кислорода не содержит. По-
Появление кислррода в обратном газе является результатом подсо-
подсоса воздуха в очистительной системе и главным образом между
печами и эксгаустером. Следовательно, количество подсосанного
воздуха определится из содержания кислорода в обратном газе,
79 _ _,.
плюс идущий с кислородом азот в количестве ( — =3,7о части
от количества кислорода, т. е.
«„г,™ °.1G1 I" 3'7G • °.1G1 ¦-= °.7GG кг-моль,
ИЛИ
Свозд. = °-766 ¦ 28-96* - 22-2
При коксовании из шихты переходит азота в Na-газ не более
40% от веса азота в шихте. Это составит на 1 т угля (при содер-
содержании азота в шихте 1,2%):
N,
или
4,8
28,0
GN_ .: 0,012 ¦ 0,4 ¦ 1000 -4,8 кг,
-- 0,171 кг-моль.
Всего азота в обратном газе 1,647 кг-моль. Из них 0,161- 3,7C =
= 0,605 кг-моль получено в результате подсоса воздуха после вы-
выхода газа из печей (в прямом газе) и 0,171 кг-моль за счет азота
* '28,96 — приведенный мол. вес воздуха.
308

шихты. Следовательно, через неплотности печей проникло в ка-
камеру азота:
1,647 —@,605 + 0,171) = 0,871 кг-моль.
Это составит
0,871 + -^— • 0,871 = 1,103 кг-моль
или
1,103 - 28,96 = 31,9 кг воздуха.
Отсюда общий расход воздуха составит:
31,9 I 22,2-54,1 кг.
Из этого количества 1,103—0,871 = 0,232 кг-моль составляет кис-
лррод, который расходуется на сгорание угля в камерах.
Таким образом, общий приход материальной части процесс;!
коксования составит:
1СпРих. ^940 + 60-1-54,1 = 1054,1 кг.
Баланс по азоту и кислороду представится в следующем виде:
По азоту
Приход
Подсос после выхода из печей 0,605 кг-игич,
Подсос через неплотности печей 0,871 »
Подсос из шихты в виде N2-ra3a 0,171 »
Итого 1,647 к,'- моль
Кроме того, 0,012- 1000-0,6 = 7,2 кг, или J- =-0,257 кг-моль
азота шихты переходит и аммиак, теряется с промывными водами
н т. д.
Расход (с обратным газом)... 1,647 кг-моль
По кис л о р о д у*
Приход
С подсосом воздуха в печи (кислород сгорания) . . .0,232 кг-моль
52
ъ шихтой . . .0,052 ¦ 1000 = 52 кг, или— =1,625 »
Итого . . . 1,857 кг-моль
* Кислород влаги топлива полностью уходит с влагой коксового газа.
309

Расход
С окисью углерода (СО) обратного газа .0,870 -0,5 — 0,435 кг-моль
С углекислым газом (СО2) обратного газа 0.402 ъ
Свободный О о п обратном газе 0,161 j
Итого . . 0,998 кг-моль
Таким образом, 1,857—0,998 = 0,859 кг-моль, или 0,859-32,0 =
-275 кг кислорода уходит со смолой, переходит в пирогенетиче-
скую влагу, теряется с углекислым газом надсмольных вод и т. д.
Сводный бала н с
Расход
1. Выход кокса (валового сухого, без разбивки его на
металлургический, мелочь и т. д.) обычно составляет 75—80% от
веса сухой шихты. Примем выход его 78%- Следовательно, коли-
количество кокса па 1 т шихты составит:
1000 • 0,78 ¦ 0,94 -733,2 ;сл
2. В ы х од см о л ы колеблется от 2 до 3% от веса сухой ших-
шихты. Примем выход смолы 3%, что составит:
1000 -0,03 • 0,94 =-=28,2 кг.
3. Выход аммиака составляет обычно 0,3—0,35% от ве-
веса сухой шихты. Подсчитаем выход NH3 по балансу азота. При-
Принимая потери азота с промывными водами в количестве 15%, ос-
остальной азот @,257 кг-моль, см. баланс азота) переходит в ам-
мплк. Это составит:
0,257 • 17 — 0,15 • 0,257 • 17 = 3,7 кг.
4. Ароматические углеводороды (сырой бензол).
Ароматических углеводородов, кипящих до 180° С, получается от
0,8 до 1,3% от веса сухой шихты. Примем их выход равным 1,1%.
Это составит:
0,011 • 1000- 0,94= 10,3 кг.
5. У г л е к и с л ы н г а з и с е р о в о д о р о д (СО2 -I- H2S) пал.
смольных вод. Количество этих веществ зависит от схемы улавли-
улавливания аммиака и колеблется от 0,1 до 0,7% от веса шихты. Так,
например, при выпуске сульфата выход их составляет около 0,1 %,
а при выпуске аммиачной воды — 0,6—0,7%. Примем выход
(CO2 + H2S) падсмолышх вод равным 0,6%. Это составит:
0,006 • 1000 • 0,94 -5,6 кг.
si и

6. Выход сухого обратного газа составляет
ЮО Л'3 (по условию задачи).
Плотность газа равна:
Р = -^—@,51 • 2 4- 0,245 • 16 4- 0,065 ¦ 28 + 0,03 • 48 +
4- 0,012 • 32 + 0,123 • 28 + 0,015 • 28) = 0.556 кг/ма.
Следовательно, вес сухого обратного газа составит:
300 • 0,556 = 166,8 кг.
7. Влага. Количество влаги составляется из влаги гигроско-
гигроскопической и влаги пирогенетическои;
а) гигроскопическая влага составляет (содержание ее в ших-
шихте 6,0%) 60,0 кг;
б) обычно считают, что в форме пирогенетическои влаги свя-
связывается половина кислорода угля. Это составит:
0,5 • 0,052 • 1000-^- = 29,2 кг.
16,0
Примечание: Если обратный газ, например, содержит 2% влаги, то
это составит на 1000 кг шихты 20 кг Н2О. Всего в процессе коксования об-
образуете плащ 29,2 + 60 = 89.2 кг. Таким образом, 89,2—20 = 69,2 кг Н2О
уходит в форме аммиачной воды. Следовательно, концентрация аммиачной
поды ^считая на NH3) будет:
5,l%.
69,2^-3,7
8. Потери (плюс невязки) определяются по разности при-
прихода и расхода:
G ^ZG —XG SG = 1054,1 кг,
потери прнх. расх.' прих. ' '
EGpacx. = 733'2 + 28-2 + 3-7 + 10.3 +
4- 5,6 + 166,8 4- 60 + 29,2 = 1037,0 кг.
Отсюда
<W = Ю54,1 -1037,0 = 17,1 кг.
Таким образом, общий расход материальной части составляет:
1037,0 -Ь 17,1 - 1054,1 кг.
Сведем данные материального баланса в таблицу (на 1 г
шихты):
311

Приход
1. Сухая шихта . . .
2. Влага шихты (гигро-
(гигроскопическая) . . .
3. Воздух
Итого . . .
кг
940
60
54,1
1054,1
% Расход
89,2
5,7
5,1
100,0
1. Кокс (валовой) . . .
2. Смола
3. Аммиак
4. Ароматические угле-
углеводороды
5. С0.2 и H2S надсмоль-
ных вод
6. Сухой газ
7. Влага F0+29,2) . .
8. Потери -\- невязки . .
Итого . . .
кг
733,2
28,2
3,7
10,3
5,6
166,8
89,2
17,1
1054,1
%
69,5
2,7
0,4
1,0
0,5
15,8
8,5
1,6
100,0
Пip и м еip 10. На основе данных примера 6 составить тепловой
баланс коксования. При этом принять:
а) обогрев печей производится обратным газом состава, ука-
указанного в примере 9;
б) температура коксового пирога (валового кокса) равна
1000° С;
в) температура прямого коксового газа равна 750° С;
г) Температура отходящих продуктов сгорания обратного га-
газа составляет 300° С;
д) температура шихты и воздуха, поступающих в коксовую
печь, а также обратного газа, идущего на обогрев печи равна
20° С.
Решение. Приходная часть теплового баланса коксовой пе-
печи складывается из следующих показателей:
1. Теплосодержание* шихты (qx).
2. Теплоты сгорания обратного газа, идущего на обогрев пе-
печей (^2)-
3. Теплосодержание этого газа (д3)-
4. Теплосодержание воздуха (д4).
Расходная часть теплового баланса составляется из статей:
1. Теплосодержание коксового пирога (<7г,).
2. Теплосодержание сухого обратного газа (q6).
3. Теплосодержание летучих продуктов коксования {qi).
4. Теплосодержание водяных паров (q&).
5. Теплосодержание продуктов сгорания обратного газа (q.:i).
6. Теплопотери + невязки (<?ю).
* В некоторых учебных пособиях теплосодержание шихты, коксового ми-
рога, газо.п 'и воздуха именуется ф и з и ч е с к и м т е п л о м.
312

Примечание. Теплоемкост. газов при подсчетах берем из табл. 10,
а кокса из табл. 13; теплоты его] ания — из табл. 18. Расчет ведем на 1 т
рабочей шихты.
Приход:
1. Теплосодержание ш и хт ы. Эта статья прихода со-
составится из теплоты сухой шихты и теплоты гигроскопической
влаги в ней:
а) сухой шихты 940 кг; теплоемкость ее принимаем равной 0,2
(см. табл. 13). Отсюда
q\ =¦¦ 940 • 0,2 • 20 -- 3760 ккал,
б) гигроскопической влаги 60 кг; теплоемкость воды равна
1,0. Следовательно,
q\--= 60 • 1,0-20 --. 1200 ккал.
Итого
</i : :т h + Я"\ = 3760 ± 1200 4960 ккал.
i
2. Теплота сгорания обратного газа. Количество
обратного газа, идущего на обогрев печей, неизвестно. Оно опре-
определится по разности прихода и расхода тепла. Подсчитаем тепло-
теплотворную способность 1 м3 обратного газа.
Теплота сгорания составляет: для Н2—68310, для СО—67620,
для СН4 — 212790 и для С2Н4 —332000 ккал1кг-моль; содержание
их и газе: 51,0% Н2, 6,5% СО, 24,5% СН4 и 1,5% С2Н.,. Отсюда
ц\ = —!— @,51 • 68310 + 0,065 • 67620 +
\- 0,245 • 212790 \- 0,015 ¦ 332000) ; 4300 кал/м\
Так как теплоты сгорания даны с учетом образования жидкой
поды, то внесем поправку на теплоту испарения ее. Количество
образовавшейся воды при сгорании Н2—1 г-моль, СН4—2 г-моль,
С21Ц — 2 г-моль. Итого на 1 лг3 обратного газа получим:
G = -1:!М-@,ГI -|- 0,245 • 2 + 0,015 ¦ 2) .-. 0,83кг Н.,О.
22,4
Теплота парообразования воды равна 539 ккал/кг. Следователь-
Следовательно, теплота сгорания 1 мг обратного газа равна:
q" ^ 4300 — 539 • 0,83 - 3853 ккал.
Обозначив количество сгорающего обратного газа для обогрева
печей через х мъ получим:
q2 = 3853л: ккал.
313

3. Теплосодержание обратного газа при 20° С.
Теплоемкость газа при этой температуре равна:
7= -^— @,51 • 6,90 + 0,245 • 7,99 + 0,065 ¦ 6,8 + 0,03 ¦ 9,07 +
+ 0,012- 7,0 + 0,123 • 6,78 + 0,015 • 11,09) = 0,3243 ккал/м3.
Количество газа х м3, температура его 20° С. Отсюда
q3 = 0,3243 • 20 • х = 6,49х икал.
4. Теплосодержание воздуха. Количество воздуха
определится на основании реакций прения составных частей
газа:
для сгорания водорода
2Н2 + О2 = 2Н..0
требуется 0,51 -0,5 = 0,255 м3 О2 на 1 мг газа;
для сгорания окиси углерода
2СО + О2 = СО2
требуется 0,065-0,5 = 0,0325 м3 О2 на 1 м? газа;
для сгорания метана
СН4 !- 2О2 = СО2 + 2Н2О
требуется 0,245 • 2 = 0,490 м? О2 на 1 м3 газа;
для сгорания этана
С2Н4 + 30, ^ 2СО2 + 2Н2О
требуется 0,015-3 = 0,045 мг О2 на 1 ж3 газа.
Итого требуется кислорода 0,8225 м3 на 1 м3 газа.
Отсюда необходимое количество воздуха при 25-процентном
избытке его составит:
V = 1,25 (о,8225 + -^- • 0.8225J = 5,00 м3 на 1 м3 газа.
Теплоемкость воздуха при 20°С равна:
-4^- = 0,3053 ккал/м3.
Следовательно, теплосодержание воздуха:
д4 = 0,3053 ¦ 20 • 5д; = 30,53ж ккал.
Таким образом, приход тепла в процессе коксования составит:
1 <7прнх. = 4960 + 3853Х + 6>49Л + 30-53* и 4960

Расход:
1. Теплосодержание коксового пирога. Коли-
Количество сто 733,2 кг, теплоемкость 0,44 ккал/кг (см. табл. 13 и
рис. 11, стр.), температура 1О00°С.
Отсюда
цГл = 733,2 • 0,44 ¦ 1000 = 322610 ккал.
2. Теплосодержание сухого коксового газа
(безвоздушного и без летучих продуктов коксования) *. Обрат-
Обратного газа получено 300 м'л. С учетом подсоса воздуха в нем ко-
количество коксового газа, поступившего из печей (за вычетом со-
содержащихся в нем летучих продуктов коксования), составит
2 09
300— —rf—= 298,2 мя. Температура газа 750° С, теплоемкость
его при этой температуре равна 0,345 ккал1м3 (подсчет с см.
статью прихода тепла). Отсюда
q6 =-- 298,2 • 0,345 • 750 ¦--=-- 77180 ккал.
3. Теплосодержание летучих продуктов ко к-
сования. Теплосодержание продуктов коксования составляет-
составляется из теплоты, которую уносят содержащиеся в прямом газе:
а) смола, б) ароматические углеводороды, в) СО2 + H2S нал-
смольных вод, г) аммиак. Температура их 750° С; количество их
см. таблицу материального баланса.
а) Теплосодержание смол ы. Количество ее 28,2 кг.
теплоемкость 0,6 ккал1кг ("см. табл. 15); удельная теплота паро-
парообразования 85 ккал/кг:
q7 = 28,2G50 • 0,6 + 85) -- 15090 ккал.
б) Теплосодержание ароматических углево-
углеводородов (сырого бензола). Количество этих углеводородов
10,3 кг. Принимаем их за бензол. Теплота испарения бензола
(L,9 ккал/кг, теплоемкость его 0,5 ккал/кг. Отсюда
q = 10,3(94,9 -i- 750 • 0,5) - 4840 ккал.
в) Теплосодержание CO2 + H2S в надсмольных водах.
Количество их 5,6 кг, теплоемкость 0,38 ккал/кг;.
q'7" --= 5,6 • 0,38 ¦ 750 = 1600 ккал.
г) Теплосодержание аммиака. Количество его
_ 10 9
3,/ кг, теплоемкость (при 750'С) равна ——-=0,E4 ккал/кг. От-
17,0
сюда
q" = 3,7 • 0,64 • 750 = 1770 ккал.
* Теплота летучих продуктов коксования учитывается отдельно (см.
статью 3 расхода).
315

Таким образом,
q1 = 15090 + 4840 + 1600 + 1770 ¦- 23300 ккал.
4. Теплосодержание водяных паров. Количество
влаги в прямом коксовом газе 89,2 кг. Теплоемкость Н2О при
750° С равна —-•'— = 0,49 ккал/кг; тепло, идущее на нагревание
влаги от 20° С до температуры кипения A00°С) плюс теплота
испарения ее составляют 80 + 539 = 619 ккал. Итого теплота
водяных паров равна:
?8 ==¦ 89,2F19 + 0,49 • 750) ----- 88000 ккал.
5. Теплосодержание продуктов сгорания. Тем-
Температура отходящих продуктов сгорания 300° С. Количество их.
определится из следующих данных:
состав
н2
сн4
со
со.,
о,'
N..
с,н4
Влага газа
Воздух для
пия (см.
4 прихода
Обратный газ
горе-
статью
тепла)
Итого
количество, ма на 100 ма
сухого газа
51,0
24,5
6,5
3 0
1,2
12,3
1 5
2^0
500 л;3, из них
105 м3 О, и
395 м3 N,. "Ппи
этом 82,25 м3 О2
на сжигание горю-
горючих частей . . .
—
Количество продуктов сгора-
сгорания на 1 00 м
СО,
24
6
3
3
37
5
5
0
0
0
ного
н,
51
49
3
2
105
о
0
0
0
0
0
а сухого обрат-
газа, М*
о,
22,75
22,75
12,3
395
407,3
Следовательно, па 1 .w3 сгораемого газа получается продук-
продуктов сгорания: 0,37 м* СО2, 1,05 м* Н2О, 0,2275 м? О2 и 4,073 ж3 N2.
Молекулярная их теплоемкость (ккал1кг-моль) при 300° С состав-
составляет: СО2—10,0, Н2О —8,22, О2 — 7,28 и N2 — 7,01. Отсюда теп-
теплота продуктов сгорания:
1 -300@,37- 10+ 1,05 • 8,22 +
22,4
316
+ 0,2275 • 7,28 + 4,073 • 7,01) х = 574,5 х ккал.

6. Теплопотери складываются из теплопотерь на лучеис-
лучеиспускание и конвекцию. Расчет этой статьи расхода производят
отдельно по каждому участку печного блока (печные двери, верх-
верхняя площадка, наружные стены печи и генератора и т. д.)- За-
Затем полученные величины складывают, дополняют теплопотерями
через излучение во время выдачи кокса и теплопотерями через
фундамент. Общее количество теплопотерь обычно составляет
10—11,5% общего прихода тепла. Не производя этого расчета,
примем теплопотерп равными 10% от общего прихода тепла. Это
составит:
"'" 3890*.) ^ 496 "Г 389а' ккал-
Таким образом, общий расход тепла определится:
Ъп =322610+77180 + 23300 + 88000 +
¦рзсх,
+574,5* + 496 -|- 389* = 511590 + 963,5*.
Приравнивая приход тепла расходу его, получим:
4960 + 3890х -¦= 511590 + 963,5*.
Отсюда
506630 .„„ з
х — 173 мл.
2926,5
(Следовательно, для обогрева коксовых печей требуется сжигать
173 ж3 газа на 1 г рабочего угля.
Сведем данные теплового баланса в таблицу (на 1 г шихты).
Приход
1. Теплосодержание
шихты 4960
2. Теплота сгораш-.я
газа C853-173) . . . 665020
3. Теплосодержание
обратного газа
F,49-173) 1120
4. Теплосодержание
воздуха C0,53-173) 5280
5. Невязки 1900
0,7
98,0
0,2
0,8
0,3
Итого ... 678280
100,0
1.
2.
3.
4.
Ь.
6.
Расход
Теплосодержание
коксового пирога
Теплосодержание
коксового газа . ,
Теплосодержание
летучих продуктов
коксования ....
Теплосодержание
водяных паров
Теплосодержание
продуктов коксова-
коксования E74,5-173) . .
Теплопотери D96+
+389-173) ....
Итого . , .
ккал
322610
77180
23300
88000
99390
67800
G78280
%
47,5
11,4
3,5
13,0
14,6
10,0
100,0
317

ЗАДАЧИ
1. Определить теоретический состав га;а у фурм доменной печи, если
воздух идет с содержанием 1% влаги.
Ответ. 34,9% СО, 64,3% N2 и 0,8% Н2.
2. Состав воздуха, подводимого к доменной печи, следующий: 21,2% О2,
77,2% N2 и 1,6% НпО. Сколько требуется добавить к воздуху кислорода,
чтобы содержание О2 в нем было 25%?
Ответ. 5,1% но отношению к влажному воздуху плп 5,2%—к сухому
воздуху.
3. У фурм доменной печи сгорает 50 ;¦ угли и 1 час с содержанием 80%
углерода. Определить количество воздуха, необходимое дли трения, если со-
содержание влаги и нем 8 г/м1, а вес]) углерод угля сгорает до СО.
Ответ. 2900 м'^мин.
4. Доменный газ состава: 12% СО,. 28% СО, 3»/о На, 0,6% СН„ 0,2%
C2H4, 56,2% N2, сгорает с 20% избытка воздуха. Подсчитать: а) расход воз-
воздуха на 1 м3 доменного газа; б) состав продуктов горения.
Ответ, а) 0,99 ти-1; б) 29,3% СО2, 73,3% N2, 1(J% CJ, 2,5% Н2О.
5. Каменный уголь имеет следующий состав: 72% С, 6% Н2, 8% О2.
5,4°/о НпО, 1,4% N2, 1,92% S, 5,28%' золы. Подсчитать: а) теоретическое коли-
количество воздуха, необходимое для горения; б) количество продуктов сгорании
Ответ, а) 10,2 кг воздуха на 1 кг угля; б) 11,2 кг.
6. Сжиганию подвергают нефть состава: 86 5% С, 12% Н2 и 1,5% О?
Подсчитать (введя при этом поправку по Дюлонгу): а) теоретически необ-
необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг нефти; б) количество продук-
продуктов сгорания; в) теоретическую температуру горения нефгн
Ответ: а) 10,8 .и3; б) 15,1 кг на 1 кг нефти; в) 2300° С*.
7. Подсчитать то же, что и в задаче 6, если сгорание нефти идет с ал
бытком воздуха в 50% против теоретического.
Ответ, а) 16,3 м\ б) 22,2 кг; в) 1700° С*.
8. Подсчитать то же, что и в задаче G, если сгорание идет с избытком
воздуха в 50% ПРИ распылении нефти водяным паром. Расход последнего 72%
от веса нефти, и воздух предварительно нагрет до 1000° С. Продукты сгорании
уходят при температуре, которую требуется определить.
Ответ, а) 16,3 ж3; б) 17,8 л3 на 1 кг нефти; в) 2265"С*.
9. Подсчитать температуру газификации кокса, если в генератор па
100 м3 воздуха вдувают 10 л!3 водяного пара. Содержание углерода в кока1
принять равным 100%, а потери тепла в окружающее пространство 10%
Ответ. счэЮ80°С.
10. Подсчитать температуру газификации кокса, если в генератор вду-
вдувают воздух, обогащенный кислородом, с содержанием 40% Ог Припять, что,
весь углерод сгорает до СО, а содержание С в коксе равно 100%. При расчете
принять также, что уголь подходит к зоне горения с температурой 2000°С,
а потери тепла составляют 42%.
Ответ. 2300°С.
11. Определить: а) количество вдуваемого водяного пара; б) состав газов,
если газификация идет с помощью воздуха, обогащенного кислородом, с со-
содержанием 36% On и стл,н темпаратупа газификации 1000'' С Содержание- угле
рода и топливе принять равным 100%, температуру топлива при поступлении
его и зону горения 1000° С, (потери тепла в окружающее пространство 10%:
Отпет, а) Отношение обогащенного воздуха к водяному шару (состав
ляет (по объему) 1 : 0,32; б) 16,2% Н2, 52% СО, 31,8% N2.
* Действительная температура горения будет значительно ниже, так как
в данных примерах не учитываются потери тепла при сгорании топлива
(вследствие прямой отдачи факела и других причин).
т

12. Кокс имеет следующий состав: 84,23% С, 0,5% Н, 1,73°/о 0, 1,04% S,
3,5% Н2О и 9,0% золы. Подсчитать, сколько теоретически требуется воздуха
для сгорания 1 кг указанного кокса и сколько при этом получится продуктов
сгорания, если принять, что: а) кислород в коксе полностью связан с водоро-
водородом ею в Ы2О, б) углерод сгорает целиком в СО2, а водород в воду; в) го-
горение сери, содержащейся в коксе, протекает по уравнению
Fe -[- 1,50., --)- SiO, - FeSiO, -|- SO2.
U гнет. Расход воздуха 7,6 м3 на 1 кг кокса; продуктов сгорания полу-
чнтсн 9,9 кг G,69 .it3) на 1 кг кокса.
13. Определить: а) состав паро-поздушной смеси, подаваемой в генератор
при условии, что содержание окиси углерода и водорода в продуктах гази-
газификации должно быть в 3,2 раза больше, чем содержание азота; б) темпера-
температуру газификации, если весь углерод сгорает до СО; в) написать суммарное
уравнение газификации. Содержание углерода в топливе принять равным
100%.
От is с т. а) 1,05 ,и3 Н2О па 1 м:1 воздуха; б) реакция не пойдет, так как
общий тепловой эффект отрицателен; газификация пойдет, если работать на
воздухе, обогащенном кислородом; в) 7С + О? + 3,7G N; + 5Н«О = 7СО +
+ 5 lVi-3,7(i N2— «1 ПК'.
14. Подсчитать процент конверсии СО, если: а) окись углерода и водяные
пары для конверсии взяты в стсхиометрическом отношении и б) при избытке
водяных паров но отношению к окиси углерода (до конверсии), равном
б'). 100%, б") 200%, б'") ЗОО"/о и б"") 400%. Температура конверсии 500° С;
константа равновесия равна 0,15 (для всех случаен).
Ответ, а) 72%; б') 89,2%; б") 94,4"/о; б'"") 95,5%; б"") 96.5 %.
15. Имеются водяной и генераторный газы следующего состава (в расчете
на сухой газ):
Состав
н2
со
со2
N..
сн4
Итого
Содержание.
генераторный гяз
5,0
25,0
5,0
62,0
3,0
100,0
%
водяной газ
50,0
42,0
4,0
4,0
—
100,0
Подсчитать, в каких соотношениях надо смешивать тот и другой газ, чтобы
после конверсии окиси углерода по реакции
со + н,о = со2 + на
получился газ с содержанием водорода втрое большим, чем азота.
Ответ. Генераторного газа надо брать вдвое меньше, чем водяного.
16. Подсчитать равновесный состав газа после конверсии метана с водя-
водяным паром при 750" С, если смесь СН4 и Н2О взята в стехиометрическом со-
соотношении
СН4 + Н2О^СО -!-ЗН,.
Примечание. При решении уравнения для К из обеих частей урав.не-
ния нужно извлечь квадратный корень.
319

Ответ. 22,9%
17. Подсчитать
СО, 64,7% Н2, 4,2% СН4, 4,2% Н2О.
состав газа после конверсии метана с
углекислым газом
при 740° С.
СН4 + СО = 2СО
2Н...
по уравнению B0) табл. 24,
П р и м е ч а н и с. Значение Кр подсчитан
ход решения тот же, что и в примере 16.
Ответ. 47% СО, 47% Н2, 3% СН4 и 3% СО2.
18. Подсчитать процент неконвертированного СО, если I объем газа, со-
состоящего из 40% СО, 35% Н2 и 25% N2, перед конверсией смешивается: а) с
1 объемом водяного пара, б) с 2 объемами, в) с 3 объемами, .г) с 4 объемами
его, д) с 0,4 объема, т. е. с теоретическим количеством пара. Конверсия про-
протекает при 500° С, константа равновесия равна 0,15. Вычертить кривую хода
конверсии в зависимости от избытка водяного пара в газе перед конверсией.
Ответ, а) 14,5%; б) 7,5%; в) 3,7%; г) 2,1%; д) 36,9%.
19. Имеются газы следующего состава:
Состлб
генераторный газ
30,0
8,0
3,0
2,0
45,5
2,5
Ю0,П
иодяной газ
37,5
50,0
5,5
1,5
3,0
2,5
100,0
СО
н.>
со,
сн!
N.
Н2О
Итого
Подсчитать: а) в какой пропорции нужно смешивать газы, чтобы после кон-
конверсии окиси углерода соотношение азота :н водорода было равным Н2: N2 =
= 3,1; б) каков будет состав конвертированного газа, если процент конверсии
равен 90.
Ответ, а) 1 мг генераторного газа нужно смешивать с 1,7 м3 водяного
газа; б) состав сухого конвертированного газа: 2,7% СО, 51% Н2, 27,8% СО2.
17,1% N2, 1,4% СН4.
20. Имеются газы следующего состава:
35,50
52.18
6,61
0,22
0,33
3,16
Итого
100,0
320

Опре,селить, в каких соотношениях нужно их смешивать, чтобы количество
СО + Н2 в смеси было в 3,2 раза больше, чем N2.
С1 т а е т. Отношение генераторного к водяному газу составляет 1 : 1,566.
21. Газ состава: 1,37% СО2, 8,92% СО, 9,02% Н2, 5,61% N2, 0,07% H2S,
75,1!% Н2О, подвергается конверсии при 530° С. Подсчитать: а) равновесный
соста:> сухого конвертированного газа; б) с какой температурой должен идти
газ н.1 конверсию, т. е. до какой температуры он должен быть подогрет в теп-
теплообменниках; в) какова температура конвертированного газа на выходе из
теплообменников, если температура пековвертированного газа при входе
в теплообменники равна 95° С; г) составить тепловой баланс конвертора.
Ответ, а) 29,3% СО2, 0,2% H?S, 1,4% СО, 52,3% Н2, 6,8% N2; б) 450° С;
в) 180е С; г) Q = 19600 ккал на 100 м? сырого неконвертированного газа.
22. Подсчитать: а) состав генераторного газа, б) расходные коэффициен-
коэффициенты; в) дать материальный баланс для процесса газификации каменного угля
следующего состава: 73,5% С, 4% Н, 8,6% О, 1,3% N, 1,3% S, 5,4% Н2О,
1,0% золы. Температура газификации 1,050° С. Расход водяного пара
0,2 кг-моль на 1 кг-моль углерода. На 1 м3 азота сгорает 0,342 кг углерода;
отношение
|СО1ПЫ- -_= о 525.
[СО] • [Н2О]
Ответ, (решение по методу Доброхотова), а) Состав газа (сухого)
3(|.3% СО, 14,7«/о 112, 1,6% СО2, 2,8% СН4, 0,4% С2Н4, 50,0% N2, 0,2% H2S;
п) расход на 100 кг угля составляет 22 кг водяного пара и 300 кг воздуха;
и) получено сухого газа 373 м? на 100 кг угля (ход решения см. пример 5).
23. Металлургический кокс состава: 79,2% С, 0,6% Н2, 0,9% N2, 0,4% О2.
1,6% S, 6% Н2О, 11,3% золы, подвергается газификации. Подсчитать: а) со-
состав газа в трубопроводе; б) расходные коэффициенты на 1 л3 генераторного
газа; в) теплотворную способность газа.
Примечание. Расчет произвести по методу Грум—Гржпмайло без по-
поправки состава кокса по Дюлонгу, приняв при этом, что в СО2 переходит
10% углерода кокса, а метан не образуется вовсе.
Температура газификации 1000° С.
Ответ, а) 3,2% СО2, 28,9% СО, 7,9% Н2, 53,9% N2, 5,9% Н2О и 0,2%
H2S; б) 0,23 кг кокса, 0,72 м3 воздуха, 0,09 кг пара; в) 1100 ккал/м3.
24. Каменный уголь состава: 73,5% С, 5,4% Н2, 8,6% О2, 5,4% Н2О,
1,8% N2, 1,3% S, 4% золы, подвергаются газлфикации. Подсчитать: а) состав
газа и трубопроводе; б) количество вдуваемого под колосники нодяного па-
пара; в| расход воздуха, г) температуру генераторного газа.
Примечание. Расчет произвести по методу Грум — Гржнмайло, при-
приняв при этом: а) поправку к составу угля по Дюлонгу; б) в СН4 переходит
'/чо, '1 в СО2 V? всего углерода; в) тюлонипа серы .выгорает до SO2 и поло-
г.ипа уходит в виде парообразной серы; г) потери тепла на колосниках равны
20%. Ход расчета см. пример 5.
Ответ, а) 1,5% СН4, 4,35% СО2, 15,6% Н2, 0,01% S6, 0,1% SO2,
48,5% N2, 24,04% СО, 5,3% Н2О; б) 33% от веса угля; в) 275 ж3 на 100 кг
угля; г) 566° С.
25. Составить тепловой и материальный баланс генератора, работающего
на каменном угле состана: 72,5% С, 6,4% Н, 8,7% О, 6% Н2О, 1,7% N, 1,1% S
и 6% золы *. Расчет произвести по методу Грум — Гржимайло, приняв, что
в СН4 переходит '/is углерода, содержащегося п угле, а в СО2—'До его; поло-
половина серы переходит в SO2, половина уходит в виде паров Se. Теплопотери
* Сумма .составных частей угля здесь составляет 102,4%,-что объясняется
недостаточной точностью анализа. В практике расчетов приходится иногда
иметь дело с подобными недостаточно точными данными.
21 С. Д. Бесков 321

всего генератора 40%, нижней его части —20%. Подсчитать также расходные
коэффициенты.
Ответ. Общий приход материальной части (на 100 кг угля) равен
472 кг; общий приход тепла — 740 000 ккал.
Расходные коэффициенты: а) пара —28,5% от веса угля; б) воздуха —
257 м3 па 100 кг угля; получено генераторного газа 435 кг на 100 кг угля.
26. Каменный уголь состава: 85% С, 4,8% Н2, 1,7% N2. 3,3% О,, 0,2% S,
остальное — зола, подвергается коксованию. При этом получено (на I т уг-
угля): 760 кг кокса, 30 кг смолы, 4,5 кг NH3, 7 кг сырого бензола и 350 м? кок-
коксового газа следующего состава: 25% СН4, 50% Н2, 10% СО, 15% N2 (из
которых азот угля составляет 2,85% по отношению ко всему азоту в газе).
Содержание азота в смоле равно 3,5%. Подсчитать, какой процент азота угля
используется в виде уловленного NH3 и какой процент теряется с газами, кок-
коксом и смолой.
Ответ. 22% переходит в NH3, около 11% теряется с коксовым газом,
около 6% — со смолой и 61% — с коксом.
27. Установка по синтезу аммиака работает на водороде, получаемом из
коксового газа методом фракционированной конденсации. В блоке глубокого
охлаждения перерабатывают 7500 м3/час коксового газа, состав которого:
25% СН4, 10% СО, 15% N2, 50% Н2. Подсчитать: а) на какую мощность
должна быть рассчитана азотная установка (получение элементарного азота
методом фракционирования жидкого воздуха), если потери водорода в систе-
системе глубокого охлаждения составляют 10% и азота 40%; б) сколько из коксо-
коксового газа можно получить «богатого» и «бедного» газа (суммарно); в) произ-
производительность аммиачной установки, если расходный коэффициент азото-
водородной смеси больше теоретического на 20%.
Ответ, а) 740 м3 воздуха в 1 час; б) 3450 м3 в 1 час; в) 33 т NH3
в сутки.
28. Составить тепловой баланс коксовой печи, которая обогревается до-
доменным газом состава: 27,4% СО, 10,8% СО2> 0,5% СН4, 2,9% Н2, 56,4% N2,
2% НгО; сгорание доменного газа идет с 2О"/о избытка воздуха Начальная
температура воздуха, угля и доменного газа 20° С. Полученный коксовый газ
имеет следующий состав: 50% Н2, 25% СН4, 6,4% СО, 3,4% СО2, 1,5% С2Н4,
11,8% N2, 1,9% Н2О. Выход продуктов коксования на 1 т влажного угля
следующий: 71% кокса, 270 м3 коксового газа, 2,3% смолы, 0,7% бензола,
0,2% аммиака (в виде аммиачной воды). Влажность загруженного в коксо-
коксовую печь угля 10%. При расчете пренебречь расходом тепла па процесс кок-
коксования; тенлопотери в окружающее пространство принять разными 10%.
Температура отходящих продуктов горения 250° С, температура коксового
газа и продуктов коксования 750° С. Теплоемкость паров бензола принять
равной 0,4 ккал/кг, теплоемкость смолы — 0,6 ккал/кг.
Примечание. При определении расходных статей баланса следует
подсчитывал! тепло, расходуемое на испарение в таги у\тя и пагрез се до
750°С суммарно, т. е. исходя из содержания влаги в отдельных продуктах
коксования (в газе и аммиачной воде). В соответствии с этим из общего теп-
теплосодержания коксового газа нужно вычесть теплоту содержащихся в нем
водяных паров.
Отпет. Приход тепла ~490 000 ккал на 1 г угля. Из них по статьям:
1) теплосодержание доменного газа ~0,5%; 2) теплота сгорания его ~S)8%;
3) теплосодержание вносимое углем, ~1,1%; 4) теплосодержание воздуха
-0,4%.
В расходе: I) теплосодержание коксового пирога — 41,5%; 2) теплосо-
теплосодержание коксового газа ~16%; 3) теплосодержание продукте» коксования
(смолы. Гкчкюла, аммиака) ~3%; 4) теплосодержание влаги угля — 17,5%;
5) теплосодержание продуктов горения ~12%; 6) потери тепла ~10%.
322

29. Произвести расчет состава газа по методу Грум — Гржимайло и на
основе этого составить тепловой баланс генератора, работающего на антра-
антраците состава: 82,8% С, 1,5% Н, 0,6% О, 1,8% S, 0,6% N, 9,1% золы,
4,1°/, влаги.
При расчете принять: а) влажность газа 60 г/л3, б) 50% серы уходит
в шлак, в) потери углерода со шлаком составляют 10% от веса золы, г) по-
repsr тепла в окружающую среду 4%, д) расход тепла на пароводяную ру-
башчу 4%, е) температура паро-воздушной смеси 58° С, шлака 400° С,
ж) кокса, поступающего в зону газификации, 1000° С.
Отпет. Состав влажного газа и газопроводе: 254% СО, 5,2% СО2
10,3% Н2, 51,8% N2, 0,6% СН4, 0,02% H2S, 6,7% Н2О.
Температура отходящего газа 610° С.
Баланс тепла (на 100 кг угля): приход 75 300 ккал, расход — то же. Из
общего количества тепла 74,4% составляет теплотворная способность топлива,
12,2% теплосодержание сухого газа, 3,3% теплосодержание влаги газа, 1,5%
потери с горючим в шлаке и 8,2% потери в окружающую среду.
30. Произвести расчет состава газа по методу проф. Доброхотова и па
основе этого составить тепловой баланс генератора, работающего на торфе
состава: 35,2% С, 3,4% Н2, 23,5% О2, 0,45% N2, 32,65% влаги, 4,8% золы.
При расчете принять, что 50% кислорода топлива переходят в водяные
пары и 40%—в углекислый газ; 15% водорода топлива переходят в метан
и 5°о —в этилен; азот весь переходит в азот-газ; выход смолы при газифи-
газификации составляет 5% от рабочего топлива; в «уксус» переходит 1,76% угле-
углерода, 3,67% водорода и 3,78% кислорода топлива.
Количество вдуваемого в генератор воздуха составляет 15% от веса
рабочего топлива; температура газа при выходе из генератора 150° С.
Ответ. Состав продуктов сухой перегонки: 32,4% СОг, 14,1% СН4,
4.7%. С2Н„, 1,7% N2. 41,8%, Н2, 5,3% СО. Получено: сухого газа 20,4 -и3, влап
45 8 кг смолы 5,0 кг и уксуса 1,59 кг на 100 кг торфа. Состав сухого генера-
генераторного газа: 7,62% СО2, 28,6% СО, 2,0% СН,, 0,66% С2Н,, 16,5% Н2,
44,61'% N2.
Выход (на 100 кг торфа): влажного газа 204 м3, сухого газа 143 м3. Рас-
Расход воздуха 80 л3 на 100 кг торфа.
Приход (а следовательно, и расход) тепла составляет 339 500 ккал. из
них в расходе приходится: а) на теплотворную способность га.ча 70%, смолы
12%, уксуса 1,95%, потери с углеродом в золе 0,85%; б) па теплосодержание
отходящих ni:ioii 11,30%, смолы и «уксуса» 0,3%; в) на потери в окружаю-
окружающую среду 3,6%.
31. Составить материальный и тепловой баланс газификации кузбасского
угля, имеющего следующий рабочий состав:
Углерод;] 74,70% Серы органической . . 0,10%
Водородм 5,43% и колчедановон (',09'%
Кис.;орода 8,40% Золы .... . . 2 43°i
Азота 1,80% Влаги 7.Ч5',',
Расчет произнести по методу Грум — Гржимайло, приняв при этом, что:
а) на образование СО2 расходуется '/а углерода, б) па СИ.,—Vi2 С, в.) на
С2Н4—'/по С. Принять также, что в H2S переходит вся органическая сера и
полоннпа колчеданной серы; вторая половина колчеданной серы сгорает па
колосниках в SO2. Выход смолы составляет 5%; состав ее: 90% С и 10% Н.
Унос углерода 4%; потери углерода с золой 20%. Температура поступающего
в трубопровод газа 650е С, температура в зоне, газификации 1100° С.
Общие потери тепла (с золой, в окружающую среду, с уносом и смолой)
1сост.[вляют 35%; из них потери в окружающую среду 20%.
21* 323

Ответ. Состав сухого газа: 4,76% СО2, 25,15% СО, 3,18% СН4, 0,18%
V.2H4, 12,40% Н2, 0,02% H2S, 0,01% SO2, 53,6% N2; содержание водяных паров
и нем 5,85% по отношению к сухому газу.
Материальный баланс (на 100 кг рабочего угля). Расход воз-
воздуха на газификацию 7,0 ж3, пара 24,16% от веса угля. Получено при этом
430 кг генераторного газа, 4,4 кг смолы и 3,0 кг золы.
Тепловой баланс. Общий приход тепла 730 000 ккал. Это коли-
количество тепла составляет в расходе: 71,0% теплотворную способность газа.
11,8% физическое тепло газа, 14,8% потери и 2,6% невязки.
32. В шахтной печи производится обжиг известняка. Расход топлива, за-
загружаемого в печь, составляет 10% от веса известняка. Разложение извест-
известняка полное. Определить: а) сколько СО2 получится из известняка, если пос-
последний содержит 100% СаСО3; б) сколько СО2 получится от сгорания топли-
на, если весь углерод его сгорает до СОг и содержание углерода в топливе
равно 84%; в) теоретический расход воздуха; г) процентное содержание СО2
в газе на выходе из печи. Расчет вести на 100 кг СаСОа.
Ответ, а) 43,7 кг СО2; б) 30,8 кг СО2; в) 75 ж3 воздуха (при 0° С и
760 мм рт. ст.); г) 38% СО2.
33. При суточном B4-часовом) испытании известково-обжигателыюй пе-
печи получены следующие данные: а) загружено известняка в печь 146 т (за
сутки); состав его: 94,3% СаСОз, 0,17% Н2О, 5,537о примесей; б) получено
извести 91,5 г; состав ее: 76,65% СаО, 14,2% СаСОз, 0,65% CaSO4, 8,5% при-
примесей; в) расход антрацита на обжиг составляет 8,68% от веса известняка;
состав его: 84,1 % С, 1,63% летучих, 5% Н2О, 1% S и 8,27% золы; коэффи-
коэффициент избытка воздуха равен 1,021. Подсчитать: а) объем сухих печных газов
(¦приведенных к 0° С и 760 мм рт. ст.)\ б) расход воздуха при обжиге (за
сутки); в) материальный баланс печи.
Ответ, а) 5230 м3 или 7970 кг/час; б) 126 т; в) общий приход мате-
материальной части печи равен 286 т в сутки.
СЕРНАЯ КИСЛОТА
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Определить выход огарка и моногидрата серной
кислоты из колчедана с содержанием 45% S, если сера в нем
выгорает полностью.
Решение. Расчет ведем на 1 кг колчедана, так как в дан-
данном случае определяется относительный выход огарка и H2SO4.
Реакция горения колчедана:
4FeS, -!- 110.- 2Fea03 + 8SO.,.
Отсюда видно, что 1 кг чистого пирита дает:
2 ¦ 159 7
~— — 0,665 кг огарка (выход огарка равен 0,665).
Колчедан, содержащий 45% серы, содержит FeS2;
,-. о 45 • 120 _ . . „
FeSj| = ——— -84,4%.
64,1
Остальные 100 — 84,2= 15,8% являются в нем балластом; при-
примем, что последний целиком переходит в огарок. Отсюда теоре-
324

тический выход огарка (Fe2O3 + «балласт») из колчедана с со-
содержанием 45,0% серы определится:
0,665 ¦ 0,842 + 0,156 = 0,718 кг (выход равен 0,718).
Подсчитаем теоретический выход моногидрата H2SO4.
По реакции образования серной кислоты
SO2 -!- -~ О. -!- Н2О = H2SO4
видно, что 1 кг-моль F4,1 кг) SO2 или, что то же, 1 кг-атом
Л3,21 кг )серы, образует 1 кг-моль (98,1 кг) моногидрата H2SO4-
По условию задачи 1 кг колчедана содержит 0,45 кг серы, кото-
которые при полном ее выгорании дадут:
,38,SO4
32,1 '
(теоретический коэффициент выхода H2SO4 равен 1,38).
Так как в практике обжига колчедана сера выгорает не вся,
а часть ее выходит с огарком, то соответственно этому выход
огарка и моногидрата H2SO4 несколько изменяется. В практиче-
практических расчетах выход огарка обычно принимают равным 70% от
веса колчедана (коэффициент выхода 0,7).
Наряду с этим в системе сернокислотных установок часть
SO2 теряется в окружающее пространство, т. е. 'Практически не
используется для образования H2SO4. В (практике расчетов коэф-
коэффициент использования сгораемой серы принимают равным
0,95—0,96.
Исходя из этого, т. е. учитывая невыгоревшую серу и потерн
ее в окружающее пространство в виде SO2, в технических рас-
расчетах пользуются следующими формулами для определения ко-
коэффициентов выхода огарка (х) и моногидрата серной кислоты
(k):
160 —и* ,,.,.,
х -= , A4Ь)
160 -in
, 4,654 (п — m) . . . г .
/г — A4иа)
160-я/
где п — содержание серы в абсолютно сухом колчедане в
процентах;
m — содержание невыгоревшей серы в процентах, т. е. про-
процентное содержание ее в огарке.
Примечание. Номограмма (рис. 21) дает возможность быстро произ-
производить вычисления выхода огарка х и моногидрата серной кислоты к в зави-
* В практических расчетах часто выход огарка принимают .равным 0,7
(без вычислений).
325

симости от величин п и т. Так, например, если обжигают колчедан с содер-
содержанием 42% серы и при этом получают огарок с содержанием 2% серы, то,
пользуясь приведенной номограммой, определяем:
а) ныход огарка —0,747 кг на 1 кг сгоревшего колчедана (рис. 21, ли-
линия nbd);
б) ныход моногидрата H2SO4—1,18 кг на 1 кг сгоревшего колчедана
(рис. 21, линия abc).
0,68
Выход огарка (х кг на 1 кг копчедана)
0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84- 0,85
50,0
1
1
I
а
X
V
\
S
\\
\\
V
\
\
\
s^
V
Л
\
V
4N
\
Л
I
I
I
,
I
V
\S
\
\\
V
-i
с:
N
\
с
?,
si
N
vS
0
р.
•я-
s\
lv
N
3
er
\-
\
\
\
\
\
с
\
V
\
N
г.
\\
V
V
5>
Л
s\
V5
v\>
rS
\>
V
V
щ
Од
N
V
35,0
30,0
1,5 l,t 1,3 1,2 1,1 1,0 0,3 0,8 0,7
Выход моногидрата серной киспоты (к нг на кг копчедана)
Рис. 21. Номограмма для расчета выхода огарка (х) и моногидрата
1I2SO4 кв зависимости от содержания серы в колчедане (п%) и в
огарке (т%)
Пример 2. Обжигают углистый колчедан с содержанием
32% серы и 10% углерода. Определить: а) сколько выделится
тепла на 100 кг его; б) теоретический расход воздуха на обжиг.
Решение, а) Реакция горения
4FeSj + 1 Ю2 = 2FeA + 8SO2 + 800000, С + О, - СО2 + 97800.

Из этих термохимических уравнений видно, что при сгорании
4-120,0 = 480,0 кг пирита, или, что то же, на 256,3 кг серы в нем,
выделится 800000 ккал тепла, а при сгорании 12,0 кг углерода—
97800 ккал тепла.
Так как 100 кг обжигаемого колчедана содержит 32,1 кг серы
и 10 кг углерода, то за счет выгорания S выделится:
800000 - 32,!
256.^
--— = 100000 ккал теила,
за счет сгорания углерода:
97800 -10 .,. г_,.
81500 ккал тепла,
12,0
и всего
100000 i-81500= 181500 ккал на 100 кг колчедана.
б) Аналогично подсчету теплоты горения углистого колчеда-
колчедана вычисляем расход кислорода. 256,3 кг серы в колчедане тре-
требуют 11 • 22,4 м3 О2, а 12,0 кг углерода требуют 22,4 м3 О2 (см.
реакции выше). Расход кислорода составит: на выгорание серы
в колчедане
11 • 22:1. 32Л_ = з ^
256,3
на выгорание углерода в колчедане
12,0
а всего
30,8+ 18,7 -49,5 м3 О,.
Отсюда расход воздуха (состав его: 21% О2 и 79% N2) соста-
составит:
'19,5 ¦ 100
21
или
= 235,7 м3 (при 0 '(> и 700 мм рт. ст.).
235,7 • 1,293-- 293,3 кг.
Пример 3. Обжигают колчедан с содержанием 48% серы;
содержание серы в огарке 2%. Избыток кислорода в отходящих
газах равен 6%. Определить: а) количество входящего в печь
воздуха, б) состав и количество печного газа и в) газов, отхо-
отходящих из системы, если температура входящего воздуха 25° С,
печного газа 400° С и. отходящих газов 54,5°С.
Примечание. При расчете подсосом воздуха в систему, а также об-
разона! ном в печах SO3 пренебрегаем.
327

Решение. Расчет ведем на 100 кг колчедана. Определим
количество выгорающей серы.
По уравнению A46) находим коэффициент выхода огарка:
., .= _*о-48_ = 0,709.
160-2
Отсюда на 100 кг колчедана не выщрает серы: 70,9-0,02 = 1,4 кг
или сгорает ее: 48— 1,4 = 46,6 кг.
Для большего удобства и простоты вычисления объема газов
сделаем некоторые предварительные замечания.
Расход кислорода во всей системе составится из: а) расхода
его на горение колчедана; б) расхода на дальнейшее окисление
SO2 в SO3; в) не вступившего в реакцию кислорода, т. е. ухо-
уходящего в свободном виде через систему.
Таким образом, имеем следующие статьи расхода кислорода:
a) 4FeS2 -Ь 1 Ю, = 2Fe.,O, + 8SO.,,
б) 8SO, + 4О2 ¦-- 8SO,,
в) свободный О2.
Из реакций «а» и «б» видно, что на 4-120 = 480 кг FeS2 или
что то же. на 256,3 кг S в нем требуется 11 +4= 15 кг-моль
(т. е. 15-22,4 = 336 м3) кислорода, из которых 3 объема, т. е.
Vis всего «полезно» поступающего в печь кислорода, идет на об-
образование огарка, 8 объемов (%5 всего О2)—на образование
SO2 и 4 объема D/i5 всего О2) — на окисление SO2 в SO3.
Выше мы подсчитали, что на 100 кг колчедана выгорает
46,6 кг S, на которые требуется кислорода для всего процесса,
без учета свободного кислорода:
336-46,6 =G ^з
256,3
Отсюда расход «полезного» воздуха составит:
JILLJ«L,= 291,0 <
21
из которых 291,0—61,1 = 229,9 м3 составляет азот.
Но в отходящих газах имеется 6% свободного кислорода.
Обозначим количество последнего через V о*м3. Общее количест-
количество отходящего газа составится из: а) азота, идущего с кисло-
кислородом, вступающим в реакцию, в количестве 229,9 м3 (см. вы-
выше); б) кислорода в количестве Vo м3; в) азота, который по-
79
ступает с этим избыточным кислородом в количестве Vo —
= 3,76 У'Оз м3. Следовательно, общее количество отходящих га-
газов равно:
229,9 -f VOi + 3,76VO2 =.-. B99,9 + 4,76) VOj м3,
328

где 1'0 м3 кислорода составляют 6% от общего количества от-
отходящих газов.
Отсюда имеем:
---' = 0,06, или Vo ----- 19,32 м3.
229,9 -г 4,7бл °«
Таким образом, общий объем отходящего газа составит:
239,9+ 19,32- 4,76 = 332,0 м3.
Выше нами подсчитано, что для реакций (а) и (б) должно
входить .в систему 61,1 м'л О2, которые расходуются:
на образование огарка
-—- - 61,1 =- 12,23 м3 О2,
15
на образование SO2
--—• 61,1 = 32,62 м3 О2,
15 2
при этом в печи образуется 32,62 м? SO2;
на окисление SO2 в SO3
4— • 61,1 --= 1E,31 м3.
15
Таким образом, имеем следующее распределение газов в си-
системе (на 100 кг колчедана):
Наимеыслкшл
Количество
пходящего в
печь газа
Кислород для образования огарка
Кислород для выгорания серы из
колчедана (образование SO2) . .
Кислород для дальнейшего окисле-
окисления SO.2 в SO3
Кислород свободный
Итого кислорода . . .
» азота
Получено сернистого газа
Итого газа при нормальных усло-
условиях (Vo)
Итого газа при данных в примере
условиях V=VOA+—) . . . .
Количсстьо
печного газа
12,23
32,62
16,31
19,32
80,48
302,68
383,16
418,00
21,0
79,0
100,0
16,31
19,32
35,63
302,68
32,62
369,93
911,00
Количество
отходящего
газа
9,6
81,6
100,0
19,32
19,32
302,68
322,00
386,00
6,0
94,0
100,0
329

Из таблицы мы видим, что объем газов в конце системы зна-
значительно меньше объема их в начале ее (на выходе из обжиго-
обжиговой печи). Следовательно, в системе создается естественная тя-
тяга, которая необходима для преодоления сопротивления си-
системы.
В технических расчетах для подсчета количества воздуха, по-
поступающего на сгорание колчедана, объем получаемых при
этом газов и содержания отдельных его компонентов обычно
применяют следующие формулы, выведенные на основании сте-
хиометрических уравнений горения колчедана:
а) Фактический расход сухого воздуха на горение 100 кг кол-
колчедана
W - 4,52* (л—m*) л3. A47)
или
(^- + 0,262) м3, A47а)
где а — коэффициент избытка воздуха при сгорании колчеда-
колчедана, величина которого может быть определена по урав-
уравнению
а .,-Н^_ + 0,058, A48)
Pso,
где п — содержание серы us сухом колчедане в процентах;
т — содержание серы в огарке в процентах;
х — выход огарка в килограммах на 1 кг колчедана;
Pso, — содержание SO2 в сухом печном газе в процентах,
б) Концентрация кислорода (РОг%) и азота (pN> %) в су-
сухом печном газе в зависимости от содержания в нем SO2:
i, A49)
i SOi. A50)
При проектировании обжиговых печей принимают, что в печ-
печном газе содержится SO3 в количестве от 0,05 до 0,07pso .
С учетом этого концентрация в нем кислорода составит:
pOi = B1,0-1,30^- 1,S0a>SOi) -^Z-^
в) Количество сухого печного газа (Уп. газ.), полученного
при обжиге 100 кг колчедана, и количество газа в конце системы
(хвостовой газ Vx. из):
К. газ - ~-^=^ **. A52)
Р5Ог
vx.r,s = yn.rl,30~0,0l5pso)Ms A53)
230

г) Концентрация кислорода р^- и азота р™- в отходящих
(хвостовых) газах в зависимости от содержания SO2 в печном
газе (/?SOf):
21 —
р
°' 1-0,015р?Ог
р«- = 100 — р«- A54а)
или концентрация SO2 в печном газе, :по заданному содержанию
кислорода в хвостовых газах:
РйО =-Л-р°> . A546)
1,8-0,015^-
Пример 4. Составить материальный баланс механической
печи по обжигу колчедана, имея следующие данные: загрузка
колчедана в печь 30 т в сутки, содержание серы в колчедане
44%, в огарке 2%, влажность колчедана 2°/0, содержание SO2 в
сухих печных газах 8%, влагосодержание воздуха 6,02 г Н2О на
1 кг сухого воздуха.
Решение. Определим предварительно выход огарка (х):
^J6°^L 160-44^ 8^
2
160 — m 160 — 2
Приход:
1. Сухой колчедан
о0000 — 0,02 • 30000 = 29400 кг.
2. Плага с колчеданом
0,02 • 30000 = 600 кг.
3. (.ухой воздух на обжиг колчедана (по уравнению 147 а)
V = 1D4 — 2 • 0,738) (-19— -Ь 0,0262I • -^° = 112670 мл
возд- LV ' \ 8,0 /J 100
ИЛИ
Свозд = 112670 • 1,293 = 145680 кг.
4. Влага с воздухом
Gl?A- = °.°06 ' 145680 = 870 кг,
или
у = 870.22.4_=Ш80 з
вл- 18,0
Отсюда общий приход составляет:
29400 + 145680 + 870 = 175950 кг.
331

Расход:
1. Огарок
0,738- 29400 - 21460 кг.
2. Водяные пары в печном газе
600 + 870 =¦• 1470 кг
3. Сухой печной газ
V
п
=
,
в нем содержится:
a) SO2 = 0,08 • 109400 - 8750 ма,
или
8750-64'1 = 25040 кг;
22,4
б) кислорода, концентрация которого по уравнению A50)
21,0—1,30-8= 10,6%;
О, = 0 106 • 109400 = 11600 м3, или 116°°'32'1 = 16600 кг;
2 . 22>4
в) азота (по разности)
N2 = 109400 —(8750 + 11600) = 89050 м3,
или
89050 -28,0
22,4
- 111020 кг.
Итого общий расход составляет 175580 кг.
Полученные данные сведены в форму таблицы.
Материальный баланс механической печи по обжигу колчедана
C0 от в сутки)
Приход
Количество
Расход
Количество
1. Сухой колчедан
2. Влага с колчеданом
3. Сухой воздух . . .
4. Влага воздуха
29400
600
145G80
870
112670
1080
1. Огарок
2. Водяные пары в печ-
печном газе
3. SO2 в печном газе
4. О2 в печном газе
5. N2 в печном газе
21460
1470
25040
16600
111020
1720
8750
11600
89050
Итого . . .
Невязки баланса (за
счет округления под-
подсчетов)
175950
—360
113750
175590
+360
11220
332

Пример 5. Составить материальный баланс сушильной
башни контактного узла и абсорберов при производстве серной
кислоты контактным способом по схеме, приведенной на рис. 22.
Содержание SO2 в сухом газе перед входом его в сушильную
башню равно 7,0%, влагосодержание 20 г на 1 кг газа. В печ-
печном отделении сжигают 1 т/час 42-процентного колчедана; со-
содержание серы в огарке 2%. Количество кислоты, идущей на
опеум на склад
Рис. 22. Принципиальная схема контактного узла и адсорбции SO3
(к примеру 5):
/ — сушильная башня; 2 — контактный аппарат; 3 —¦ теплообменник;
4 — .олеумный абсорбер; 5 — моногидрагный абсорбер; 6 — холодиль-
холодильник; 7 — сборник для олеума; 8 — бак для моногидрата
орошение: а) сушильной башни 60 т/час, б) олеумного абсор-
абсорбера 25 т/час), в) моногидратного абсорбера 60 т/час; концент-
концентрации кислот см. рис. 22. По данным материального баланса со-
составить также тепловой баланс контактного узла.
Решение. Подсчитаем предварительно количество и со-
состав печных газов, поступающих в сушильную башню; расчет
ведем на 1 т/час сжигаемого колчедана. Выход огарка:
х -~ —
160—42
160 — 2
= 0.747.
Объем сухих печных газов, поступающих в сушильную башню,
на 1 т сжигаемого колчедана
10 . 70D2—2 • 0,747) ,„сп
= — ¦—— — 4050
7,0
333

Газ
SO,,
Количество и
(на 1 т
состав обжиговых газов
сжигаемого колчедана)
По объему
D050 0,07-10) =284
B1-1,30-7). ^=432
D050—284—482) =3284
Итого 4050
%
7,0
11,9
81,1
100,0
По весу
кг
284-64,1
22,4 -QI°
482-32,1
22,4 -69°
3284 28,0
22,4
Итого 5610
%
14,4
12,3
73,3
100,0
Материальный баланс
1. Сушильная башня. Количество влаги, поглощен-
поглощенной в сушильной башне, равно: 0,020-5610= 112 кг.
Подается на орошение сушильной башни 98-процентной
серной кислоты 60,0 г. Уходит из сушильной башни: 60000 +
+ 112 = 60112 кг кислоты, содержание H2SO4, в которой:
-^-60°— = 97,82%,
60112 ' '
2. Контактный узел. В теплообменник поступает
4050 Л1Э газа (состав дан выше) с температурой 40е С и уходит
из него газ в том же количестве и того же состава с температу-
температурой 235° С.
В контактный аппарат поступает 4050 Л13 газа состава:
7,0% SO2, 11,9% О2 и 81,1% N2- Принимая процент контактиро-
контактирования равным 94,0, получим следующий состав газа на выходе
из контактного аппарата *:
Получено SO3 7 ¦ 0,94 =,6,6 объема
Остаток О, ........ 11.9 —0,5 • 6 6 = 8 f, „
SO., 7 — 6,6^0,4 »
N2 81,1 »
Итого па 100 объемов входящего в контактный
аппарат газа . . ._ 96,7 объема
* Состав газа, а отсюда и количество его, можно определить также,
пользуясь константой равновесия реакции 2SO2+O2<SO3 при температуре
контактирования 430° С.
334

или 4050 -0,967 = 3916 м3 на 1 г сжигаемого колчедана. Из
этих данных определяем состав и обще'е количество газа, по-
поступающего из контактного аппарата в теплообменник и далее
в олсумный абсорбер (см. приведенную ниже таблицу).
3. Олеумный и моногидратныи абсорберы.
Олеумный абсорбер орошается 20-процентным олеумом; рас-
расход последнего 25 т/час. Поступает в абсорбер 5610 кг-час газа
с содержанием в нем 950 кг SO3. Для дальнейших расчетов про-
процесса абсорбции SO3 подсчитаем количество Н2О, которое не-
необходимо вводить в систему. Готовый продукт — олеум должен
содержать 20% свободного SO3 и 80% моногидрата H2SO4. Сле-
Следовательно, на 20 +
80-80
98
= 85,3 кг SO3 в олеуме этой крепости
должно содержаться 14,7 кг Н2О. Отсюда для получения 20-про-
20-процентного олеума (готового продукта) * на 950 кг SO3, получен-
полученных и контактном аппарате, должно при абсорбции поступить
950 ¦ 14,7
85,3
¦= 164 кг Н,О.
Из них поступает с печными газами и улавливается в сушиль-
сушильной башне 112 кг/час. Следовательно, остальные 164—112 =
= 52 кг/час НоО должны вводиться в моногидратныи бак (см.
схему рис. 22).
Состав газа, уходящего из контактного аппарата
Состав
газа
По объему
По весу
so3
so,
о,
N.
0,068-3916=266
0,004-3916=16
0,089-3916=348
0,839-3916=3286
b
0
8
81
,b-
96
,4-
96
,6-
,1
10U
,7
100
,7
!00
100
96,7
= 6,8
= 0,4
= 83,9
950
50
500
4110
17,0
0,9
8,9
73,2
Итого 3016
100,0
5610
100,0
В моногидратном баке должна быть получена 98-процент-
98-процентная HjjSO.i, которая, как это видно из схемы (рис. 22), распре-
n SO3 в системе мы не учпгыиасм.
335

деляегся: а) на орошение сушильной башни, б) на орошение
моногидратного абсорбера, в) в олеумный сборник, где при сме-
ш'ении с «крепким» олеумом, поступающим из олеумного аб-
абсорбера, образует 20-процентный олеум; часть последнего идет
на орошение олеумного абсорбера и остальное в количестве
950+164= 1114 кг]час поступает на склад готовой продукции.
Следовательно, в моногидратный бак, для поддержания в
нем постоянно крепости серной кислоты (98% H2SO4), на 164 кг
должно поступать из моногидратного абсорбера:
164 • 0,8 ггг со
--— = 656 кг ЬО,.
0,2
Таким образом, абсорбируется SO3:
\ л " * сел / 650 100
а) в моногидратном абсорбере 650 кг/час, или =--
you
= 69,0% общего количества SO3, поступающего на абсорбцию;
994. ЮО
б) в олеумном абсорбере 950—656 = 294 кг\час, или= =
= 31,0%.
Отсюда баланс олеумного абсорбера, на орошение которо-
которого поступает 25 т/час 20-процентпого олеума, составит (в час):
Приход
Поступает SO3 с олеумом 25000 • 0,853 = 21325 кг
Поступает Н2О с олеумом 25000 - 0,147 = 3675 а
Абсорбируется SO3 из газов, поступаю-
поступающих из контактного аппарата . . . 294 »
Итого 25294 кг
Расход
Получается олеума (который поступает ь олеумный сборник) . . . 25294 кг
Крепость полученного олеума (содержание свободного SO3):
100B1325 + 294)- J675 " 8О'°
—- !М_ ...._= 21,0%.
25294
В олеумный сборник, кроме олеума, идущего из абсорбера,
поступает также 98-процентная серная кислота из моногидрат-
моногидратного бака в количестве 656+164 = 820 кг/час.
Итого приход в олеумный бак составляет (в час):
SO3 21325 +294 + 656 = 22275 кг
Н2О 3675 + 164 = 3839 »
Итого ... 26114 кг.
Из них 25000 кг расходуется на орошение олеумного абсорбера
и 1114 кг поступает на склад готовой продукции.
336

3 моногидратныи абсорбер поступает 60 т 98-процентной
серной кислоты, в которой содержится 60000 • 0,8 = 48000 кг SOj
и 114H0 кг Н2О. Кроме того, здесь абсорбируется 656 кг SO3
Следовательно, всего в моногидратном абсорбере получается
60656 кг серной кислоты, крепостью
i^==80,4% H2SO4.
Сведем данные материального баланса в таблицу.
Материальный баланс контактного узла, сушильном башни и абсорберов
1 Сушильная башня
SO2
Oj
N.
SO3
н,о
Итого
J. Контактный узел (теплообменник
и контактный аппарат)
SO,
о2
N,
SO,
Н.О
Итого
3 Олеумный абсорбер
SO,
о,
SO-,
ILO
Итого
( МоногндрптныЛ абсопоер
SO2 (в хпостопых газах)
О2 то же
N2
SO,
112О
Итого
22 С. 1. Бесков
Приход
газы
810
690
4110
112
5722
810
690
4110
—
5610
50
500
4110
950
—
5610
50
500
4110
656
—
5316
пг/час
кислота на
орошение
—
48000
12000
60000
—
—
—
—
21325
3675
25000
—
48000
12000
60000
Расход
гааы
810
690
4110
—
—
5610
50
500
4110
950
5610
50
500
4110
656
—
5316
50
500
4110
—
4660
кг/час
кислота,
отходящая
из башен
—
48000
12112
60112
—
_
—
—
—
—
21619
3675
25294
—
48656
!2000
60656
337

Материальный баланс кислотных приемников
А. Моногидратный бак
Поступило из моиогпдратного абсор-
абсорбера и израсходовано па его оро-
орошение
Поступило из сушильной башни и из-
израсходовано на ее орошение . . .
Добавлено воды . .
Поступает в олеумпый сборник . .
Итого ....
Б. Олеумный сборник
Поступило из олеумного абсорбера и
израсходовано на его орошение .
Поступило из моногидратного бака
Поступило на склад готовой продук-
продукции
Итого ....
Приход кислоты,
кг/час
SO,
48656
48000
96656
21619
656
22275
п,о
12000
12112
52
24164
3675
164
3839
Итого
60656
60112
52
120820
25294
820
26114
Расход кислоты.
кг/час
SOa
48000
48000
656
96656
21325
950
22275
н,о
12000
12000
164
24164
3675
164
3839
Итого
60000
60000
820
120820
25000
1114
26114
Тепловой баланс контактного
узла
В целях большего удобства расчетов теплового баланса кон-
контактного узла следует пересчитать приход и расход материаль-
материальной части из весовых единиц (см. табл. па стр. 337) в кг-моль
Затем расчет вести по обычной схеме. При этом приход тепла
составит: с газами (/ = 40° С) —50900 ккал/час и теплота реак-
реакции 271800 ккал/час; расход тепла с газами (I = 200°) —
252000 ккал/час и теплопотери (по разности) —70700 ккал/час.
Пример 6. Составить материальный баланс продукцион-
продукционных башен при нитрозном способе производства серной кисло-
кислоты, исходя из следующих данных (на 100 кг обжигаемого кол-
колчедана) :
а) печного газа поступает в башни 540 кг *, объемный состав
которого: 8,35% SO2, 9,82% О2, 80,15% N2, 1,68% Н2О;
* Расчет количества и состава печного газа см. выше, примеры 3, 4 и 5.
338

б) концентрация продукционной (товарной, башенной) кис-
кислоты равна 78%;
в) вся нитроза из адсорбционных башен (в количестве
580 кг) поступает на орошение продукционных башен; содер-
содержание HNO3 в нитрозе 6,6%, H2SO4 — 72,0%;
г) расход HNO3 * составляет 1,8% к количеству моногид-
моногидрата H2SO.t, получаемого в системе; подается HNO3 в продук-
продукционную башню в виде 56-процентной азотной кислоты.
Решение. Средний молекулярный вес печного газа:
М --¦=¦ 0,0835 ¦ 64,1 -[- 0,982 ¦ 32,1 + 0,8015 ¦ 28,0 -\
+ 0,0168 • 18,0 = 31,3.
Отсюда количество газа, входящего в продукционную
пашню:
— 17,29 кг-моль,
31,3
из которых:
SO, . . .0,0835 • 17,29 ¦¦-= 1,44 кг-моль,
О2 . . .0,0982 ¦ 17,20 == 1 ,70 кг-моль,
N2 . . .0,8015 ¦ 17,29 - 13,85 кг-моль.
1-J.jO . . .0,0168 ¦ 17,29 ::-: 0.29 кг-моль.
Б а л а н с к и с л о т:
а) Продукционная кислота — общее количество моногидра
та H2SO4 получаемого в системе равно 1,44 кг-моль A кг-моль
SO2 дает 1 кг-моль H2SO., ** или 1,44-98,1 - 141,26 кг; в пере-
пересчете на 78-проц'ентную кислоту это составит —:— = 181,1 кг.
б) Нитроза поступает в продукционные башни 580 кг (см
условие задачи).
в) Азотная кислота -- приход и расход HNO3 по условиям
задачи составляет:
1,44-98,1-0,018 = 2,54 кг @,04 кг-моль), или в переводе па
о 54
Тю-проценгную азотную кислоту --—¦-— = 4,53 кг.
о, 5S
г) Циркуляционная кислота (идущая на орошение адсорб-
адсорбционных башен, а затем, в виде нитрозы — па орошение про-
продукционных башен). С нитрозой поступает в продукционные
башни 580-0,72 = 417,6 кг моногидрата 1I2SO4, которые долж-
должны составить 78% H2SO4 в кислоте поступающей на адсорб-
* Расход HNO3 представляет собой потери ее с виде окислов азота с
отходящими газам», продукционной кислотой и т. д.
** При расчете потерями SO2 пренебрегаем (содержание SO2 в отходя-
отходящем из системы газе составляет не более 0,2%).
22* 339

циоиные башни. Отс.ода количество идущей на эти башни кис-
кислоты определится
417,6 го_ . ,о „
=: 53^,4 кс 78-процентнои серной кислоты.
Ьаланс воды.
Вода в продукционных башнях расходуется на образование
моногидрата H2SO4 (I моль Н2О на 1 моль H2SO4) и на раз-
разбавление его до концентрации продукционной G8-процентной)
Расход
а) на образование моногидрата H2SO4 • 1,44 ¦ 18,0 =- 25,92 кг
й) на образование 78-процентной про-
продукционной кислоты A81,1 — 141,26) = 39,84 »
И того ... 65,76 кг
Приход
я) с обжиговыми газами 0,29 • 18,0 ~ 5,2 кг
б) вносится с язотной кислотой D,53—2,54) =¦-= 2,0 кг
в) от разложения HNOa
2,54 ¦ 18,0
Hj0-l- 1,5О2 .... — -==0,4 к?
2 ¦ 63,0
Итого 7,6 кг
Следовательно, воды необходимо подавать в башни в коли-
количестве F5,76—7,6) = 58,16 кг.
Баланс газов:
Сернистый газ (SO2).
Приход с печными газами: 1,44 кг-моль, или 1,44-64,1 =
¦-- 92,2 кг, которые идут в продукционных башнях на образова-
образование H2SO.( (расход).
С) к и с ь азот a (NO).
Приход: а) от разложения HNO3 (по реакции 2HNO3 =
= 2 NO + H2O+1,5 O2)—0,04-30= 1,2 кг NO;
б) от денитрации нитрозы (по реакции: N2O3 = 2NO +
-т- 0,5 О2)
* При более точных '.подсчетах .необходимо сюда также включит!, поте-
потери водяных паров с отходящими из системы (после адсорбционных башен)
газани Объем последних определяют из количества всего азота, проходяще-
проходящего систему, и остаточного кислорода. Отсюда количество Н2О определится из
величины давлении водяных паров над 77-процентной серной кислотой. Но
так как этот расход Н2О в общем водяном балансе играет незначительную
роль, мы его здесь не учитываем.
340

580-0,066-2 , Л|
¦¦¦-¦¦ 1,01 кг-моль
76,0
или 1,01 • 30 = 30,3 кг NO.
Расход. Все это количество A,2 + 30,3) =31,5 кг NO пол-
полностью выходит из продукционной в адсорбционную башню
(потери N2O3 с продукционной кислотой не учитываем).
Кислород (О2).
Приход: а) с печными газами — 1,70-32,0 = 54,4 кг;
0 04 32-3
б) от разложения HNO3 (см. выше): ——-¦— = 0,96 кг:
в) от денитрации нитрозы —1,1 -32-0,5= 17,6 кг.
Р а с ход: на образование H2SO4 в продукционной башне"
(по реакции SO2 + Н2О + 0,5О2 = H2SO4) — 1,44-32 • 0,5 =
= 23,04 кг. Следовательно, из продукционное! в окислительную
башню поступает кислорода: 54,4 + 0,96+ 17,6—23,04 = 49,9 кг
или 1,56 кг-моль.
Водяные пары (Н2О). С нитрозой поступает
580- A,0 — 0,72 — 0,066)^ 124,1 кг Н2О.
Отходит с кислотой, идущей на орошение адсорбционных башен
535,4 ¦ 0,22=- 117,8кг Н2О.
Остальные A24,1 —117,8) =6,3 кг или 0,35 кг-моль Н2О ухо
лит из продукционных башен с газами в окислительную
башню.
Азот (N2), в количестве 13,85-28 = 387,8 кг проходит чере.ч
систему без изменения.
Итого вес отходящих из продукционной башни газов со-
составит:
30,3 + 49,9 -¦}- 6,3 + 387,8 ¦¦= 474,3 кг.
Состав этого газа:
NO 1,01 моль, или 6,0%
О. 1,56 моль, или 9,3%
Ы^ . . ' . 13,85 моль, или 82,6%
Н2О ... 0,35 моль, или 2,1%
Итого .. 16,77 моль 100%
34!

Составляем таблицу материального баланса (см. также рис. 23):
Приход
Расход
Стап.я приходи
Количс-
| LT1HI
Статья расхода
1. Печные газы
2. Азотная кислота E6 про-
процентная)
3. НнТроЗЯ G2-HpOUCilTI!ilSl)
4. Вода
'). Повязки
И т а г (\
540,0
4,53
580,0
58,16
7,П
1. Сухие газы
2. В«ляные пары с газами
3. Кислота продукционная
4. Кпстота на орошение ад-
сороцнонмых пашен . .
1189.8 I!
Итого
Количе
СТР.0
468 0
6, .3
181,1
535.4
1189.8
Азотная кислота ... г
Нитроза цОнг
Печные газы
5Ч0нг
Кислота на орошение
1 адсорбционных Пашен . Ь
кислота.. ..181,1 кг\
Рис. 23. Схема материального баланса продукционной башни
(к примеру G)
П р и м с р 7. На основе материального баланса предыдуще-
предыдущего примера составить тепловой баланс продукционной башни и
камер. При этом принять: а) температуру газов перед входом
и продукционную башню 350° С, а на выходе из камер 40° С;
б) температуру кислоты на выходе из продукционной баш-
башни 125е С; в) температуру кислот, нитрозы и поды, поступающих
в продукционную башню и в камеры, 25° С; г) температуру от-
кодящих газов 90° С.
Решение*.
* Теплосодержание всех продуктов берем по отношению к 0° С; подсчет
величии q округляем до десятков.
12

II р и хо д:
::) Теплосодержание печных газов при 350° С (см. табл. 16):
SO, 1,44 • 3875 == 5580 ккал
0 1,70- 25R.S = 4370 »
N 13,85 ¦ 2466 = 31150 »
11./) 0,29 ¦ 2905 = 840 ь
Итого </i == 44940 ккал
и) Теплосодержание кислот и воды, входящих в
/1 р о д у к и, и о н н у id б а ш и ю (теплоемкости их см. рис. 10;
концентрацию и количество их см. пример 6) At = 25° С:
Пмтрозл Г)80 ¦ 0,46 ¦ 25 --.-6670 ккал
Азотная кислота . . . 4,53 ¦ 0,67 ¦ 25 ..-. 70 »
Вод;. 58,16 ¦ 1.25-25--- 1450 »
Итого . . 92 -= 8220 ккал
а) Теплота образования 1,44 кг-моль H2SO4 (SOj +
q-. ¦-¦¦ 1,44 • 54520 -- 78510 ккал.
г) Теплота растворения полученного моногидра-
га H2SO4 до 78-процентной продукционной кислоты. В 78-про-
. мс„ 22-98. I
центнои серной кислоте на 1 моль Н20О4 приходится ==
- 1,56 молей H2SO4. Отсюда по уравнению G5 а) находим теп-
лоту растворения H2SO4
. , . 17860 • 1,56 . .псп
си ----- 1,44 ¦ -—¦¦ 11950 ккал.
1,56 -f 1,7983
Q "= 4i + Я-i + Ят. "Ь <?4 -^ J 43590 ккал.
Расход
а) Испарение воды. В продукционную башню с печны-
печными газами входит 0,29 кг-моль E,2 кг) НгО, а выходит из нее
(с газами) 0,35 кг-моль F,8 кг) НгО. Следовательно, 6,3—5,2 =
= 1,1 кг Н2О испарилось в башне. Удельная теплота испарения
Н2О при 100е С равна 538,9 ккал (см. табл. 15):
Итого приход
<7б =: 538,9 • 1,1 =590 ккал.
б) Разложение HNO3 (HNO3 = NO + --Н2О + — О2 -
2 4
—28960). (См. табл. 17). HNOt поступает 0,04 кг-моль:
qa =- 0,04 • 28960 - 1160 ккал.
в) Разложение N2O3 (N2O3 = 2 NO + 0,5 О2-21800 (см.
343

табл. 17) *:
c/j -- 1,01 • 21800 = 22020 ккал.
г) Теплосодержание продукционной и цирку-
циркуляционной G8-процентной) кислоты, теплоемкость которой
равна 0,45 (рис. 10); Д/= 125°С, количество кислоты A81,1 +
+ 535,4) = 716,5 кг
</8 = 716,5 ¦ 0,45 • 125 = 40G00 ккал.
л) Теплосодержание газов при 90° С (см. табл. 16):
'N,
13,85 F85 — 68.5) - 8550 ккал
io 1,56G07 — 70,7)= 995 »
i"No 1,01F92 — 69,2)--= 685 »
«H o 0,35G91—79,1)---= 250 *
Итого . . qa --= 10470 ккал
e) Теплопотери в окружающее пространство
находим по разности между общим приходом Q и расходными
статьями G5—q%:
qM - 143590 — E90 + 1160 + 22020+ 40600 + 10470)=68750 ккал
Сведем данные теплового баланса в таблицу:
Приход
Стать» прихода
1. Теплосодержание печ-
печных газов
2. Теплосодержание кис-
кислот и воды:
а) нитрозы ....
б) азотной кислоты
в) воды
3. Теплота образования
H..SO4
4. Теплота растворения
HjSO4
Итого . . .
Количество
ккал
44940
6670
70
1450
78510
11950
143590
•/.
31,2
4,7
0.1
1,0
54,7
8,3
100,0
Расход
Статья расхода
1. На испарение воды
2. На разложение 11NO3
3. H;i разложение N2O3
4. Теплосодержание ки-
кислоты из продукцион-
продукционной башни . .
5. Теплосодержание га-
газов
6. Теплопотери ....
Итого . . .
Колмчество
ккал
593
1160
22020
40600
10470
68750
143590
%
0. ¦
0,8
15.3
28,3
та
48.0
100.0
• N2O5 в нитрозе находится в форме нитрозил-серной кислоты SO2OHNO
Поэтому правильнее и более точно подсчет величины q^ следовало бы вести
исходя из реакции разложения SOjOHNO, растворенной в серной кислоте:
2SO..OHNO + Н.,0 - 2H..SO, + N2O3 — ц\
N2O3-= 2NO + 0,5(Х — q'.
Однако вследствие отсутствия значений теплоты образования нитрозил-сер
ной кислсты н теплоты растворения последней в серной кислоте, мы взяли
теплоту образования N2O3 в растворе. Это в общем тепловом балансе большой
ошибки не даст, тем более, что величина q^ незначительна.

ЗАДАЧИ
1. Сколько выделится тепла при сгорании 1 кг колчедана с содержанием
40% S, если содержание ее в огарке равно 3%.
Ответ. 1180 ккал.
2. Подсчитать суточную производительность завода, перерабатывающего
на серу 5000 м3/час отходящего от .чаподип цветной металлургии гам, содер-
содержание SO2 в котором равно 4%. Коэффициент использования SO2 равен 0,85
Ответ. 5.84 т серы.
3. Требуется охладить 35 м3/час серной кислоты от температуры 110° до
40е С^. Удельный пес кислоты при 110° С ранен 1,008. Температур;) поступаю
щей на охлаждение воды 20° С, выходящей из холодильника, 70° С. Теплоем-
Теплоемкость кислоты в указанных температурных пределах принять равной
0,468 ккал/кг. Определить расход воды на охлаждение кислоты.
Ответ. 37 м3/час.
4. Газ, содержащий некоторое количество SO2, смешивают с водородом
и пропускают через контактную печь, где SO2 восстанавливается до серы. По
окончании процесса восстановления получено 6,0 г серы на каждые 100 л
(при 0° С и 760 мм рт. ст.) пропущенного через печь смешанного газа. Содер-
Содержание SO2 и газе перед входом его в контактную печь рашю 6%. Подсчи-
Подсчитать: а) процент восстановления SO2; б) расход водорода на I к.г серы,
в) расход его на 100 мъ первичного газа, если отношение сернистого газа
к водороду в смеси перед входом в контактную печь составляет 0,435 ¦ 1
(по объему).
Ответ, а) 70%; б) 2.3 м3 Н2; в) 16,0 >i3 H2.
5. Определить, какое минимальное количество кислорода должно содер
жаться в отходящих газах сернокислотного производства, чтобы процесс го
рения водорода в смеси с ними шел без подогрева извне. Температуру сгорания
принять равной 600°; теплопотерн не учитывать
Ответ. 4% О2.
6. Подсчитать теоретическую температуру горения колчедана с содержа-
содержанием 45% S. если печной газ имеет следующий состав: 8% SO2, 82% Nj,
10% О2, а содержание серы в огарке 1,5%. Температура огарка 220° С, теп-
теплоемкость его 0,18. Теплосодержание колчедана и воздуха, а также теплот>
тери не учитывать.
Ответ. 995° С.
7. Определить температуру горения цинковой обманки с содержанием
в ней 96% ZiiS, если в обжиговых газах содержится 7% SO2, 11% О2 и 82%
N2, а потери тепла печью в окружающую среду составляют 15%. Подсчет ве-
вести с учетом полного выгорания ZnSBZnS -)- ЗО2 = 2SO2 + 2ZnO + 222 000)
Ответ. 810° С.
8. Определить температуру, с которой отходят газы из обжиговой печи.
а отсюда и температуру горения колчедана, если: а) содержание серы в кол-
колчедане 48%; б) температура входящего в печь воздуха 20° С; в) содержание
серы в огарке 2%; г) избыток кислорода в конце системы 6%; Д) потери теп-
тепла печью 15%; е) температура огарка 210°С.
Ответ. 850° С.
9. Отношение веса колчедана к весу огарка равно 1,38. Определить коли-
количество получаемого огарка с установки производительностью 38 т моногид
сата H2SO4 в сутки, работающей на колчедане с содержанием 45% серы.
Ответ. 20,6 т.
10. Сколько можно получить влажного водяного пара давлением 5 атс
при использовании тепла обжиговых газов колчеданных печей, если газы из
парового котла выходят с температурой 100° С. Расчет произвести на 1 т
42-процентного колчедана при условии полного выгорания серы в нем; все
цифровые данные (теплоемкости, теплоты парообразования и т. п.) брать из
табли i; при расчете учесть теплопотери обжиговой печью в количестве 12%
345

от общего количества тепла. Содержание кислорода з печном газе на 145%
больше, чем требуется его для дальнейшего окисления SO2 is SO3. Темпера-
Температура воздуха, поступающего в печь,
Колчедан 15000кг СихойгпзШЮкс
C00кг (Шаги)
Синий Воздух
"' ШООнг
Влага Воздуха
\ \
Печь
Водяные пары
870кг
Огарок
2и°С; температура огарка 200°; теп-
лопотерн парового котла lO'Vo. Tai-
лосодержание I кг пляжного пара
при 5 ага рашю 613,3 кхал.
О т в е т. 1540 кг пара.
П. Составить: а) материальный
н б) тс-пловой балансы контактного
узла для окисления SO2 в SO:), ис-
исходя и:! 1 т 42-процентного колчеда-
колчедану при содержании 2,5°/о S в огарке.
Температура при контактировании
472°; избыток воздуха, подаваемого
и печь, составляет 60% от теорети-
теоретического количества его для всего про-
процесса. Подсчитать также: и) процент контактирования, если он составляет
!)8% от теоретического. Константу равновесия реакции 2SOj -\~ Ог = 2SOa
подсчитать пи уравнению B8), табл. 24. Температура входящих газов 50°С,
отходящих 220' С.
ilpuxod
10970 кг
Рис. 24 Схема материального балан-
баланса обжиговой печи (к задаче 12)
Теплота горения
колчедана 95,76%
/.' SojilyjcoAi ласту
лающим на горе-
Физическое ,neniio
коячедана J,/JZ
С охлажденным
воздухом J./J t
Игг'ого 100%
Растод
С огаркам г,5Ц%
*— Ten/ionomepu в тру
^ жаюшее птстран-
\ ствй ISjej.
На нагрев охлажденного
воздуха 13,121,
Слеть/ми газами 83J21.
Итого 1вв %
Рис. 25. Схема теплового баланса обжиговой
печи (к задаче 12)
Ответ, а) Приход материальной части узла 5440 кг; состав входящего
газа (по объему): 7,2% SO2, 11,6% О2, 81,2% N2; состав отходящего газа-
0,4% SO2) 7,1% SO3; 8,5% О2. 84% N2; б) Qnpiix. = QparX. =337000 ккал,
346

i п:)иходе: тепло реакции состапляст 81,3% от ucero количестна тепла, тепло
поступающих галоп 18,7%; п расходе: тепло, уносимое газами, 79,4% теплопо-
герп 20A%; I!) процент контактирования 95,3.
12. В печи обжигают 15 т колчедана п сутки. Содержание серы в колче
лапе (влажном) -11%, илагм 2%; содержание SO2 в сухих обжигоных газах
7%, кислорода 12,2%, серы в огарке 2%, степень влажности воздуха, пода
лаемого и печь па обжиг, равна 50%. Вал печи охлаждается воздухом. Тем
пература колчедана 20° С, иыходяших им печи газов 600° С, огарка 250° С.
Составить: а) материальный и б) тепловой баланс печи и подсчитать: п) кг,
лпчестпо воздуха, расходуемого на охлаждение пала, если этому воздуху пе
цедастгя 20% тепла, получаемого за счет тепла реакции горения.
Ответ, а) (см. рис. 24); б) Q;,pi;x. =- Qpacx. = 19353200 к кал (см
рис. 25); и) v = 42 мй/мин.
13. Обжигают колчедан с содержанием 45,5% S (считал па сухой колче-
колчедан) и 2% влаги. Сухие обжиговые (печные) газы содержат 8,5% SO2 и
10,0% Оо*. Вс.чдух, поступающий па обжиг, имеет давление 7G0 мм рт. а
и 50% пасьмцеппости влагой; температура его 18" С. Огарок содержит
:J.42% серы и имеет температуру на выходе из обжиговой печи 200° С. Тем-
Температура нс-чпич газон '150° С. ( оставит!.: а) материальный и б) тсмлонои ба-
баланс процесса; расчет вести, исходя из 100 кг сухсго колчедана. Теплоемкость
пгарка принять раиной 0,18.
Отпет. Расход сухого воздуха 500 кг; печных газов получается 531 кг
Общий материальный приход в печь 004 кг; б) Q,p х = Qparx = 143 700 ккал
il расходе: 1,8% теплоты уносится огарком. 40% —газами и 58,2% состав-
составляют теплопотери (печью, и трубопроводе и пыльной камере).
АЗОТ; СИНТЕЗ АММИАКА; АЗОТНАЯ КИСЛОТА
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Подсчитать производительность катализатору
при синтезе аммиака, если через колонну синтеза пропускают
20000 м3/час азото-водородной смеси и содержание NH3 в газо-
газовой смеси после синтеза равно 18%; объем, занимаемый ката-
катализатором в колонне, равен 1,25 м2.
Р е ш е н и е. Так как через колонну проходит 20000 м3/час
нзото-водородной смеси, а объем, занимаемый катализатором,
равен 1,25 м?, то объемная скорость газа равна
20000 ..„,.,, 3.
-^ 16000 мл1Час,
1,25
т. е. на 1 м3 катализатора через колонну проходит 16000 м3/час
азото-водородной смеси или иа 1 л его — 16000 л/час газа.
Количество газовой смеси после колонны синтеза и количе-
количество получаемого аммиака в 1 час определятся из следующего.
Из реакции образования аммиака
ЗН„ + N, = 2NH,
* Остальные 81,5% составляет азот.
347

зидно, что на образование 2 г-моль B объемов) NH3 требуется
\ г-моль D объема) азото-водородной смеси, т. е. 1% NH3 со-
соответствует 2% последней. Если количество газовой смеси после
колонны синтеза обозначим через хм^'час, то количество
нммиака будет равно
=< 0,18х м3/час.
что эквивалентно:
2-0,18л мл/час азото-водородпой смеси.
Кроме того, в газах, отходящих иосле колонны синтеза, содер-
содержится азото-водородной смеси
A—0,18)*- ж3.
Следовательно, всего прошло азото-водородной смеси через ко-
колонну
2-0,18- х + 0,82х м3/час.
Но условиям задачи это количество азото-водородной смеси
должно составить 20000 м3/час. Таким образом
2- 0, i 8*+ 0,82 х = 20000,
откуда х = 16950 м'г/час. Следовательно, количество получае-
получаемого аммиака равно:
0,18- 16950 = 3050 м3/час
или
3050
22,4
• 17,0 = 2325 кг/час.
Объем катализатора в колонне равен 1,25 м3, или 1250 л, аь
котором образуется 2325000 г NH3.
Следовательно, производительность катализатора в 1 час
равна:
2325000 ,nr-on \ri_j 1
= 18520 г NH3 на \л катализатора.
Пример 2. Колонна по сжижению и ректификации жил
кого воздуха (рис. 26) имеет производительность 350 м31час азо-
азота чистотой 99,8% N2. Отходящий кислород должен иметь чи-
чистоту 96%, т. е. содержать 4% азота. Состав обогащенного воз-
воздуха в ванне нижней колонки: 40% О2 и 60% N2. Верхняя ко-
колонка работает под давлением 1,2 ата, нижняя — 5,5 ата; воз-
воздух подается в колонку под давлением 50 ата с температу-
температурой 27° С C00° К). Составить материальный и тепловой баланс
колонки.
348

Решение. По диаграмме с—р—Т для азото-кислородной
ем ?си (см. диаграмма 31) находим, что при давлении 1,2 ата
при составе газовой фазы 99,8% N2 и 0,2% О2 (точка а) в рав-
Рис. 26. Схема разделительной
колонки для воздуха (к примеру
2):
/ — нижняя колонка: 2— верх-
верхняя колонка; 3 — теплообменни-
теплообменники; 4 — дефлегматор; 5 — «кар-
«карманы» нижней колонки; 6
греющий змеевик; 7 — ванна ниж-
нижней колонки; 8 — ванна иерхней
колонки
новесной с ней жидкой фазе содержится 99,2% N2 и 0,8% О5
(точка Ь). Это н будет соответствовать составу жидкого азота
и карманах нижней колонки. По той же диаграмме находим
температуру газовых и жидких фаз в колонке:
а) температура отходящего из верхней колонки азота при
" =¦ 1,2 ата равна 79,05° К (точка а);
б) температура отходящего из верхней колонки кислорода
равна 91,6° К (точка й);
в) температура жидкого азота в карманах нижней колонки
равна 95,5° К (точка с);
г) температура обогащенного D0-процентного) кислородом
воздуха в ванне нижней колонки равна 99,45° К (точка d).
Состав жидкой фазы над отходящим из верхней колонки
кислородом, т. е. состав жидкости, кипящей в межтрубном про-
пространстве дефлегматоре: 98,6% О2 и 1,4% N2 (точка Ъ), а паро-
паровой фазы над жидкостью в ванне нижней колонки: 20,7% О2
и 79,3% N2 (точка d).
349

Материальный баланс разделительной
колонки
1. К о л и ч е с т в о поступающего в колонку воя-
духа. По чистоте отходящего азота (99,8% N2) и отбираемого
кислорода (96% О2) но рис. 27 находим, что при производи-
производительности колонки в 350 м3/час (по азоту) должно поступать в
колонку воздуха 447 м? (линия KMNL).
2. Количество отбираемого из верхней ко-
колонки кислорода определится по разности между посту-
поступающим воздухом и отходящим азотом, т. е.
у := 447 — 350 = 97 мл.
3. Количество азота l/N]) отходящего в верх-
верхнюю колонку из карманов ни ж ней колон к и,
определится из того же рис. 27 по количеству поступающего в
колонку воздуха D47 м3), чистоте отходящего из карманов азо-
азота 99,2% N2 (см. выше) и составу обогащенного воздуха в ван-
31 S2 93 9* S5 Ж 37 38 33 100 Я 2г Я
Чистота азота, У-
is я е ю 8 в » г
Количество ludyia, м1
Рис. 27. Номограмма для подсчета количества воздуха в зависимо-
зависимости от количества и чистоты отбираемого кислорода и азота
не нижней колонки D0% О2 и 60% N2). Пользуясь рис. 27,
соответственно этим данным получаем значение VN =218 м3
(точка пересечения линий LP и EF).
;;50

4. Количество обогащенного воздуха, посту-
поступающего из нижней колонки в верхнюю, опреде-
определится по разности:
447 — 218 -229 м3.
По уравнению B а) подсчитываем плотность азото-кислород-
ных смесей, а отсюда подсчитываем вес продуктов прихода и
расхода колонки. Сведем данные материального баланса в фор-
форму таблицы.
Материальный баланс разделительной колонки
79
Приход
1. Воздух
(р = 1,293)
Итого
1. Обогащенный
поздух
(р = 1,3255)
2. Азот из карма-
карманом (р = 1,2582) 09,2
Итого
Cm
N.
rao
o,
Количе-
Количество
e 1 час
кг
Расход
Состав
Na
О,
Количе-
Количество
в 1 vac
кг
21
Г. И н ж н я я колонк а
. Обогащенный
447 578 кислородом воз-
воздух (р = 1,3255)
2. Азот из карма-
карманов (р= 1,2582)
447 578
Итог о
60
99,2
40
229
218
304
274
447| 578
П. Верхняя колонк а
1. Азот
(р = 1,2572) .
2. Кислород
(р = 1,421?)
Итого
60
99,2
40
0,?
—
229
218
447
304
274
578
99,8 0,2
4,0 96,0
350
97
447
440
138
578
Тепловой б а л а п с коло и к и и расчет
числа тарелок
1. Теплообменник для воздуха. В теплообменнике
происходит охлаждение воздуха, входящего в колонку, за счет
отходящих из нее азота и кислорода (см. рис. 28). Количество
подаваемого воздуха 578 кг/час, температура его 300° К", азота
входит в теплообменник 440 кг/час, кислорода 138° кг/час; тем-
температура азота 79,0° К, кислорода 91,6° К- Принимаем разность
температур на теплом конце теплообменника 2° С, т. е. темпе-
351

ратуру выхода из теплообменника азота и кислорода 298° К
B5° С); теплопотери в окружающую среду принимаем 1%. От-
Отсюда определяем статьи прихода и расхода тепла в теплооб-
теплообменнике.
Примечание. При расчетах пользуемся диаграммами теплосодержа-
теплосодержания азото-кпслородной смеси (см. диаграмма 14 и 15) *.
1
.——__—'-——'-
_-
^ \с2
— — -—.
Ч у,
Ч ' h
г. т.
|__¦ ——z _^
1
Рис. 28. Схема потоков
газа и жидкости между
тарелками разделитель-
разделительной колонны (к приме-
примеру 3)
а) Количество тепла, воспри-
воспринимаемое азотом (теплосодержа-
(теплосодержание азота см. диаграмму 14, точки А и
В, чистота азота 98% N2).
/ав8—/:9 =121 —66,4 =* 54,6 ккал/кг,
или
54,6 ¦ 440 = 24020 ккал/час.
в) Кол и ч е с т в о тепла, в о с п р и-
н и м а с мое к и с л о р о д о м (диаг-
(диаграмма 22, точки С и D, чистота кислоро-
кислорода 96,0% О2).
:_4=| 298
ИЛИ
-/91_6=--120-
74,2 — 45,8 ккал/кг.
45,8 • 138 ^G320 ккал/час.
Всего обоими газами воспринимается в
теплообменнике тепла:
24020 + 6320 = 30340 ккал/час.
или с учетом теплопотерь**
303400,01 • 30340 -=30040 ккал/час.
Это количество тепла должно быть передано азоту и кислороду
от входящего в теплообменник воздуха; количество последнего
578 кг/час. Следовательно, I кг воздуха отдает в теплообмен-
теплообменнике:
30040 г
¦-- Ь2,0 ккал тепла
578
* Диаграмма 14 составлена для данления, равного ] ата, но ею можно
вполне пользоваться ло Р- 1,5 ига. при ътом ошибка получается очень незна-
незначительная (до 0,1—0.3%).
** Вернее, потери холода. Поэтому здесь теплопотери должны не сум-
суммироваться с общим .количеством тепла, а отнимается от него.
352

Отсюда количество воздуха, проходящего через теплообменник
для язота (рис. 26) составит:
24020 — 240 .-., г-
457,5 кг час,
52,0
и через теплообменник для кислорода:
63?0^63_ _; 120 ,_
52,0
Всего проходит воздуха через теплообменник:
°иозд "- 457-5 Ь 120>4 577.9 кг/час.
(см. таблицу материального баланса стр. 351) **„
Теплосодержание входящего в теплообменник воздуха (Р =
= 50 ата и 7* = 300° К) равно 119,3 ккал/кг (см. диаграмма 8).
В теплообменнике воздух отдает тепла 52,0 ккал/кг. Следова-
Следовательно, на выходе из теплообменника его теплосодержание
определится:
/, 119,3 -- 52,0 =г 67.3 ккал/кг.
Это соответствует его температуре при 50 ата 143,5° К (см. диа-
диаграмма 8)
2. Г р е ю щ и и з м е е в и к в а и н ы и п ж н е й колонки.
Даны (см. выше): 1) температура входящего воздуха 143,5° К,
давление его 50 ата; 2) состав кипящего обогащенного воздуха
в ванне: 40% О2 и 60% N2, давление 5,5 ата, темп. кип. 99,5° К
(см. диаграмма 15. точка р). При теплообмене между греющим
(в змеевике) воздухом и кипящим (в ванне) принимаем темпе-
температуру первого на выходе из змеевика выше, чем температуру
второго, на 2°, т. е. 101,5° К. При этой температуре воздух ста-
становится жидким. Следовательно, по диаграмме 16 для воздуха
находим, что воздухом через змеевик отдано тепла:
<7, - 578(/м:1 г> -—-/,,,, -)-¦ 578F7,3—32,3) =---=20230 ккал/час.
Это тепло полностью передается кипящему обогащенному воз-
воздуху.
Пользуясь диаграммой 13, точка d, находим, что равновес-
равновесный состав паров над кипящим обогащенным воздухом в ванне
равен 20,7% О2 и 79,3% N2. Считая, что равновесие достигается
на 75% (к. п. д. колонки равен 0,75), имеем действительный со-
состав паров:
40,0 — 0,75 D0 — 20,7) ^ 25,5 % О, и 74,5 % N2,
* 240 ккал/кг. и 63 ккал/кг -¦¦¦ теилонотер^и.
** Расхождение с нычислеппмм выше составляет 0,1 кг/час (см. матери-
материальный баланс распределительном колонки). В дальнейших расчетах прини-
принимаем О'возд. =578 кг/пас.
23 С. Д. Бесков 353

Такой состав азото-кислородной смеси требует для испаре-
испарения (ирн 5,5 ата) тепла (см. диаграмму 15, точки е и /):
Я2 - /„а,, - W -- 72-29,7 .-= 42,3 ккал/кг.
Принимая разницу в "температурах между стекающей в ван-
ванну флегмон и кипящим обогащенным воздухом в 1° С, по той же
диаграмме 15 находим, что на нагревание жидкого обогащен-
обогащенного кислородом воздуха в нижней колонке потребуется
0,5 ккал/кг тепла. Следовательно, I кг испаряющегося обога-
обогащенного воздуха (в ванне) потребует тепла:
qv, - 42,3 -;-¦ 0,5 - 42,8 ккал.
Количество же тепла q.\, которое полностью расходуется
на испарение, определится как разность между теплом qt и теп-
теплом, идущим на нагревание отходящего продукта из нижней в
верхнюю колонку в количестве 304 кг (см. материальный ба-
баланс), т. е.
c/i ----- 20230 — 0,5 • 304 •-= 20080 ккал/кг.
Отсюда количество образующихся здесь паров обогащенного
воздуха равно:
20С81 .„„
-г:; 469 кг/час.
42,8
Таким образом, всего должно стекать флегмы с нижней пол-
полки в ванну
469 + 304 = 773 к,/час.
3. Дефлегматор. Количество тепла, передающееся че-
через дефлегматор кипящему между трубами последнего кисло-
кислороду верхней колонки, определится как разность между прихо-
приходом и расходом тепла в нижней колонке.
, Приход тепла в н и ж и е й к о л о н к е составляется
только из прихода его с входящим воздухом в количестве
67,3 ккал/кг (см. расчет теплообменника) или 578-67,3 =
= 38900 ккал/час.
Расход тепла в нижней колонке составляется иэ
следующих статей:
а) Тепло, уносимое азотом из карманов в ко-
количестве 28,0 ккал/кг (см. диаграмма 15, точка in).
б) Тепло, идущее с обогащенным воздухом иэ
ванны в количестве 30,0 ккал/кг (см. диаграмма 15).
в) Тепло, передающееся кипящему кислороду в дефлег-
дефлегматоре (?/;;).
г) Теилопотери в окружающую среду, которые
примем в количестве 0,5 ккал на I кг перерабатываемого воз-
воздуха. Это составит 578 -0,5 = 289 ккал/час.
354

Этсюда определим величину q5:
</,, =-- 38900 — B74 • 28,0 -\- 304 • 30,0 + 289) -=- 21700 ккам/час.
Это количество тепла должно быть полностью передано
кипящему кислороду.
В дальнейшем методика подсчета количества образующихся
паров над кипящим кислородом, состав стекающей сюда флег-
флегмы и т. д. ничем не отличаются от подобного расчета для обога-
обогащенного воздуха в ванне нижней колонки (см. расчет греющего
змеевика), за исключением того, что здесь все величины необ-
необходимо брать для давления 1,2 спа. Сделаем только подсчет
количества флегмы, падающей из дефлегматора на верхнюю
полку нижней колонки, так как эта величина необходима будет
для графического расчета тарелок.
Чистота азота в карманах, определенная нами ранее, рав-
равна 99,2% N2 (см. условия примера).
Поскольку азот в дефлегматоре должен конденсироваться
полностью, то такого же состава будет и флегма, стекающая на
верхнюю полку, а также и конденсирующиеся здесь пары.
Температура конденсации азота указанного состава при
5,5 ата равна 95,5° К (см. диаграмма 13, точка «с», или диа-
диаграмма 15, точка «г»), а теплосодержание его 69,2 ккал/кг (см.
диаграмму 15, точка п); температура флегмы также 95,5е К, теп-
теплосодержание ее 28,0 ккал/кг. Следовательно, всего здесь будет
конденсироваться азота:
21700 спг, -
~ 526,7 кг/час,
69,2 — 28,0
из которых 274 кг/час отводится из карманов в верхнюю колон-
колонку и 526,7 —274 = 252,7 кг/час падает в виде флегмы на ороше-.
ни'е нижней колонки.
Число тарелок. Как уже было подсчитано (см. расчет
греющего змеевика), к первой тарелке снизу (из ванны) под-
подходит 469 кг пара состава 25,5% О2 и 74,5% N2. Стекает с этой
тарелки флегмы 773 кг/час, состав которой
40,0-304 + 25,5-469 о,пл/^ со , „, м
: ^Н = 31 '9 /0 °2 И 68>' % Na-
Температура кипения ее равна 98,5° К. Равновесный состав
пара над этой флегмон, т. е. пара, поднимающегося на вторую
полку нижней колонки, будет равен 15,6% Ог и 89,4% N2 (см.
диаграмму 12, точка /я), или, если принять снова, что к. п. д.
тарелки равен 0,75, то истинный состав будет:
31,9 —0,75C1,9—15,6)= 19,7% Оа и 80,3% N2.
23* 355

Сделаем материальный подсчет для второй тарелки, для
чего напишем два уравнения, которые будут справедливы для
/побои тарелки разделительного аппарата (рис. 28):
a) a-j --I- у., ---= у1 + х,, б) хх1х -f- yd\ = f/i^a Л- x.J2,
где Л| приход паров с первой тарелки на вторую в количестве
469 кг/час (см. выше);
/ wx теплосодержание 72,0 /скал/кг (см. диаграмму 15,
точка е);
А'а количество паров, поднимающихся со второй тарелки;
/2 — их теплосодержание 71,5 ккал/кг (точка k);
ijs - количество флегмы, стекающей с первой тарелки,
773 кг/час;
<з -— ее теплосодержание 30 ккал/кг (точка /);
{h — количество флегмы, стекающей сюда со второй та-
тарелки;
i4 — ее теплосодержание, которое, как и в предыдущем
случае (см. расчет греющего змеевика), примем на
0,5 ккал/кг меньше, чем t3. т- е- на нагревание этой
флегмы до температуры кипения ее на первой тарелке
расходуется 0,5 ккал/кг; отсюда ц = 30—0,5 =
= 29,5 kkuj 'г.
Подставив эти знач^ия Ху, i\, х2 и т. д. в уравнения (а) и (б),
•молучим:
а) 409 -{- у, =-773 + х2,
б) 72,0 ¦ 469 + 29,5 у2 - 30 • 773 т 71,5 х,.
Речная эти два уравнения, находим:
х,, — 465 кг/час; у.2 — 769 кг/час.
Следовательно, со второй тарелки стекает флегмы 769 кг/час,
состав которой определится:
9>7% Ог и 7>3% 2_
769
Температура кипения ее равна 98,2° К (см. диаграмма 13), и
равновесный состав газовой фазы, т. е. пара, поднимающегося
на третью полку, равен 14,5% О2 и 85,5% N2. Отсюда при к. п. д.
тарелки 0,75, пар имеет следующий действительный состав:
29,7 — 0,75B9,7—14,5)= 18,3% О2 и 81,7% N2.
Идя таким образом от тарелки к тарелке, можно аналитичес-
аналитически подсчитать шеобходимое число их для получения азота лю-
любой чистоты. Однако вследствие длительности вычислений этот
метод подсчета отнимает много времени, поэтому применим
здесь графический метод подсчета числа тарелок.
:M6

Нижняя колонка. Берем из диаграммы 12 равновесную
кривую для 5,5 ата (рис. 29, кривая А). Затем, нанеся диагональ
В, проводим от точки а (точка пересечения диагонали с линией
100
90
SO
Содержание 02 s жидкости, "/,
70 ВО 50 10 30
3-
;;
i
70
SO
50
40
30
У
Уторепка
0 10 ?0 30 W 50 SO TO 80 30 100
Содержание Мг в жидкости, %
Рис. 2ii. Графический подсчет числ.ч тлрелик нижнем колонны
состава конденсирующихся в дефлегматоре паров азота) раби
чую линию ab так, чтобы она отсекала на оси ординат отрезок,
равный:
«фл- -г !
где Ьп — содержание азота (в молярных долях) и жидкости
карманов или, что то же, во флегме, падающей на
верхнюю тарелку; по условию чистота азота здесь
равна 99,2% N2, т. е. Ь2 = 0,992;
ПфЛ. — отношение количества флегмы, падающей на верх-
верхнюю полку, к количеству отходящего отсюда продук-
продукта. Из предыдущего известно (см. расчет греющего
357

змеевика ванны нижней колонки), что азота из кар-
карманов отбирается 274 кг/час, а поступает на ороше-
орошение 252,7 кг/час.
Отсюда
252,7
Следовательно,
у = —^--^— = 0,52.
0,916 + 1
Таким образом, линия ab является рабочей линией для части
колонки выше входа в нее воздуха, состав которого: 21% С>2 и
79% N2.
После этого строим рабочую линию той части колонки, кото-
которая находится ниже точки питания ее воздухом. Для этого точ-
точку к (пересечения рабочей линии ab с ординатой состава возду-
воздуха, питающего колонку) соединяем с точкой т (пересечения
диагонали В с ординатой состава отходящего из колонки обога-
обогащенного воздуха). Таким образом, получаем рабочую линию
кт для части колонки ниже питания ее воздухом. Затем от точки
а по рабочим линиям и равновесной кривой наносим прямоуголь-
прямоугольные треугольники, как это показано на рис. 29. Получаем теоре-
теоретическое число тарелок, равное 10; фактическое же (при к. п. д.
колонки, равном 0,75) число их будет «13.
Из рис. 29 видно, что ордината для воздуха пересекает третью
тарелку, значит, воздух следует дросселировать (подавать) на
/ 3
четвертую тарелку =
Примечание. Можно было бы также определить фактическое число
тарелок ииносредстиенио графически. Для этого вместо рашклк-споп криной
нужно вычертить фактическую кривую, которая будет проходить между
диагональю В и кривой А на расстоянии 0,75 от первой. Но это удлиняет вре-
время подсчета. Преимущество таким образом построенного фактического гра-
графика заключается лишь в том, что по нему можно быстро судить о составе
жидкости и пара, а следовательно, и о температуре на каждой полке колон-
колонки. Построение фактического графика в остальном ничем не отличается от
теоретического.
Верхняя колонка. Наносим равновесную кривую для
1,2 ат'а (рис. 30), проводя диагональ и линию питания mil. Преж-
Прежде чем наносить рабочие линии, подсчитаем все необходимые для
этого величины.
а) Количествоотбираем ого азота равно 440 кг/час,
чистота его 99,8% N2. Наносим на диагонали, как и в предыду-
предыдущем случае, точку а, соответствующую этому составу.
358

() Количество жидкого азота, переходящего из кар-
карман )в на орошение верхней колонки равно 274 кг/час. Так как
лзот дросселирует до 1,2 ата, то по Т — 5-диаграмме для азота
(см. диаграмму 5) находим, что в результате этого 16% азота
испаряется. Следовательно, на верхнюю полку поступает флегмы:
274A —0,16) = 230 кг/час.
Отсюда рабочая линия колонки выше ее питания обогащенным
воздухом будет отсекать отрезок на оси у, равный:
0,998 пгг
у = ---; 0,65.
230
440
Проводим рабочую линию до пересечения ее с линией питания
(точка Ь).
а) С о с т а в отбираемого кислорода (в виде газа)
по заданию: 96% О2 и 4%N2. Следовательно, жидкая фаза (см.
диаграмма 13), имеет состав: 98,6% О2 и 1,4% №. Наносим на
диагонали (рис. 30) точку, соответствующую этому составу, и
соединяем ее с точкой Ь. Затем по предыдущему строим по рабо-
рабочим линиям и равновесной кривой прямоугольные треугольники.
Последних оказалось 25. Следовательно, при к. п. д. тарелок,
25
разном 0,75, действительное число их составит =34. Из
0,75
g
графика видно, что питание колонки должно быть на —- =12,
т. е. па 12-й тарелке.
Примечание. При нормальном и правильном ходе расчета необхо-
необходимо, ч]'ш")|,1 рабочая .'шипя пересек;!, iи липши питания ниже равновесной кри-
кривой. В случае же, если при построении ее окажется, что она линию питания
пересекает выше рашюнеспоп кривой (например, и точках d, cut. д. рис.30),
то это очпачаег, что флегмы для ее орошения не хватает, так как в уравнении
для у мало значение «фл . Таким образом, требуемый или принятый состав
азота получаться не будет. Для того чтобы линии аЬ и mh (рис. 30) пересе-
пересекались нормально, т. е. ниже равновесней кривой, необходимо: I ) снизить
чистоту отбираемого азога. т. е. перенести точку а по диагонали ниже; одно-
одновременно с этим уменьшится и величина у, или же 2) увеличить количество
флегмы, т. о. азота, поступающего из карманов, для чего можно снизить
давление в нижней колонке, но только до такого предела, чтобы разность
температур между конденсирующимся злотом в дефлегматоре (Г,) и кипя-
кипятим кислородом между его трубками (Т*) составляла не меньше 1.5—2°
Пример 3. Определить количество и состав продувочных
газон, находящихся в цикле спнтеча аммиака, если содержание
метана и них не должно быть больше 5%, а содержание С1Ц в
лзото-водородпои смеси, поступающей в колонку синтеза, разно
0,4°/с. Давление в системе 800 ага; газы при выходе из холодиль-
359

ника (для выделения NH3) имеют температуру 16° С (см. схему,
рис. 31).
Содержание Ог в жидкости, %
ЮО 90 80 70 SO 50 ЪО 30 20 Ю О
10
100
SO 30 40 JO SO 70 SO Si
Содержание Мг 8 жидкости, %
Рис. 30. Графический подсчет числа тарелок верхней колоьяы
Решение. Подсчет ведем на 1000 м? азото-водородной сме-
смеси. В 1000 мъ азото-водородной смеси содержится 996 мл водо-
водорода и азота (в отношении 3 : 1) и 4,0 м3 СН4. Это составит:
_^L -^ 44 46 кг-моль (Н, -ГЗН,) и ~4— -= 0,18 кг-моль СН4.
22,4 " 22,4
Продувка производится после колонны синтеза и выделения
из газовой смеси аммиака при температуре 16° С. Таким обра-
образом, продувочные газы содержат метан в количестве 5% (см.
условия задачи), часть аммиака, оставшегося в газе после холо-
360

дильника и азото-водородную смесь, не прореагировавшую в
колонне синтеза.
Так как в цикле не должно накапливаться метана больше 5%,
го отсюда следует, что весь СН4 в количестве 0,18 кг-моль на
1000 м'-> смеси, поступающей со свежей азото-водородной смесью
Циркуляционная смесь
СВе/кая азото-
водородная смесь
(Р = в00ата)
Колонна
синтеза
Холодильник
ПродуВочныс
газы
ратор^С
Сепаратор
Рис1. 31. Схему цикла синтеза аммиака (к примеру 3 и 4)
должен уходить с продувочными газами. Отсюда количество про
дувочных газон будет равно:
100 ¦ 0,18 о
х ----- 3,60 кг-моль.
5
Это составит 22,4-3,60 = 80,6 м3 их на каждые 1000 м3 свежей
азото-водороднон смеси, поступающей в колонну синтеза.
Концентрация NH3 в продувочных газах будет равна концепт
рации паров его над жидким аммиаком после выделения послед
него в холодильнике, так как NH3 ввиду низкого давления его
паров конденсируется не полностью, а частично уходит с газами.
Зависимость концентрации NH3 от давления и температуры в
присутствии азото-водородной смеси над жидким аммиаком
дается диаграммой (рис. 32). Из последней находим, что при
давлении 800 ата и температуре 16° С концентрация NH3 в газ*1
равна 4%.
Таким образом, общее количество продувочных газов равш
3,6 кг-моль, или 80,6 м3 на 1000 м3 свежего газа. Состав проду-
продувочного газа: 5% СН,,, 4% NH3 и 91% CH2 + N2).
Пример 4. Составить материальный баланс цикла синтеза
NH3, изображенного на рис. 31, если: а) давление в системе
800 ата, б) состав свежей азото-водородной смеси: 74,6% Н2,
24.9°/з №, 0,5% СН4; в) содержание СН4 в продувочном газе

5,0 *; г) циркуляционная смесь и продувочные газы имеют тем-
температуру 16° С; д) содержание NH3 в газовой смеси после син-
синтеза равно 25% **. При расчете растворимостью газов в жид-
жидком аммиаке пренебречь.
Рис. 32. Содержание NH3 над жидким аммиаком в присутствии
азото-водородной смеси в зависимости от температуры и дав-
давления
Решение. Расчет ведем на 1000 м3 свежей смеси, с которой
поступает:
746
Н2 -—— = 33,30 кг-моль
249
N» = 11,12 •
99 4
CFI, —-— =-= 0,22 »
1 22,4
Итоги . . . 44,64 кг-мол'1
а) Количество и состав продувочных, газов
определяются так же, как это было указано в примере 3:
* Продувочные газы содержат в cofie также Аг и другие благородные
газы. По для простоты подсчетов их обычно во шьммлпие пи принимают,
включая их и общее содержание СН4.
** Состли га:«)ной смеси мс!Ж1!0 определит!, также на оепоиаппи кон-
константы раг.понесия (Л'р), которую можно иммислить для Р=--800 ата, приняв
температуру синтеза 450—500° С (см. табл. 24),
362

* — '— =4,4 кг-моль продувочных газов на 1000 л*3
и
свежен смеси. Содержание NH3 в них при Р = 800 ата и t = 16° С
равн:> 4% (см. рис. 31). Следовательно, состав продувочных га-
зог;: 5% СН4, 4% NH3 и 91% CH2 + N2). Количество их на
1000 л/.3 азото-водородной смеси равно 4,4 кг-моль. Отсюда на
1000 м3 смеси продувается газа, т. е. выходит последнего из
цикла:
5 ¦ 4.4
О14 0,220 кг-моль
4-4,4
NI1' "W = o>176 '
91 ¦ 4,4
Смеси [[., и N... .... ^4,004 »
100
Итого . . . . 4,400 кг-моль
б) Количество циркуляционной смесив цикле
(у кг-моль или 22,4 у м3) и количество газа, выходящего из ко-
колонны синтеза B кг-моль) па 1000 м3 D4,64 кг-моль) свежей
смеси, определится из следующего.
Циркуляционная смесь, так как и продувочные газы, состоит
из СН4, NH3 и смеси (H2 + N2;.
Пели обозначим через:
а — число кг-моль С114 па у кг-моль циркуляционной смеси
в — » » NH3 » у » » »
с— г » 3ir2 -)- N2 па у кг-моль циркуляционной смеси
го количество определится:
у = (а -\- b ~f- с) кг-моль.
Количество же газовой смеси при выходе из колонны (г кг-моль)
составится из: 1) циркуляционной смеси, постоянно находящей-
находящейся в цикле, равной у кг-моль; 2) продувочных газов в количест-
количестве 4,4 кг-моль; 3) жидкого аммиака, полученного в холодильни-
холодильнике и выводимого из цикла через сепаратор; обозначим его через
d кг-моль.
С другой стороны, количество газовой смеси (z кг-моль) сос-
составится из суммы объемов: 1) циркуляционной смеси в цикле,
равной у г-моль; 2) свежен ачото-водородной смеси, равной
44,64 кг-моль; 3) минус уменьшение объема газа в процессе
синтеза.
Согласно уравнению реакции синтеза аммиака (ЗНг + М2 =
— 2NH3) из 2 кг-моль азото-водородной смеси образуется
363

1 кг-моль NH3. Следовательно, если обозначить через е количе-
количество кг-жоль образовавшегося в колонне NH3, то и объем газо-
газовой смеси после реакции уменьшится иа г кг-моль.
Таким образом, получаем:
а) 2 = (у + 4,40 + d) кг-моль или б) г ^ (у + 44,64 — с) Кс -молг.
Отсюда имеем:
у =- D,40 -i- d) = {у + 44,64 — е) или d =¦- 40,24 — с,
где d-—число кг-люль жидкого NH3, выводимого из цикла череч
сепаратор;
с — число кг-моль жидкого NH3, образующегося при син-
синтезе.
Но весь процесс синтеза протекает таким образом, что коли-
количество аммиака, образующегося в колонне (е кг-моль), должно
быть равно количеству его, выводимому в процессе всего цикла.
Из предыдущего известно, что весь аммиак выводится из цикла
через сепаратор (d кг-моль) и с продувочными газами
@,176 кг-моль). Отсюда
е — (d -f- 0,176) кг-моль или d = (е — 0,176) кг-моль.
Кроме того, из предыдущего известно, что
d = D0,24 — е) кг-моль.
Приравниваем полученные уравнения друг к другу:
D0,24— е) = (с — 0,176),
откуда
е =-= 20,208.
Следовательно, при синтезе образуется 20,208 кг-моль NH3;
жидкого аммиака при этом получится:
d = 20,208 — 0,176 = 20,032 кг-моль.
Определим количество газовой смеси на выходе из колонны
(г кг-моль) и количество циркуляционной смеси (у кг-моль).
Из предыдущего известно, что в газовой смеси содержится
25% NM3 и в циркуляционном газе (так же, как и в продувоч-
продувочном) 4% NH3.
Все количество NH3, содержащееся в газовой смеси B5%),
распределяется в дальнейшем ходе процесса следующим обра-
образом:
а) выводится из цикла через сепаратор в виде жидкого NH:
(аммиака-продукта) в количестве 20,208 кг-моль.
б) выводится из цикла с продувочными газами 0,170 кг-моль.
в) уходит с циркуляционной смесью Ь кг-моль.
364

( тсюда общее количество NH3 определится:
NH3 -- 20,032 + 0,176 + Ь = B0,208 + Ь) кг-моль.
Это количество NH3 должно составить 25% по отношению ко
неон смеси (г кг-моль). Отсюда
г = 100B0.208+^
2Ъ
С другой стороны, содержание NH3 в циркуляционной смеси
составляет 4%, а всего смеси получается у кг-моль. Отсюда
у — = 25 о кг-моль.
Вычитая одно равенство из другого, получим:
а) г— у = 4B0,208 -+ Ь)— 25 b -= 80,832— 21 ft.
Выше мы имели
г =--- t/ + 4,4 + d --¦= у + 44,64 — с.
Подставляем сюда d = 20,032 и е = 20,208 (см. выше)
б) z — y = 24,432.
Решая совместно равенство (а) и (б), получим:
2-у =.-80,832 —21 Ь
__ г —у = 24,432
80,832 — 216 -- 24,432 '
¦¦откуда
, 56,4 ~ Г„,.
b —¦ -= 2,68о кг-моль,
21
г. е. в циркуляционной смеси постоянно находится 2,686 кг-моль
NHn. Количество же этой смеси равно:
у --= 25 • 2,686 - 67,150 кг-моль,
¦л количество газовой смеси после колонны синтеза:
г ==4B0,208 + 2,686) ¦-- 91,586 кг-моль.
Проверим правильность подсчета. Количество газовой смеси
(г) на выходе из колонны должно равняться количеству цирку-
циркуляционной смеси, плюс количество получаемого продукта амми-
аммиака (d), плюс количество продувочных газов D,40 кг-моль), т.е.
z ¦¦:-¦ y-\-d-'- 4,40 или 91,586 =67,150 -f 20,032-|- 4,40 -- 91,582.
Расхождение на 0,004 кг-моль получилось вследствие округле-
округления цифр предыдущих подсчетов.
365

Проверка баланса метана: Количество циркуля-
циркуляционном смеси в системе равно 67,150 кг-моль с содержанием в
ней 5,0% метана. Отсюда количество СН4 в смеси определится:
100
В газовую смесь после колонны синтеза идет метан с цирку-
циркуляционном смесью в количестве .'1358 кг-моль и со свежей сме-
смесью 0,22 кг-моль, а всего 3,578 кг-моль CI Ц.
Всего имеем газовой смеси 91,586 кг-моль. Следовательно, в
ней содержится:
±™i™- = 3,90/0 сн,
91,586
Итак, получаем следующие результаты подсчета,
а) Поступает в цикл свежей азото-водороднои смеси 1000 мд,
или 44,64 кг-моль. Состав ее:
ЗН., -(-N2 44,42 кг-моль, или 99,5%
СЛ\\ 0,22 » » 0,5%
Итого . . . 44,04 кг- коль, пли 100,0%
б) Циркуляционная смесь, находящаяся в цикле, составляет
67,15 кг-моль, или 67,15-22,4=1500 м3. Состав ее:
311.2 -f- N.. -.61.11,3 кг-моль. или 91,0%
С114 . " 3,358 » » 5,0%
NII3 2.G86 » » 4,0%
Итого . . . 67,157 кг-моль пли 100,0%
в) Поступает в колочшу синтеза 67,157 + 44,64 = 111,8 кг-моль.
или 111,8-22,4= ~ 2500 м3 газа. Состав его:
ЗП4+М2 44.42 +61 ,113 -= 105,533 кг-моль, или 94,4%
СН4 0,22-|- 3,358= 3.578 » » 3,2%
МПз 2,686 » » 2,4%
Итого 111,800 кг-моль или 100,0%
г) Получается газовой смеси на выходе из колонны 91,586 кг-
моль, или 91,586-22,4 = 2050 м\ Состав ее:
3H2 + N2 91,586 — 3,5775-22,888 = 65,110 кг-моль
или 71, 1%
СН4 3,578 кг-иоль
или 3 9%
NH3 2,68 + е = 2,68 + 20,208= 22,888 кг-моль
или 25,0%
Итого 91.57G кг-моль,
или 100,0%
366

д) Выводится аммиака через сепаратор 20,032 кг-моль, или
20,022 - 17,0 = 34] кг.
е Продувочных газов получено 4,40 кг-моль, или 4,40-22,4 =
= 98,6 л/3. Состав их:
31Г2-|-Ы 4,004 кг-моль, пли 9\ ,0%
Nll3 . '. 0. 176 » » 4.0%
СП, ..... 0,220 » » 5,0%
Итого . . . 4,400 кг-моль пли 100,0%
Таким образом:
а) на 1000 л,1'1 азото-водородной смеси получаем 20,208 • 17,0 =
= 344 /\V аммиака, из которых 341 кг его отводится в виде ко-
конечного аммиака-продукта (жидкого) и 3 кг — с продувочными
газами;
б| количество газа, проходящего через колонну, равно
2500 м];
в) расход азото-водородпон смеем на 1 т жидкого аммиака
равен:
JM^L. ,930 лг<;
341
г) входит в колонну свежей азото-водородной смеси (без ме-
метана) 4-4,42 кг-моль, из которых теоретически можно получить
44 49
—i_r._ =:22,21 кг-моль МН3; практически же получено аммиака-
продукта 20,032 кг-моль.
Отсюда, степень использования азото-водородной смеси оп-
определится:
20.032^
22,21
Остальные 9,8% теряются в цикле.
Пример 5. На основе данных предыдущего примера 4 со-
составить тепловой баланс колонны синтеза аммиака и подсчитать
температуру газов на входе в реакционное пространство и при
выходе из колонны синтеза. При расчете принять: а) температу-
температуру газовой смеси при выходе из реакционного пространства рав-
равной 530° С; б) потери тепла в окружающую среду равными 5%
от теплосодержания газа после реакции *.
* Для более точных подсчетов тепловой эффект реакции, а также зна-
значения теплоемкости нужно брать для тех условий, при которых ведется син-
синтез NH3, т. е. в данном случае при Я = 890 ата и / = 530° С. В разбираемом
примере для простоты расчета берем и тепловой аффект реакции, и теплоем-
теплоемкости при Р—\ ата. Кроме того, для теплового эффекта мы берем таблич-
табличное его значение (при t = 20° С); введенные упрощения в результате подсче-
подсчетов дают некоторую ошибку.
367

Решение. Расчет ведем на 1000 mj свежей азото-водород-
ной смеси. Количество газов (см. пример 4):
Поступает в колонну синтеза кг-моль Выходит из колс.нт.: < нт i-зи кг-мойь
NH3 2,68 NM3 22,89
Н4 105,533 ¦ 0,75 = 79,13 Ht 65,110 ¦ 0,75 48,83
N, 105,533-0,25 = 25,40 N2 05.110-0,25-16,28
CH4 3,58 CH4 _ _3.S«
~ Итого ... 111,79 Итого .... 91,58
Таким образом, получается и колонне 111,79—91,58 =
= 20,21 кг-моль NH3.
Отсюда на 20,21 кг-моль полученного NH3 выделяется тепла
0,5N2 4- 1,5Н2 = NH, -I- 11000
ql --= 11000 • 20,21 --- 222300 ккал.
Количество тепла, которое несет с собой газ при выходе из
реакционного пространства, определится (температура газа
530° С; значение Ср берем из табл. 10):
NH3 22,89 ¦ 10,44 ¦ 530 = 127000 ккал
Н., 48,83- 7,02-530=182000 »
N2 16,28- 7,22 • 530 = „62000 »
СН4 3,58 ¦ 12.14 • 530=|-23300 »
Итого 394300 ккал
Потери тепла составляют: *
394300 ¦ 5 . ,„пг.
а2 — 19700 ккал.
4 100
1 еплосодержание газовой смеси при входе ее в реакционное
пространство колонны синтеза определится:
qa =¦ 394300 — 222300 + 19700 ¦-. 191700 ккал.
Это количество тепла газовая смесь получает в теплообменнике
от прореагировавшего газа.
Составим тепловой баланс колонны на 1000 м3 свежей азото-
водородной смеси.
* Теплопогери можно подсчитывать на основании (аконон топ.ишередачи,
но это выходит за .пределы настоящей книги. Методы подобных подстегав
рассматриваются ,в специальном разделе курса расчетом-аппаратуры.
:S68

Приход
статья прихода
Расход
1. Теплота реакции . . . .
2. Топло, поручаемое газом
в теплообменнике . . .
И то г о
количест-
количество, ккал
статья расхода
222300
191700
414000
1. Тепло, отдаваемое проре-
прореагировавшим газом в теп-
теплообменнике
2. Тепло, уносимое газом из
теплообменника (вычисле-
(вычислено по разности) q3 — q.,
3. Потери тепла в окружаю-
окружающую срелу
Итого . . .
количест-
количество, ккал
191700
202600
19700
414000
Подсчитаем температуру газов (рис. 33) методом интерпо-
интерполяции
Прореагировавший газ. Газ при Входе В реакционное
t * S30°C \ 1 пространство.
Газ при Входе в f у Прореагировавший,
колу^'0°С t 20°C
Рис. 33. Схема теплообмена между газами
н теплообменнике колонны синтеза ам-
аммиака (к примеру 5)
Теплосодержание газов при входе в реакционное простран-
пространство ц~ 191700 ккал. Теплосодержание их (см. табл. 16):
При 200" С При 3 00° С
NH3 . . . 2,68-1803= 4840 к кал N!I3 . . . 2,68-2816--= 7540 ккал
II, . . . 79,13 1388=109/00 » II 79.13- 2088= 165000 »
N2 ... 26,40- 1386= 3G600 » N, . . .26,40-2102= 55600 »
СИ4 . . . 3,58- If93 = 6780 » CII4 . . . 3,58-3053=-= 10810 »
Итого . q' = 157920 киал
Таким образом, имеем:
Итого . . .<;¦' = 239950 ккал
Отсюда находим ty.
а"—ц' -81030 ккал;300а—'200° -= 100°; Д/= J®™°—'M. = 42°G
81030
* Для простоты расчета мы принимаем температуру газа при вхиде а
колонн/ (^) разной 0° С. на еа-мом деле она обычно равна 15—20° С.
24 С. Д. Бесков 369

q ¦- q' = 33780 ккал; /3— 200 = Л г,
(, = 200 -г 42 = 242T..
Определяем ^, (рис. 33). Теплосодержание прореагировав-
прореагировавшего газа на выходе из колонны ** Ц\ = 202600 ккал. Теплосо-
Теплосодержание этого газа (см. табл. 16):
При 300 "С
NH3 - • .22.89-2816= 64500 ккал NH:j
II, . . . 48,83 2088 = 10A000 » И., .
N; ... 16,28 2102- 34200 » N2 .
СН4 . . 3,58-3053= 10810 » СН4
При 200 "С
. 22,89- 1803=41300 ккал
. 48,83 ¦ 1388 = 67700 »
. 16,28 • 1386 = 22600 »
. 3,58 • 1893 = 6780 »
Итого . . <?" = 209510 ккал
(q'i — q\ ) = 72130 ккал;
(q — qx) = 65220 ккал; t — 200 = A t
Итого . . q' = 137380 ккал
300—200 = 100
Отсюда
Нитрозные газы
(NO,o],NhH2O)
1
72130
tl --= 200 + 90 = 290°C.
Пример 6. Нитрозные га-
газы при выходе из конвертора
имеют состав: 9% NO, 7% О2.
70% N2 и 14% Н2О. Проходя
холодильник, они охлаждают-
охлаждаются до 30° С. В результате этого
за счет конденсации части во-
водяных паров, окисления NO и
?_азотная | | Нитрозные газы NO2 и вследствие поглощения
•¦ •¦ -' NO2 сконденсированной водой
получается 40-процентная азот
ная кислота (рис. 34). Подсчи-
Подсчитать состав нитрозных газон
после охлаждения п количест-
количество полученной HNO3.
Решение. Расчет ведем на 100 кг-моль B240 мъ) нитроз-
нитрозных газов. Схематически процесс образования азотной кислоты
можно представить следующим образом:
1) Н2О (газ) -> Н2О (жидк.),
2) 2МО + Оо -> 2NO2,
3) 3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO,
* Теплообменник обычно бывает расположен в самой колонне. По,гом\
выражение «газ на выходе из колонны» означает, что газ здесь пршшм !<\i-
лообменник.
370
кислота
Рис. 34. Схема прохождения нитроз-
нитрозных газов через холодильник (к при-
примеру 6)

или
2N0 + 1,50, I HoO ->¦ HNO2.
И 100 кг-моль нитрозных газов содержится (состав см. вы-
выше): 9,0 кг-моль N0, 7,0 кг-моль О2, 70,0 кг-моль N2 и
14,0 кг-моль Н2О.
Часть водяных паров, содержащихся в этих газах в холо-
холодильнике конденсируется и этот конденсат идет на процессы об-
образования: а) моногидрата HNO3 и б) 40-процентного раствора
HNO3.
Обозначим через г число кг-моль сконденсированной в холо-
холодильнике Н2О, а через s — число кг-моль Н^О, вступивших в
реакцию образования HNO3, тогда (r—s) кг-моль или (г—s)
18 кг И2О останутся в растворе и должны составить 60% в полу-
полученной кислоте.
Согласно реакции образования ЬШОз на s кг-моль Н2О по-
получается 2s кг-моль, или Bs -63) кг HNO3. Отсюда количество
40-процентной HNO3 определится:
[2.s -63+ 18B—s)| кг.
Составляем пропорцию: 100 кг азотной кислоты содержат
40 кг HNO3, [2s-63+18 (г—s)]k2 ее содержат 2s-63 кг HNO3.
Отсюда
100 • 2.s- 63 = 40[2s- 63+ 18(г— s)], или s = 0,087 г кг-моль.
Количество NO, пошедшей на образование HNO3, равно:
2s = 0,174 г кг-моль.
Получается при этом 2s кг-моль HNO3. Количество кислоро-
кислорода, пошедшее на образование HNO3:
-¦ ¦ - s = 0,1305 г кг-моль.
Нитрозные газы после холодильника будут иметь следующий
состав:
NO 9—0,174 г кг-моль
О2 7 —0,1305л »
N2 70,0 в
Н& 14 — г >
Итого . . 100— 1,3045г кг-моль
Для окончательного решения задачи необходимо знать дав-
давление паров Н2О над 40-процентной азотной кислотой или кон-
константы равновесия процессов, идущих в холодильнике *. При
? = 30° С и Р=\ ата давление паров Н2О над 40-процентной азот-
* Применение констант равновесия при расчете мы здесь не приводим,
так как эгш метод хотя и точнее, но более сложен (,в нем учитываются та.ч
же образование NO2 и N2O4).
24* 37:.

о
CD
3
S S
§ I
"О —
"О
й а
О
о
' о
2
О
fe
Н
О
н
о
о
о
-i
и
СО
tr
X
о
CD
5=)
СО
сз
¦ W
о
5а ш
1 9
о ^
н —
Е 5
о и >э
Н LO Ы
н — —
^ ^ —
^ О =
!
Давление, мм от cm
4N
\
\
S
s
\
ч
кч
\
\
ч
\
ч
V
ч
Ч
S
ч
4
ч
ч
ч,.
ч
Ч
ч
ч
ч
ч
¦ч
^-ч
\
¦ч
ч^
^ч
^ч
^¦ч
^ч
"^
^ч^
ч
¦^
"*ч
¦ч.
^ч
ч.
\
^ч
ч
¦-ч
"^ч
—
*ч,
ч«.
Ч
Ч.
,
*^
"ч,
ч^
¦ч.
ч.
Ч
ч
ч>
—.
-^
~>
~»
-^.
^^
Z
ч«,
ч«
-^
-ч
ч.
<7
ч«
—
—
—
ч.
ч.
ч.
ч.
ч.
34
-
%
-г-
L
t
¦^-.
¦»«¦
"л
*•»
**.
—.
**+
¦^,
•»«.
-ч^
—^
X
К
Я
S
н
о
со
ж
Е
X
со
о
сз
я
о
о
со
X
о
о
5а
S
сг
К
К
X
5а
о
э
¦о
о
CD
я
н
о
о
S
г.
01.
о
Si
¦о
со
о
КО
с
тз
н
г:
тз
S
р
00
Сл
ь
S
о
со
5=1
со
CD

парои Н.;О B0 мм рт. ст.) равно ата\ при Р ата давление
760
760
парои Н2О составит
р/ И-г
Отсюда
\ 100— l,3055r / 760
Решая это равенство, получим:
г . 11,77 кг-моль
Определим состав нитрозных газов после их охлаждения:
N0 9 —0.174 ¦ И ,77-¦¦¦¦ 6,95 кг-ноль, или 8,21%
О2 7 —0,1Ж)-г>- 11,77 --¦- 5.4о » » 6,45%
N., 70 » » 82,74%
Ы.,0 - 14,0--- 11,77 ^ 2,23 » » 2,60%
Итого 84,64 кг-моль, или 100,0";,
Количество образовавшегося моногидрата IINO3 определится:
2s -¦= 0,174 :¦= 0,174 • 11,77 ,-- 2,05 кг-моль,
или
2,05 • 63,0 - 129,2 кг,
что составит:
I9Q 2 • 100
——'- =324 кг 40-процентной азотной кислоты на
100 кг-моль нитрозных газов, поступающих в холодильник.
Пример 7. На основе данных примера 6 составить тепло-
тепловой баланс холодильника для нитрозных газов, поступающих из
конвертора, если температура raja перед холодильником 180° С,
после него 30° С; температура отходящей кислоты 30° С; концен-
концентрация ее 40%. Подсчитать также расход воды на охлаждение,
если температура входящей воды 5° С, выходящей 75° С.
Решение. Расчет ведем на 100 кг-моль нитрозных газов.
Приход тепла в холодильнике составится из следующих статей:
1. Тепло, идущее с ннтрозными газами при температуре
180°С (qx).
2. Теплота образования разбавленной HNO3 (qi), которая
составляется из теплоты окисления NO в NO2, теплоты абсорб-
абсорбции NO2 водой и теплоты разбавления HNO3 до концентрации
равной 40%. Без особо грубой ошибки величину д? можно под-
подсчитать по теплоте образования не моногидрата HNO3 (жид-
(жидкой), а разбавленной HNO3 (см. табл. 17) *.
* Величину теплоты разбавления можно подсчитать по формуле G56)
(стр. 125).
37*

3. Теплота конденсации водяных паров (<?3).
Статьи расхода:
4. Тепло, уносимое нитрозиыми газами при 30е С (^4) •
5. Тепло, уносимое 40-процеитной азотной кислотой при 30° С
ш.
6. Тепло, передаваемое газами охлаждающей воде в холо-
холодильнике (*?б).
7. Потери тепла в окружающую среду (q?); примем q7 рав-
равной 2% от общего количества прихода тепла.
Приход:
1. Теплосодержание нитрозных газов (<7i).Hht
розные газы, состав которых берем из предыдущего примера не-
несут с собой тепла при 180°С (теплоемкости взяты по табл. 10
для 200° С):
NO 9 • 7,03 • 180= И 460 ккал
О2 7 • 7,17 • 180 = 9040 »
N, 70-6.93-180 = 87 200 »
HjO 14 • 8,07 • 180 = 20 300 »
Итого ... <7, -- 128000 ккал
2. Теплота образования разбавленной HNO3
(q2) определится *
2NO + 1,5О2 + Н2О = 2HNO3 + q2
—2 -21600 57 850 2 • 49 100 -[- q\
Отсюда
q\ = 98 200 —E7 850 — 43 200) -= 83 550 ккал на 2 кг-моль HNO:,.
или на 2,05 кг-моль HNO3 A00 кг-моль нитрозных газов):
<7а = 83 550 ¦ -^- = 85 640 ккал.
42 2,0
3. Теплота конденсации водяных паров (<73)-
Всего водяных паров конденсируется г= 11,77 кг-моль. Из них
вступило в реакцию s= 1,025 кг-моль Н2О, теплота конденсации
которых учтена при расчете теплоты образования HNO3, так как
при расчете q2 была взята теплота образования газообразной
Н2О (см. статью 2 прихода). Таким образом, в данном случае
необходимо определить теплоту конденсации только 11,77—
—1,025 = 10,745 кг-моль, или 10,745-18,0=194 кг Н2О.
* Теплоту образования берем для газообразной воды, так как вначале
процесса при 180" С вода находится в виде паров. Температурную зависи-
зависимости тепловых эффектов мы здесь не учитываем, так как в общем тепловом
«балансе это вызовет ошибку не больше 0,1%.
374

Теплота парообразования (а следовательно, и теплота кон-
конденсации) Н2О равна 538,9 ккал/кг (см. табл. 15). Следователь-
Следовательно, при конденсации 10,745 кг-моль НгО выделится тепла:
10,745 • 18,0 • 538,9 = 104 550 ккал.
Таким образом, приход тепла определится:
QnpHx = 128 000 + 85 640 + 104 550 = 318 990 ккал
Расход:
4. Тепло (д4), уносимое нитрозными газами
при 30° С (теплоемкость газов см. табл. 10; количество их после
охлаждения см. предыдущий пример 6):
NO 6,95-6,92-30= 1 440 ккал
О2 5,46 ¦ 7,07 ¦ 30 = 1 160 »
No 70,0 . 6,85 • 30 = !4 400 »
Н,О 2,23 ¦ 7,91 • 30= 530 »
Итого . . • <74 ~ 17 530 ккал
ft. Тепло, уносимое 40-п р о ц е и т и о й азотной
кислотой при 30° С (q?>), определится из следующего. Тепло-
Теплоемкость 40-процентной HNO3 равна 0,69 ккал/кг (см. рис. 10,
стр. 97). Всего отходит из холодильника 324 кг азотной кис-
кислоты.
Отсюда
<75 = 324 • 30 ¦ 0,69 = 6710 ккал.
6. Тепло (<7б), передаваемое газами охлаж-
охлаждающей воде, определится из уравнения баланса
<Эпрнх. = ^расх. = Я 4 + Чь + <?6 + Я?>
или
= 318 1?0 = ]7 530 + 6710 + <7в + qv
Откуда
<?б + <77 = 233 950 ккаг.
7. Потери тепла в окружающую среду G7)
составляют 2% от всего количества тепла, поступающего в холо-
холодильник:
д7 = 0,02 • <2прих = 6380 ккал.
Отсюда <7б определится
q6 - 293 950 — 6380 = 287 570 ккал.
Таким образом, охлаждающая вода должна получить от га-
чов 287570 ккал тепла. Отсюда количество ее определится:
q6=M •c(tl — t2), или 287 570 = М ¦ \ G5 — 5),
375

откуда
М =4108 кг(—4,11 т) вэды.
Сведем результаты теплового баланса холодильника в табли-
таблицу (см. также рис. 36).
Приход
С нитрозньши газами
%
Образование ИЩ, 27,0%
Конденсация
воды 32,7%
Итого /00%
О
318190 ккал
Расход
С кислотой 2,1%
С нитрозньши газами S,5%
Гел/ro потери 2,0%
Передача охлаждающей.
Sхолодильнике ваОы90,4%
Итого /00%
Рис. 36. Схема теплового баланса холодильника нитрозных
газов (к примеру 7)
Приход
статья приходм
1. Нитрозные гязы
2. Образование 40%-
noii HNO.-, . . .
3. Конденсация водя-
водяных паров . . .
И г ого
ккал
на Ш0
кг-моль
газа
Расход
I28000
85640
104250
318190
Г ПО
7
40
27
32
00
,3
,0
7
,0
1.
2
3.
4.
стлтья расхода
Нитрозиые газы
Разбапленная азот-
азотная кислота, вы-
выходящая из холо-
холодильника ....
Охлаждающая хо-
холодильная вода
Тепловые потеги
Итого . . .
количество
ккал
ш> 100
кг-моль
газа
17530
6710
287570
6380
318190
5.5
2.1
90,4
2,0
100,0
ЗАДАЧИ
1. В разделительную колонку поступает V м3 воздуха. Колонка дает
700 м?1час азота чистотой 99,8% и кислород, чистота которого 96,0%. Опре-
Определить: а) количество отбираемого кислорода; б) потребное количество воз-
воздуха для этого.
Отпет, а) Кислорода отбирается 190 м3: б) V = 690 м3.
376

2. В разделительную колонку поступает 1000 кг воздуха. Подсчитать ко-
личгч-тчп отбираемого из псе азота и кислорода, если чистота кислорода рав-
равна 78%, а азота 96%.
Ответ. Азота 990 м3, кислорода 303 м3.
3. Составить материальный баланс колонки для двойного сжижения и
ректификации воздуха производительностью 750 м3 99,8-процентного азота.
Количество воздуха, поступающего rf колонку, равно 1200 кг. Воздух, обога-
обогащенный кислородом, поступающий из нижней части колонки п верхнюю, со-
содержат 42% О-г\ азот, идущий в верхнюю часть колонки, содержит 98,2% №
Ответ. Схему материального баланса см. примеры 1 и 2.
4. Подсчитать производительность катализатора при синтезе аммиака.
если количество азото-водородпон смеси, проходящей через .колонну, .равно
5,5 и3/сек; объем реакционного пространства (камеры с катализатором) равеч
1,5 м3; содержание NH3 в газе по выходе из колонны 24%-
Ответ. 1,95 т NH3 в час на 1 м? катализатора.
Г). Определить: а) объем, занимаемый катализатором; б) производитель-
производительность колонны синтеза аммиака, если в нее поступает 20 000 .и3 язптп-пто-
родноп смеси в 1 нас; производительность катализатора равна 2 т/час NH3
па 1 м3 его и содержание NH3 в газовой смеси па выходе из колонны 20%-
Ответ, а) 1,26 мъ\ б) 60,6 т NH3 в сутки.
Ь. Составить материальный баланс разделительной колонки воздуха,
имея следующие данные: а) состав воздуха при входе в колонну 79,0E% N2
и 20,04% О2 (по объему); б) чистота отбираемого кислорода равна 99,4% О2,
а отбираемый азот содержит следы Oj, т. е. чистота его -= 100%; в) из верх-
верхней части колонны имеется промежуточный отбор «грязного» кислорода
с содержанием 33,5% N2; г) производительность компрессора 1500 м'Ччас поз-
духа при температуре 20° С и давлении 743,4 мм рт. ст. (барометрическое
давление равно 708,4 мм рт. ст., сопротивление фильтра и трубопровода для
воздуха 25 мм рт. ст.); д) чистого кислорода отбирается вдвое больше, чем
«грязного».
Ответ. Отбирается из ксчопны: чистого кислорода 216 м3/час, чистого
азота 1046 м3/час, «грязного» кислорода 118 м3/час; количество входящего
г: колонну воздуха равно 1370 м31час.
7. Определить: а) количество; б) состав продувочных газов при синтезе
NH3 под давлением 300 ата, если содержание СН4 в свежем газе составляет
0,5%, а в продувочных газах 5%; температура газа на выходе из холодиль-
холодильника равна —5° С. Лзото-водородная смесь взята в стехисметрнческом от-
отношении.
Отпет, а) 100 мъ на 1000 м3 свежей азото-водородной смеси; б) 2,7%
NH3, 5,0% СН4, 09,5% Н2 и 23,2% N2.
8. Определить расход воды па 1 г жидкого аммиака, получаемого в во-
водяном конденсаторе, если: а) температура поступающего в конденсатор газа
164° С, выходящего из конденсатора газа 20° С; б) состав газа па выходе из
коиденглтора: 88.4% (ЗН, + No), 0,6% NM3, 5,0% СН<, а перед входом в не-
него: 79,5% CH2+N2), 16% NH3l 4,5%CH4; и) иода в холодильнике нагре-
нагревается от 15 до 30° С.
Ответ. 47 т па 1 г жидкого NH3.
9. Сколько требуется жидкого аммиака для охлаждения газов в аммиач-
аммиачном конденсаторе от +25° до —5° С при 300 ата, если состав их переч вхо-
входом в конденсатор: 22,1% N2, 60,3% Н2, 6,0% NH3, 5,0% СН4, и если произво-
производительность аммиачного конденсатора 7,14 т жидкого NH3 в сутки? При ра-
расчете учесть, что в межтрубпом пространстве аммиачного конденсатора рас-
расходуется только теплота испарения жидкого аммиака.
Отпет. 870 кг/час NH3.
10. Подсчитать температуру нитрозпых газов при выходе из конвертора,
если: а) содержание NH3 в аммначио-воздушнон смеси 9,5%; б) степень окне-
377

ления NH3 в N0 равна 0,95, т. е. при окислении 95% аммиака превращается
и NO DNH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О) и 5% окисляется до элементарного азота
DNH3 +3O2 = 2N2 + 6H2O); в) температура поступающей в конвертор ам-
миачно-поздушной смеси 20°С; г) потери тепла в окружающую среду состав-
составляют 3%.
Ответ. 680° С.
11. Составить материальный баланс цикла синтеза аммиака, представлен-
представленного на схеме (рис. 37), имея следующие данные: а) состав свежей азото-во-
дородной смеси: 74,6% Н2, 24,9% N2. 0,5% СН4, б) давление при синтезе рав
чо 300 ата и содержание NH3 в газовой смеси 16%; в) температура газов
53 У
..I
?5 t3
I
I
1
431
upra
t3
Рис. 37. Схема цикла синтеза аммиака (к за-
задаче 11)
я водяном конденсаторе равна +20° С, в аммиачном —5° С; г) 1 кг жидкого
аммиака при +20° С растворяет 27,7 л, а при —5° С 17,9 л азото-водородной
смеси.
Ответ. Производительность колонны равна 0,336 кг жидкого NH3 на
I м3 азото-водородной смеси; всего поступает в колонну 3930 ж3 газа на каж
дые 100 Л13 свежей азото-водородной смеси; продувочных газов получается
примерно в 10 раз меньше количества поступающей свежей азото-водородной
омеси.
12. Составить тепловой баланс колонны синтеза, если: а) в нее поступает
1930 м3 газа состава: 23,3% N,, 70% Н2. 2,7% NH3, 4% СН4 (включая цирку-
циркуляционную и свежую смесь); б) содержание NH3 в газовой смеси на выходе
яз колонны 16%; в) температура газов при входе в колонну равна 20е С, а ня
выходе из реакционного пространства 530° С.
Ответ. Приход и расход тепла на 1000 .и3 свежей азото-водородной
¦меси составляет 646 000 ккал; температура газа до реакции «350° С (ход
решения см. пример 5).
13. Аммначно-воздушная смесь проходит теплообменник, где нагревается
ia счет интрозных газов состава- 8.8% NO, 7,2% О2, 70,1% N2, 13 9% Н2О;
температура ее при входе в теплообменник 0°С, а при выходе из него (т. е
лри входе в конвертор) 200° С. Содержание NH3 в аммиачно-воздушной сме-
смеси 9,5%. Подсчитать температуру нитрозных газов на выходе из теплообмен-
теплообменника, если они входят в последний с температурой 850°С и теплопотери со-
;78

i г аи л я ют 3% от общего количества тепла. Воздух, идущий на смешение с ам-
аммиаком, сухой.
Ответ. ~ 650° С.
14 Составить тепловой баланс установки по окислению аммиака при со-
хержании NH3 в газе перед конвертором 9,Г>% и степени окисления 0,95. При
этом принять, что аммиачно-воздушная смесь не подогревается (/ = 0°С),
а тепло питрозпых газов используется в паровом котле для получения водя-
водяного пара давлением 4 ата с теплосодержанием 654 /скал/кг; газы при входе
'.\ паровой котел имеют температуру 550° С, при выходе 200° С. Подсчитать
также количество получаемого в паровом котле водяного пара на 1 кг сжи-
сжигаемого аммиака и количество получаемой азотной кислоты, если коэффициент
ябсорбции окислов азота 96% и к. п. д. парового котла 0.9.
Ответ. Приход тепла равен 3240 ккал на 1 кг окисляемого аммиака:
потери тепла контактным аппаратом и трубопроводом до парового котла со-
составляют ~20%; потери его паровым котлом 5%; тепла на получение водя-
водяного пара расходуется 47%; тепло, уносимое газами из парового котла, со-
составляет ~28%. Получается водяного пара 2,4 кг и моногидрата HNOj 3,4 кг
на 1 кг NH3.
15. Нитрозные газы состава: 8,8% NO, 7,2% О2, 70,1% N2, 13,9% Н2О
охлаждаются в холодильной башне до 30° С; в последней при этом образует-
образуется 40-процентная азотная кислота. Подсчитать состав нитрозных газов после
прохождения их через холодильную башню и количество получающейся кис-
кислоты в ней (ход решения см. пример 6).
Ответ. Состав газа: 8,0% NO, 6,7% О2, 82,7% N2, 2,6% Н2О; 40-про-
40-процентной кислоты получается 14,2 кг на 100 м3 нитрозных газов.
16. На основе данных задачи 15 составить тепловой баланс холодильной
башни, приняв: а) температуру газа при входе в башню равной 200° С, при
выходе 30° С; б) температуру отходящей кислоты 30° С.
Ответ. Приход тепла на 100 мъ нитрозного газа равен 16690 ккал (ход
петения см. пример 7).
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
И ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Определить расход электроэнергии для полу-
получения 1 кг бертолетовой соли КС1О3 методом электролиза хло-
хлористого калия КС1, если напряжение*, при котором ведется
электролит, равно 5 в и ц = 90%.
Решение. Схематически процесс электролиза КО можно
изобразить следующим образом.
Первичный процесс:
КС1 -> К+ + СГ
Н2О -> Н+ + ОН-
2Н' + 2е — Н2 (на катоде)
2СГ — 2е — С1.2 (на аноде)
* Не следует забывать, что напряжение на ваннах, т. е. напряжение, при
котором ведется электролиз, не означает собой ту э. д. с, которая необходима
для разложения соли (в данном случае КС1).
37>

Вторичные процессы:
В катодном пространстве: К +ОН~-»-КОН
В анодном пространстве (в щелочной среде):
С1, |- 2КОН — КСЮ 4- КС1 [- Н2О
КС1О -. К+ -!- С1О~
ЗС1СГ — Зе — СЮ3 + 2С1~ (на аноде).
Таким образом, при получении бертолетовой соли методом
электролиза КС1 на 1 кг-моль КС1О3 теоретически расходуется:
C-2) =6 эквивалентов электричества.
Отсюда практический расход электричества на 1 кг A000 г)
бертолетовой соли при т) = 90% определится:
„ 96 500 ¦ О
Спракт. 0|9 КУ'ЮНОв-
122,6'
или / z = —-—-
9 6 500 ¦ 1000 -6 г ос .„„
= 5,25 • 10° кулонов.
Умножая эту величину на напряжение у ванны (Е = 5 в).
получим расход электроэнергии на I кг КС1О3:
А --= 5,25 • 10" • 5 == 26,25 • 10G дж,
или
. 26,25 -10й _ о
А ----- — 7,3 квт-ч.
1000 • 3600
Пример 2. Требуется получить 400кг рафинированной
меди в сутки при напряжении на клеммах ванны в 0,25 в. Како-
Какова должна быть минимальная мощность динамо-машины и сила
тока в цепи., если напряжение на каждую ванну равно 15 в; вы-
выход по току 90%? Определить также число электролитических
ванн.
Решение. Если напряжение у зажимов машины равно
15 е, а напряжение у ванны равно 0,25 а, то последовательно
можно соединить самое большее
= 60 ванн,
0,25
т. е. теоретическое число ванн равно 60*.
* Практически число ванн бывает значительно меньше, так как часть
тока расходуется па преодоление сопротивления панн. Практическое число
ванн равно от-r- до ——теоретического числа их.
580

Количество электричества, необходимое для получения
400 кг меди, определится:
„ 96 500 ¦ G 96 500 ¦ 400 ¦ 1000 . „ с ,,,.
?,,„„. — --= = 13,5 ¦ 108 кулонов.
пр.1кт. 2.0,9 31,8-0,9
Отсюда работа электроэнергии (А) и мощность динамо-ма-
динамо-машины (W) "\ необходимые для получения 400 кг меди, а также
сила тока в цепи определятся
. 13,5 ¦ Ю8 ¦ 0,25 ...
А = —- = 94 квт-ч,
1000 ¦ 3600
W =--- — -: 3 92 кет C920 в),
24
; = JL ^ _±?L ^260 а.
у1; 15
Пр и м е р 3. Для получения 1 т технического 270-литраж-
ного** карбида кальция практический расход электроэнергии
составляет 3200 квт-ч. Подсчитать коэффициент использования
этой электроэнергии на образование карбида кальция, если:
а) температура, при которой протекает процесс образования
СаС2 в карбидной печи, равна 2000° С ***, б) содержание углеро-
углерода в топливе 90%; содержание его в техническом карбиде в ви-
виде несгоревших частиц 2%; в) расход топлива на 20% больше,
чем необходимо для образования СаС2 (СаО + ЗС = СаС2 +
+ СО) ****; г) содержание СаО в извести 96%; д) средние удель-
удельные теплоемкости (с) и теплоты плавления (г): ссас, =
= 0,28 ккал/кг; Ссо =0,27 ккал/кг, сСао =0,24 ккал/кг, с с =
= 0,43 ккал/кг, гсас2 =120 ккал/кг, г см = 180 ккал/кг (см.
табл. 10, 12 и 13).
* Бе 1 учета к. п. д. передачи энергии от машины на ианпу.
** Литражом (литражностью) карбида кяльння называют выход ацетиле-
ацетилена (и литрах при 20° С и давлении 760 мм рт. ст.) на 1 кг его [СлС2-|-2И2О—
= Са(О11J-|-С2112].
*** Температура плавления чистой окиси кальция tn? =2572° С, а чисто-
чистого карбида кальция /^С'=2300° С; однако СаС2 и СаО образуют эвтек-
эвтектическую смесь @,7 СаС2:ЗСа0), которая имеет темп. ил. 161i0° С. Следо-
Следовательно, в ка.рбидгюй печи (при / = 2000° С) технический карбид кальция
находится в расплавленном состоянии.
**** Практический расход топлива можно подсчитать путем составления
материального баланса углерода и других составных частей топлива на ос-
основе: а) элементарного состава его и количества сгораемых электродов (при-
(приход) и б) состава отходящих из карбидной печи газов, содержания углерода
в карбиде кальция и потерь его в виде несгораемых частиц с пылью и в ко-
конечном продукте—карбиде (расход). Подобные расчеты материального балан-
баланса тзплиаа подробно разобраны выше.
381

Примечание. При расчете не учитываем: а) теплосодержание заг-
ружаемой в печь шихты и б) тепловые эффекты побочных и дополнительных
реакций в карбидной печи (образование продуктов диссоциации карбида
кальция, сгорание углерода топлива, восстановление БЮг и Ре2Оз до образо-
образования ферросилиция и т. п.).
Решение. В процессе образования СаС2 тепловая энер-
энергия расходуется: а) на подогрев шихты до температуры реакции
и б) на реакцию образования СаС2. Те же результаты расхода
энергии могут быть получены путем подсчета ее: а) на реакции:'
образования СаСз, б) на расплав карбида кальция и в) на от
вод тепла продуктами реакции (газами и карбидом кальция).
Подсчитаем предварительно: а) состав технического карби-
карбида кальция, б) количество загружаемой в печь шихты и в) ко-
количество окиси углерода СО, получаемой в промессе реакции
между окисью кальция и углеродом.
а) В 1 г технического 270-литражного карбида кальция со-
содержится чистого СаС2 (мол. вес СаС2 равен 64,1; моль объем
ацетилена 22,14 ма/кг-моль):
Остальные 218 кг в нем составляют СаО и примеси (SiO2, MgO,
несгоревшие частицы углерода и другие составные части ших-
шихты). Приняв все эти примеси (баласт) за СаО и исключив из
них углерод в количестве 2,0% (см. условие задачи), получим
состав технического карбида кальция: 78,2% СаС2, 19,8% СаО,
2,0% С.
б) Расход топлива и извести на 1 т карбида кальция опре-
определится
СаО + ЗС -- СаС, + СО
56,1 3 12,0 64,1 28,0
откуда
п 782 - 3 - 12 0 .__ п
Gr = ;— = 439,2 кг углерода,
С 64Л • J К « .
782 ¦ 56,1
64,1
С учетом того, что: а) топливо содержит 90% углерода, а из-
известь 95% СаО и б) расход топлива на 20%, а извести на 198 кг
больше, чем это требуется на реакцию образования СаС2 рас-
расход шихты (топлива и извести) на 1 т технического карбида
кальция определится
GTOBJIKBa = ^^— = 610 кг,
0,9-0,8
^извести = Н 198 —¦ 918 кг,
385
Gcao = —, = 684,4 кг СаО.

а всего шихты 610 + 918=1528 кг.
е) Количество СО, полученной за счет реакции образования
СаС2, составит:
п 782 28,0 „ . Г
Огг, -.= 341 П кг.
со 64,1
На основе полученных данных подсчитаем расход тепловой
энергии (Q) для образования 1 т технического карбида кальция.
Первый метод.
а) Расход тепловой энергии (q\) на подогрев шихты до тем-
температуры реакции B000° С). Количество извести в шихте 918 кг,
теплоемкость ее 0,24 ккал/кг. Количество топлива 610 кг; из них
610 - 0,9 - 0,2 = 109,8 кг углерода выгорает, не вступив в химичес-
химическое взаимодействие с СаО и не достигнув температуры реакци-
реакционной зоны; теплоемкость топлива 0,43 ккал/кг (примем ее за
теплоемкость углерода). Отсюда
</, = 200Э [918 • 0,24 -\- F10 — 10Э,8)- 0,43] ^870 830 ккал.
б) Расход энергии (q2) на реакцию образования СаС2:
СаО -|- ЗС = СаС, + СО — 108 С00 (при 20С0°С).
1UHUUU- /62 , „,,г„„
<72 = — = 1 317 600 ккал.
Количество СаС2 в техническом карбиде кальция равно 782 кг
Отсюда
108 000 ¦ 782
~64J
Итого
Q' = qx + q2 = 2 188 400 ккал,
или
2 188 400 ¦ 1,162- 10~3==2543 квгп-ч.
Второй метод.
а) Расход тепловой энергии (q2) на реакцию образования
СаСг по предыдущему определится в количестве 1317600 ккал на
на 1 т карбида кальция.
б) Расход энергии (д3) на рааплав карбида кальция. Коли-
Количество СаС2 в расплаве 782 кг, окиси кальция 198 кг; теплоты
плавления: гСгСг =120 <кал1кг, гСаО =180 ккал/кг.
Отсюда
<73 = 782 • 120 + 198 • 180 = 129 500 ккал.
в) Отвод тепловой энергии техническим карбидом кальния
) и окисью углерода (<7з), полученными в результате образо-
383

вания СаС2. Количество карбида кальция 1000 к? из них
782 кг СаС2, 198/сг СаО и 20 кг углерода; количество СО—
341,6 кг; теплоемкость перечисленных веществ см. выше (усло-
(условие задачи). Отсюда
q4 ^ 2000 • G82 • 0,28 + 198 • 0,24 -|- 20 • 0,43) -= 550 200 ккал;
qb = 2000 • 341,6 ¦ 0,27 = 184 500 ккал.
Итого
Q" --- q2 + qa 4- q4 + qb = 2 191 800 ккал,
или
2 191 800 • 1,162 • 10~3 =2547 квт-ч.
Примечание. Расхождение и подсчетах по первому и второму ме-
методам составляет -~ 0,2%.
Таким образом, коэффициент использования электроэнер-
электроэнергии на образование карбида кальция при практическом расходе
ее 3200 квт-ч определится (берем Q среднее между Q' и Q"):
2545 ¦ 100
^ --3200 - = 79.5%-
Пример. 4. Подсчитать: а) выход по току; б) расход
электроэнергии па 1 кг хлора; составит также в) баланс коли-
количество электричества и г) тепловой баланс ванны при элект-
электролизе поваренной соли, имея следующие данные:
1) сила тока, проходящего через ванну, равна 925 а; напря-
напряжение на зажимах ванны равно 3,6 в;
2) рассол, подвергаемый электролизу, содержит 300 г/л
B3%) NaCl, 0,40 г/л NaHCO3 и 0,1 г/л тяжелых и щелочно-зе,-
мельпых металлов (Са, Mg, Fe и т. д.); в ванну подают 14 л
этого рассола в час при температуре 54" С;
3) католит* вытекает при температуре 64°С в количестве
13 л/час; соответствующее ему количество анолита определит-
определится как среднее между объемом рассола и католита, т. е.
13,5 л/час**;
4) химический анализ католпта и анолита дал следующие
результаты:
* Растнор, окружающий катод, носит название католита. Раствор,
находящийся непосредственно вокруг анода, называется оолитом.
** Точный подсчет объема анолита производится по довольно сложной
формуле, которую мы здесь не приводим, гак как она в большинстве слу-
случаев дает незначительное ¦расхождение но сравнению с вычислением но сред-
среднеарифметическому.
384

Ссстаи
NilOI I
NfiCI
Na..CO3
NaCIO
NaClO3
Католит A 3 л/час)
;,i j-моль/л г-моль/час
105
180
1.1
2,56
3,08
0,01
33,28
40,04
0,13
Анолит A3,5 л/час)
г-моль/л ^-моль/час
271
0,2Г,
0,28
4,63
0,0032
0,0026
62,505
0,043
0,035
5) при электролизе получается 360 л/час сухого хлор-газа и
ЛНО л водорода (приведенных к нормальным условиям). Состав
хлор-газа: 98,0% С12, 0,3% СО2, 0,4% О2, 0,2% Ы2, 1,1% N2:|:;
температура газов на выходе из ванны 63,5° С; влаги отходит на
1 м'А хлор-газа 40 г, на 1 м'Л водорода 20 г.
Решение. Основной (первичный процесс при электролизе:
NaCl ¦-* Na+ -\- О~, Н2О: - Н+ -\- ОН"
2С1 —1с ¦ С!2 (на аноде),
2Н" -|- 2е > Н., (iui катоде),
2Na + 2OH--.2NaOH.
Из этой схемы следует, что I эквивалент, т. е. 1 фарадей
(96500 кулонов) электричества дает I г-моль щелочи (NaOH) и
1 г,-атом хлора. Однако в результате побочных и вторичных про-
процессов часть щелочи расходуется на образование NaOCI, NaClOj,
.МагСОу, на осаждение гидроокисей тяжелых и щелочно-земель-
ных металлов, па нейтрализацию бикарбоната и другие побочные
п вторичные процессы. Изобразим их схематически:
1) 2NaOH + С12 = NaClO + NaCl + H2O (вторичный процесс),
2) NaClO- >Na+ ЬСЮ~,
2а) 6СЮ~ + ЗН2О — 6с :-- 2НС1Оа -]- 4НС1 + ЗО (побочный
электрохимический процесс),
26) НС1О:, -|- NaOH =, NaClO;, |- H2O (вторичный процесс),
3) NaOH -. Na+ + ОН~,
* Азот в хлор-газе получается вследствие проникновения в ванну воздуха,
COj—вследствие окисления органических веществ, присутствующих в рас-
рассоле (см. ниже реакции при электролизе).
25. С Д. Бесков 3S5

За) 40Н — Ае = 4Н2О + 02 (побочный электрохимиче-
электрохимический процесс).
36) С + О2 =-= СО2,
4) 2NaOH + СО2 = Na2CO3 + Н2О,
5) 2NaOH 4- Ме++ = Me (OHJ + 2Na
6) NaHCOa + NaOH = Na2CO3 4~ H2O
+
вторичные реак-
реакции.
Примечание. Кроме указанных здесь процессов, при электролизе
имеют место и другие побочные и вторичные процессы.
Из приведенной схемы вторичных и побочных процессов видно,
что:
а) на каждый кг-моль NaCIO и СО2 (растворяющейся в элек-
электролите) расходуется по 2 г-моль NaOH или, что то же, по 2 фа-
радея электричества;
б) на 1 г-моль NaC103 расходуется 6 г-моль NaOH, т. е. 6 фа-
радеев (см. процессы 1—26);
в) на 1 г-моль NaHCCb расходуется 1 фарадей;
г) на 1 г-моль образующегося в процессе электролиза СО2
расходуется 4 фарадея.
Составляем баланс электроэнергии на разложение NaCl.
Приход (в 1 час): Через ванну проходит ток силой в 925 а,
925
который в течение 1 часа дает = 34,51 фарадея*.
2о, 8
Расход (в 1 час):
1) На образование NaOH, присутствующего в кятолите 33,280 фарадея
2) » » NaCIO » » анолите 2 ¦ 0,043 фарадея
3) » » 1МиС1О3 » » » 6 ¦ 0,035 фарадея
4) » нейтрализацию NaHCO3, которого вводится с рас-
0,40
солом — • 14 =0,066 г-моль/час 0,066 фарадея
85,0
5) На образование №2СОз за счет CO.j; всего в като-
лите 0,13 г-моль N;i2CO3, на них 0.066 г-моль об-
образовалось при нейтрализации №НСОз; остальные
0,13 — 0,066 = 0,064 г-моль получены за счет рас-
растворяющегося в электролите СО-,: на это расхо-
расходуется ." 2 • 0,064 фарадея
0,3- 360
6) На образование СО../, с газом ухолит =
= 0,048 г-моль СО2; растворилось его в электроли-
электролите 0,064 г-моль; итого образовалось 0,112 г-моль
СО2, на которые израсходовано 4-0,112 фарадея
Итого . , . 34,22 фарадея
с 86
1 фарадей равен 96500 кулонам; 1 фарадей=2&,8 а—ч (см. стр. 247).

Остальные 34,51—34,22 = 0,29 фарадея израсходованы на осаж-
осаждение гидроокисей тяжелых и щелочно-земельных металлов и
другие вторичные процессы.
v 0,98-360 ,___
Хлор-газа при электролизе получается = 15,77 г-моль,
22,4
или 31,54 г-атомов/час (см. состав хлор-газа), на получение ко-
которых расходуется 31,54 фарадея.
Для NaOH выход то току равен:
33,28 ¦ 100 ...
Для хлора выход по току равен:
31,54 • 100
v0 —' = 91,4%*.
^ 34,51
Тепловой баланс электролизера (за 1 час).
Приход тепла:
1) С. рассолом. Количество рассола 14 л; уд. вес его
1,176; уд. теплоемкость 0,81 (см. рис. 10); температура 54° С.
Отсюда
7, -- 14 • 1,176 • 0,81 • 54 ¦= 720 ккал.
2) Доставляется электроэнергией. Принимаем,
что теоретическая э. д. с. на разложение NaCl, включая и побоч-
побочные электрохимические процессы (см. реакции 2а и За), равна
2,3 в **, напряжение на клеммах ванны равно 3,6 в. Следователь-
Следовательно, подводимая в ванну электроэнергия эквивалентна:
0,239-3,6 • 925 ¦ 3600 оосс
---¦ 2865 ккал тепла.
ч* 1000
Из этого количества энергии выделяется в электролите в виде
тепла:
0,239 • 92R C,6 — 2,3) ¦ 3600 1ЛОГ
а. = — — : = 1035 ккал.
42 1000
Остальные 2865—1035=1830 ккал расходуются на электролиз,
из которых 1830 • 0,964 = 1764 ккал являются, считая по щелочи,
полезно затраченными.
* Следовательно, хлора на вторичные процессы, которые нами здесь
не учитьшаются, расходуется больше, чем NaOH.. При желании, имея полный
состав аполита, католита и газов, можно более подробно учесть как вто-
вторичные, так и побочные реакции в процессе электролиза. Они будут зависегь
от конкретных условий ведения последнего.
** Эту величину э. д. с. можно подсчитать более точно (см. пример 1).
2Ь* 387

3) Тепло, получаемое за счет вторичных про-
процессов (реакции .см. выше) *:
2NaOH -f Cla = NaClO + NaCl + Н2О + 22320 (образуется
0,043 г-моль NaClO).
НСЮз + NaOH = NaClO. 4- Н2О -|- 13 020 (образуется
0,035 г-моль NaClOs),
С + О2 -= СОа 4- 98 000 (образуется 0,112 г-моль СО2),
2NaOH + СО, = Na,CO:, + Н,О 4- 17 640 (образуется за счет
этой реакции 0,064 г-моль Na2CO3),
NaHCO3 + NaOH = Na,CO:i 4- H2O + 9020 (нейтрализуется
0,066 г-моль NaHCO3),
Отсюда тепловой эффект за счет указанных процессов составит:
<73 = 0,001- B2320 ¦ 0,043-1- 13 020 • 0,035 + 98 000 • 0,112 4
+ 17 640 ¦ 0,064 + 9020 ¦ 0,066) ^ 14 ккал
Итого приход тепла:
Qnp,«. = 720 "I" 1035 + 14 = 1769 ккал.
Расход тепла:
1) С католитом. Количество католита 13л или (плотность
его 1,22 кг/л) 13- 1,22=15,86 кг. Из этого количества 13-0,105 =
= 1,365 кг составляет NaOH, 2,34 кг NaCl, 0,013 кг Na2CO3 и
остальные 12,142 кг Н2О; температура «атолита 64° С. Теплоем-
Теплоемкость растворов отдельных компонентов католита берем из
табл. 14. Подсчет величины q^ производим по правилу смешения:
<74 = A,365 • 0,78+2,34- 0,206 + 0,013 ¦ 0,2728 +
+ 12.142 ¦ 1,0N4 --876 ккал.
2) С хлор-г азом. Количество хлор-газа 360 л, средние мо-
молекулярные теплоемкости при 63,5° С равны для Сс1 =7,70;
С„2 =6,91; СОг =7,04; CCOi =9,22; 'CNj =6,82 (см. табл. 8 и 10).
Отсюда
^IX ¦ 63'5<0'98 ¦ 7>7 + °.°03 ¦ 9-22 -I-
+ 0,0004 ¦ 7,04 + 0,002 ¦ 6,91 + 0,011 ¦ 6,82) --. 8 ккал.
* Теплоты образования всех соединений, кроме СОг, бе,рем для реакции в
растворе (см. табл. 17); теплотой растворения СО2 пренебрегаем, так как
•она составляет незначительную величину.
388

3| С водородом. Количество водорода 380 л; средняя мо-
молекулярная теплоемкость его СНг =6,91 ккал\кг-м.олъ. Отсюда
qR — • 63,5 ¦ 6,91 ¦-- 7 ккал.
46 1000-22,4
4) С водяными парами. Всего влаги уходит 0,360-
•0,04+ 0,380-0,02 = 0,0216 кг или -¦-'—-- =0,0012 кг,-моль; моле-
18,0
кулярная теплоемкость Н2О при 63,5° равна 7,85; уд. теплота ис-
испарения при той же температуре
560 ккал (см. рис. 24, стр. 124). приход
ОтСЮДа С рассолом ^Л.
q7 - 0,0012 • 7,85 • 63,5 -;
+ 0,0216 • 560 =--: 13 ккал.
Итого расход тепла
<?расх. -" 876+ 8 + 7-1-13 -
-= 904 ккал.
Разность между приходом теп-
тепла (Q[) и его расходом (Q2) со-
составит тепловые потери (q^) в
окружающую среду:
q& -- 1769 — 904 ^ 865 ккал.
Лжаутбо
Х\
Побочные реакции 0,8Х
Итого 100%
"ПбЗккал
Расход
Скатолитом 49.5%
Схпой - газам 0.У/.
с вамровш 0А7,
с водяными парами 0.1'Z
Теплопотери 18,9Т.
Итога 100% .
Рис. 38. Схема теплового балан-
баланса 'электролизера (к примеру 4)
Сведем результаты теплового баланса в таблицу (см. та;кже
рис. 38).
Статья прихода
1. С рассолом . . .
2. Джоулево тепло
3. Тепло побочных
реакций
Итого
Количсстио
ккал
час
720
1035
И
1769
Статья расхода
Количество
ккал
час
40,7
58.5
0,8
100,0
1. С. католитом . .
2. С хлор-газом . .
3. С подородом . .
4. С водяными пара-
парами
5. Теплопотери . .
Итого
876
8
7
13
865
1769
49,5
0,5
0,4
0,7
48,9
100,0
Расход электроэнергии определится из следующего. Установ-
Установка дает
360 -0,98
22,4
- = 15,75 г-моль CL
389

или
70,95 • 15,75 , .,_ . п,
= 1,117 кг/час С12.
1000
При этом расходуется электроэнергии:
925 ¦ 3,6
= 3,33 квт-ч,
1000
3,33
1000
что составит
= 2,98 квт-ч на 1 кг хлора.
1 ,117
ЗАДАЧИ
1. Какое количество электроэнергии требуется затратить на получение 1 г
электролитической меди при напряжении на клеммах ванны в 2,5 в и выходе
по току, равном 90%?
Ответ. 2340 квт-ч.
2. Требуется получить электролизом К) г меди в сутки. Какова должна
быть минимальная мощность динамо-машины, если напряжение, подаваемое
на ванну, 0,8 а и выход по току 90%?
Ответ. 156 кет.
3. При напряжении в 2 в расход электроэнергии на I кг меди составляв!
2,25 квт-ч. Определить выход по току.
Ответ, т] = 75%.
4. Установка, выпускающая 80 / в сутки рафинированной меди, при
)] = 90% потребляет 375 квт-ч электроэнергии на 1 т продукции. Подсчитать:
а) напряжение на клеммах ванны; б) мощность установки; в| силу тока
в цепи, есл.11 установка состоит из 400 ванн.
Ответ а) 0,4 в, б) 1250 кет; в) 7820 а.
5. Определить расход электроэнергии на I кг: а) серебра; б) висмута и
в) никеля, если при электролизе соли серебра напряжение равно 1,6 в и вы
ход по току 95%, висмута—напряжение 0,34 в и г| = 90% и никеля— напря-
напряжение 4,3 а и т) = 93%.
Отпет, а) A,42 квт-ч: 0) 0,098 квт-ч; в) 4,2 к»т-ч.
6. Сколько потребуется электроэнергии на 1 кг золота при напряжении
на клеммах ванны и 0,8 в и выходе по току 103%?
П р и м е ч а и и е. Принято, что мри электролизе золота разряд идет сле-
следующим образом:
Аи+++ + Зе —Аи.
Однако в связи с тем. что часть его разряжается и по такой схеме
Аи"*" + \е -> Аи,
т. е. как одновалентное, принимают т], т. е. выход по току больше 1U'J%
(в данном случае взято 103%)
Ответ. 0,32 квт-ч.
7. Определить выход по току для цинка при напряжении в 3,9 в и затрате
электроэнергии 3,55 квт-ч из 1 кг цинка.
Ответ, т) = 90%.
8. Для получения электролитическою олова (Sn ' + 4^^-Sn) расходует-
расходуется на 1 т 1920 квт-ч электроэнергии. Определить напряжение на клеммах
ванны, если па 1 атом Sn при разряде требуется 3 электрона.
Ответ. 1,7 а.
3]0

Э. Сколько килограммов натрия дадут 1000 квт-ч при электролизе рас-
расплавленного NaOH, если напряжение при электролизе 9 а и выход по току
80%?
Ответ. 0,76 кг.
10. Определить: а) расход электроэнергии на 1 кг алюминия при напря-
напряжении на зажимах ванны 7 а и выхода по току т) = 80%; подсчитать также и
б) годовую производительность установки мощностью в 3000 кет (А1' +
+ 3,' = А1).
Ответ, а) 25,8 квт-ч; б) 1044 т.
11. Подсчитать к. п. д. установки* по электролитическому получению ме-
металлического натрия из расплавленного NaOH, если электролиз идет при на-
напряжении 4,5 я и при выходе по току 45%.
Ответ. 29,6%.
12. Установка по электролизу попаренной соли (получение хлор-газа)
имеет мощность в 416 кет при числе ванн, равном 52; напряжение на зажи-
зажимах каждой ванны 4 в. Подсчитать: а) ампераж; б) суточную производитель-
производительность установки при выходе по току, равном 90%
Ответ, а) 2000 а; б) 2980 кг С12 и 3360 кг NaOH в сутки.
13. Подсчитать теоретический расход электроэнергии для получения 1 кг
карборунда электротермическим путем, если: а) реакция при выплавке карбо-
карборунда SiO2 + ЗС —*¦ SiC 4- 2СО; б) карборунд выходит из печи при темпера-
температуре 2100° С; средняя удельная теплоемкость его при этой температуре рав-
равна 0,113; в) газы (СО) выходят из печи при температуре 1400° С.
Ответ. 4,8 квт-ч.
14. Определить расход электроэнергии для получения 1 иг сероуглерода
(С -(- S2 -»- CS2) электротермическим путем, если: а) теплота образования
CS2 равна 19 600 кал/г-моль; б) сероуглерод выходит из печи при 100° С,
а исходное сырье загружается при 20° С; средняя удельная теплоемкость CS2
в интервале 20—100° С равна 0,245 кол/г; в) теплота испарения CS2 равна
84 кал/г-моль.
Ответ. 0,4 квт-ч.
15. Определить: а) расход электроэнергии на 1 т 85-процептного карбида
кальция (85% СаС2 и 15% СаС), если: карбид кальция выходит из печи при
температуре 2000° С; удельная теплота плавления СаС2 равна 120 кал; удель-
удельная теплота плавления СаО равна 180 кал; газы выходят нз печи при темпе-
температуре 700° С и средняя теплоемкость их при этой температуре с—
— 0,25 ккал/кг; средняя удельная теплоемкость при 2000° С равна для СаСг
0,28, для СаО 0,24; потери тепла (поверхностью печи, электродов и т. д.) со-
составляют 0,5% от общего его количества; б) подсчитать также, какой процент
электроэнергии идет на образование СаСг-
Ответ, а) 2500 квт-ч; б) 53%.
16. Подсчитать количество электроэнергии, потребной для выплавки 1 т
чугуна в электропечи, если принять: а) реакция восстановления железа в пе-
печи протекает по схеме:
4Fe,O:. I 9C > 8Fe i (SCO -\- ЗСО,;
б) теплоту образования (ни 1 г-мпль) Fe2O3 равной 201 000 кал, СО — 2920,
«СО2—97 200; в) при образовании 1 т чугуна на восстановление посторонних
примесей (кремнезема и др.) в печи расходуется 100 000 ккал; г) на 1 т чу-
чугуна приходится 0,75 т шлака, который уходит из печи с теплосодержанием
в 500 ккал/кг; д) па нагревание и плавление 1 г железа требуется 300 000 ккал
тепла (при температуре выпуска его из печи).
Отпет. 1920 квт-ч на 1 г чугуна.
* Под к. п. д. здесь TaiK же, как и з других примерах, подразумевается
отношение теоретического расхода электроэнергии на разложение к практи-
практическому расходу ее в электролизере.
оУ 1

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
«Абсолютный нуль» 22
Абсорбция, расчеты 335
Авогадро закон 48
Аддитивности правило 52, 95
Адиабата 71
Адиабатический процесс
абсолютный 100
давление и объем, номограмма 2
работа 70
теплосодержание 105
Адсорбция паров, расчет 333
Азотной кислоты производство
расчеты 3-17, 370—376
Активации 224
теплота 224
энергия 224
Активность 354
ионов 250
электролита 251
Ангстрем 9
Лрреииуса уравнение 225
Атмосфера 12
Атмосферное давление 12
Атомные веса (табл. 1) 403
Баланс
материальный см. Материальный
баланс
тепловой см. Тепловой баланс
39'.:
Бар . 12
Барометрическое дапление 12
Бимолекулярные реакции 217
Бопля .закон 45
Вап-дер-Ваальса уравнение 57
Пант-Гоффа изохора и изобара 187
Вес
единицы измерения 9
удельны» 9
Вместимость, единицы измерения '.)
Внутренняя энергия 66, 160
Выход
по току 248
(и арка 326
реакции 174
Газификация угля, расчеты 265
Газовая постоянная 49, 68, 95
Газовые
законы 44
смеси 52
Газогенераторный процесс, расчеты
270-306
Газы
диссоциация 51
идеальные 44, 48
константы (табл.) 407
плотность 49, 50, 52, 54

реальные 44, 54
Сжатие и расширение, расчеты
07, 73, 129
теплоемкость (табл.) 408-416
ураинение состояния 49, 51, 54
Гей-Люссака закон 45
Гесса никои 107
Гетерогенные процессы 232
Горения температура 127
[раммоль 9
Грум -- Гржимайло расчет газогене-
газогенераторного процесса 276—283
Давление 12
насыщенного нодянчго папа (табл.)
49
Дальтона закон 52
Действующих масс закон 172
Дефект массы 4
Джоуля закон 256
Джоуль 256
Диаграммы
тепловые 103
энтропийные 103
Дина I 1
Динамическое давление 14
Диссоциация
газов, степень 51
термическая 180
упругость 180
Дифференциальная теплота растворе
пия 125
Диффузии скорость 233
Диффузионный потенциал 251
Длина, единицы измерения !)
Доброхотова расчет газогенераторно-
газогенераторного процесса 283
Пдиницы измерений 7
Жаропронзнодительная способность
топлива 127
Законы
Лвогадро 48
lioi'uiii '15
газовые 44
Гей-Люесака 45
Гесса 107
Дальтона 52
действующих масс 172
Джоуля 256
равновесии 172
сохранения веса (массы) ncmeri :¦,,:
3
сохранения анергии 5
Законы
тепловые 66
термодинамики 66, 158
Фа радея 246
химического равновесия 172
электротермии 256
электрохимии 246
энергетические 66
Идеальный газ 44
уравнение состояния 48
Изобара
азот - кислород, диаграммы 12—
15
Изобарический процесс 78
Изобарный потенциал 160
Изотерма 160
Изотермический процесс, работа 68
Изохора 160
Изохорический процесс 80
Изохорпый потенциал 160
Интегральная теплота растворения
125
Испарения теплоты (табл.) 424
Калория 21
Карбида кальции пропзиодство, рас-
расчеты 381
Катализ 230
Кинетика химических реакций 216
Кипения температура (табл.) 424
Кислотные смеси, составление 34
36
Коксование 307
материальный баланс 307
тепловой баланс 312
Конверсия окиси углерода, расчеты
268
номограмма 26!)
Константа
диссоциации 51
термической 180
равновесия 175
зависимость от температуры 185
подсчет 185—195
реакций (табл.) 45, 5
энтропийный метод подсчета 193
условная химическая (табл.) 465
Контактный узел, расчет 333
Кристаллизация материальный ба-
баланс 33 34
Кулон 22
Масса 9
Манометрическое давление 14
Материальный баланс
абсорберов (олеумцого и мопогид-
ратного) 333—338
газогенераторного процесса 275
коксовых печен 307
колчеданной обжиговой печи 327
332
контактного узла (сернокислотно
го) 333
кристаллизации 33
393

ректификационной колонны 348
сушильной башни (сернокислотной)
333
Менделеева формула подсчета тепло-
тиорной способности 127
Менделеева — Клапейрона уравнение
48
Механизм реакции 216
Механический эквивалент тепла 21
Микрон 9
Молекулярный объем 9
Мономолекулярные реакции 217
Мощность 19
электрическая 23
Напряжение 23
Необратимый процесс 159
Нернста уравнение 249
«Нулевое» состояние системы 104
Обжиг серного колчедана 327
номограмма, рис. 21. 326
расчеты 327—332
Объем
единицы измерения 9
молекулярный 9
удельный 9
Объемная скорость 18
Парообразование, теплота 121
Плавления температуры (табл.) 41-1
теплота (табл.) 414
Плотность 9
смесей 10
тока 23
Площадь единицы измерения 9
Политропа 70
Политропический процесс 70
номограмма 3
Полупериод распада 221
Поправки
к уравнению Менделеева — Кла-
Клапейрона 50
температурные для теплоты испаре-
испарения 123
Порядок реакции 219
Потенциал 249
диффузионный 251
изобарный 160
изохорный 160
разложения электролита 253
термодинамический 160
Потенциал 249
электрический 23
электрода 249
Производительность катализатора
231
Производственные процессы, расчеты
263
394
Процент превращения (конверсии)
174
Прямой правило 36
Работа 19
единицы измерения процесса 19
адиабатического 70
изобарического 78
изотермического 68
изохорического 80
нолитропического 70
электролиза 251
тепловой эквивалент 21
тока 251
Равновесие
законы
константа см. Константа равнове-
равновесия
Разделение воздуха ректификацией,
расчет 348
Размерность 8
теплосодержания 100
Распада полупериод 221
Растворения теплота (табл.) 447
Растворимость газов (табл.) 466
Расширение и сжатие газов расчеты
129-133
Реальные газы 54
уравнение состояния 54
Ректификация, расчеты 348
Свободная энергия, изменение
в процессе электролиза 251
зависимость от температуры (табл.)'
448
подсчет 170
химических соединений (табл.) 448
Серной кислоты производство, рас-
расчеты 324
Сжатие н расширение газов расчеты
129
Сжигание
коксового газа 265
угля 142
Сила, единицы измерения 11
Синтез аммиака, расчеты 347
Системы мер 7
Скорость
диффузии 233
единицы измерения 7
объемная 18
окисления окиси азота, номограм-
номограмма 11
реакции 172
Состав
гагюиых смесей 52
технических продуктов, расчеты 27

Сохранения веса (массы) вещества
закон 3
("охранения энергии закон 5
Сплапы, теплоемкость (табл.) 422
Стандартные условия 22
Статическое давление 14
Стсхномстрические расчеты 30
Температура
горения 127
единицы измерения 7
кипения (табл.) 424
плаплепия твердых тел (табл.) 414
Температурный коэффициент тепло-
теплового эффекта 185
Тепловая функция см. Теплосодержа-
Теплосодержание
Тепловой баланс
газогенераторного процесса 232
коксовых печей 312
колчеданной обжиговой печи 326
контактного узла (сернокислотного)
333
ректификационной колонны 348
электролизера 384
Тепловой эквивалент работы 21
электрического тока 256
Тепловой эффект реакции см. Теп-
Теплота реакции
Теплопые диаграммы 103
Тепловые законы 66
1еплоемкость 87
газон (табл.) 408—413
жидкостей (табл.) 424
1яппспмость от температуры и дав-
давления (табл.) 408—410
органических соединений (табл.)
423
растворов 96
смесей 95
спланоп (табл.) 422
твердых тел (табл.) 417
Теплосодержание 100
Теплота
активации 224
единицы измерения 21
испарения (табл.) 424
образования (табл.) 427
парообразования 127
плавления (табл.) 414
растворения (табл.) 447
реакции (табл.) 455
зависимость от температуры 455
подсчет 107
химических и физических превра-
превращений 107
Теплотворная способность топлизя
127
Термодинамики законы 66, 158
Термодинамические функции (табл.)
448
Термодинамический потенциал 160
Тримолекулярпые реакции 217
Удельный объем 9
Упругость диссоциации 180
Уравнение
материального баланса
Фарадея
законы 246
число 247
Число
Авогадро 48
Фарадея 247
Эквивалент
работы тепловой 21
тепла механический 21
Электрический потенциал 23
Электричество, единицы измерения
22
Электродвижущая сила 249
поляризации 252
Электролиз
расчеты 257, 384
Электротермия, законы 256
Электрохимические производства,
расчеты 379
Электрохимия, законы 246
Энергетические законы 66
Энергия
активации 224
внутренняя 66
свободная см. Свободная энергия
изменения связей 167
Энтальпия см. 'Теплосодержание 100
Энтропийные диаграммы 103
Энтропийный метод подсчета
константы равновесия 193
Энтропия 159
395

ЛИТЕРАТУРА
Аносов П. А., Погодки С. А., Основные начала фппико-химического ана-
анализа, Издательство АН СССР, 1947.
А т р о щ с и к о В. И. и др. Технология азотной кислоты, Госхимиздат, 1949.
Аветисян X. К., Основы металлургии, Металлургиздат, 1947.
I) е и i> к о н с к и и С. В., О т и а г н п II. П., Расчеты и справочные таблицы
по производству серной кислоты камерным и башенным способами,
ОНТИ, 1933.
Б о [) е с к о в Г. К., Катализ в [фои.цшдстие серной кислоты, Госхимиздат, 1954.
[J у р Д у н Г. Д., Единицы физических величин, Сталдартгид, I960.
Б р а й н с с Я. М., Процессы и аппараты химических производств, Госхим-
Госхимиздат.
I) ее ков С. Д. и др., Общая химическая технология, Учпедгиз, 1959.
Б р и л I, И. М., 3 а к А. С, Курс расчета аппаратуры коксохимических за-
водои, ГНТИ Украины, 1935.
I) р и ц к е Э. В., Капустин с кий А. Ф. и др., Термические константы
неорганических веществ, Издательство АН СССР, 1949.
Бесков С. Д. и др., Расчет кислотных смесей, ОНТИ, 1938.
Введенский А. А., Термодинамические расчеты процессов топливной про-
промышленности, Гостоптехиздат, 1949.
В е и и е р Р., Термохимические расчеты, Изд. И. Л., 1950.
Вольфкович С. М. и др., Общая химическая технология, Госхимиздат.
т. I, 1953, т. II, 1959.
Вольский А. Н., Основы теории металлургических плавок, Металлургизда г,
1943.
Викторов М. М., Графические расчеты в технологии солей, Госхимиздат,
1948.
Виноградов Г. В., Красильщиков А. И., Атлас номограмм ио фи-
физической химии, Гостехтеоретиздат, 1940.
3S6

г
г
1'
11 II
1 3
2-е
ер
ер
ш
ш
б у
Р г
изд.,
с.
С.
я.
я.
Г е л I. г ер и н Н. С, Выпарные аппараты, Госхимиздат, 1947.
Гинзбург Д. Б., Газогенераторы и газовое хозяйство в стекольной и кера-
керамической промышленности, Промметстройиздат, 1948.
Д. В., Газификация то пли на и газогенераторные установки,
Гизлегпром, 1938.
Глубокое охлаждение, изд. «Советская паука», 1947.
Эффективные циклы глубокого охлаждения и новые принципы
разделения воздуха, Машгиз, 1946.
Дешалит Г. И., Процессы горения и теплопередачи в топочной системе
коксовых печей, Металлургиздат, 1948.
Домашнее А. Д. Конструирование и расчет химических аппаратов, Маш-
Машгиз, 1961.
Егоров А. П., Шерешевский А. И., Ш м а и е н к о ъ И. В., Общая хи-
химическая технология неорганических веществ, Госхимпздат, 1953.
К арапетья п ц М. X. Химическая термодинамика, Госхимиздат, 1949.
Каблуков И. А., Термохимия, ОНТИ, 1934.
Кириллин В. А. и Шей ндл ип А. Е., Сборник задач по технической
термодинамике, Госэнергоиздат, 1949.
Канторович 3. Б., Основы расчета химических машин и аппаратов,
Машгиз, 1960.
Касаткин А. Г., Основные процессы п аппараты химической технологии,
3-е изд., Госхнмиздат, 1955.
К а и у с ти п с к и и А. Ф., Термодинамика химических реакций и ее примене-
применение в неорганической технологии, ОНТИ, 1936.
Кон то ро вич Б. В., Основы теории горения и газификации топлива, Го.:-
топиздат, 1958.
К и р и и ч е в М. В., Михеев М. А., Э и г е п с о р. Л. С, Теплопередача,
Госэнергоиздат, 1940.
Кутателадзе С. С, Теплопередача при изменении агрегатного состояния,
Машгиз, 1939.
К а ржа вин В. А., Расчеты по технологии связанного азота, ОИТИ, 1935.
К о с т ы л с и В. А., Тепловые расчеты газогенераторов металлургических пе-
печей, 5-е изд., Металлургиздат, 1933.
Кузнецов Л. А., Производство карбида кальция, Госхимнздат, 1950.
Л и и ч е в с к и й В. П., Нагревательные печи, Металлургиздат, 1948.
Лурье Ю. Ю., Расчетные и справочные таблицы чля химиков, Госхимич-
дат, 1947.
Малин К. М. и др., Технология серной кислоты и серы, Госхимиздат, 1941.
М и х а й л е и к о А. Я., Топливо п заводские печи, Металлургиздат, 1949.
На горе кий Д. В., Общая методика расчета печей, Издательство АН СССР
1941.
На горский Д. В. Расчет коксовых печей, Издательство АН СССР, 1941.
Плановскии А. Н. и др., Процессы и аппараты химической технологии,
Госхимиздат, 1955.
П л е т е н е в С. А., Скляре и ко С. И., Сборник примеров и задач по фи-
физической химии, Госхимиздат, 1936.
Павлов К. Ф., Симонов В. А., Атлас диаграмм и номограмм для рас-
расчетов химической аппаратуры, Оборопгиз, 1940.
Павлов К. Ф., Р о м а п к о в П. Г., М а л к о в М. П., Примеры н задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии, Госхимиздат,
1947.
Рыбкин Ф. Ф., Расчеты процессов и аппаратов лесохимических производств,
Гослестехиздат, 1940.
Рабинович Г. Г., Расчет нефтеперегонной аппаратуры, ГНТИ, 1941.
Р а б и н о в и ч О. М., Сборник задач по технической термодинамике, Гос-
Госэнергоиздат, 1949.
397

Рутовский Б. И., Дипломное проектирование, 2-е изд., 1940.
Справочник химика-азотчика, Госхимиздат, 1944.
Сыромяти и ков С. П., Тепловой расчет котельных топок по физическим
параметрам, Трансжелдориздат, 1947.
Смирнов В. А., Технология гидролизного производства Пищепромиздэх.
1948.
Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов, Гостоптехиздят,
вып. 1, 1945 и вып. 2, 1947.
Хани и И. М., Юшин В. В., Материальный и тепловой расчет баланса кок-
коксовых печей, Металлургиздат, 1948.
X о м я к о и В. Г., Машевец В. П., Кузьмин Л. М., Технология электро-
электрохимических производств, Госхимиздат, 1948.
X о у г е н О., В а т с о н К., Физико-химические расчеты в технике, Госхим-
Госхимиздат, 1941 (перевод с англ.).
Ци боров с кий Я., Процессы химической технологии, Госхимиздат, 1958
(перевод с польского).
Ц ы д з п к В. Е. и др., Холодильные машины и аппараты, Машгиз, 1946.
Чес и окоп Ф. А., Процессы и аппараты лесохимических производств, Гос-
лестехиздат, 1940.
Чериобаев Д. А., Топливо, его горение и общая методика расчета за-
заводских печей, 3-е изд., ГНТИ Украины, 1935.
Чернышев А. Б., Избранные трубы, изд. АН СССР, 1956.
Ш а р к о в В. И., Гидролизное производство, Пищепромиздат, 1948.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1
Атомные веса некоторых элементов
A949 г.)
О
Р
с я в
7
13
18
56
4
5
35
23
S3
1
74
2
26
79
53
48
19
20
8
27
14
36
54
3
12
25
29
Название
элемента
Азот . . .
Алюминий
Аргон . .
Барий
Бериллий .
Бор . . .
Бром . . .
Ванадий
Висмут . .
Водород
Вольфрам .
Гелий . .
Железо . .
Золото . .
Йод . . .
Кадмий . .
Калий . .
Кальций
Кислород .
Кобальт
Кремний
Криптон
Ксенон . .
Лиги и .
Магии . .
Магпец . .
Медь . . .
N
А1
Аг
В а
Be
В
В г
V
Bi
и
W
Fie
Fe
Ли
J
Cil
К
Ca
О
Co
i sl
! Кг
Xe
Li
Mg
Мп
Cu
Атомный
вес
о
ef
a.
о
a
о
#= EL
ffl ?
Название
элемента
14,008
26,97
39,944
137,36
9,013
10,82
79,916
50,95
209,0
1 ,008
183,92
4,003
55,85
197,2
126,92
112,41
39,096
40,08
16,000
58,94
28,06
83,7
131,3
6,940
24,32
54,93
63,54
42
33
11
10
28
50
76
78
88
80
82
34
16
47
38
51
81
52
22
6
92
15
9
17
24
30
Молибден
Мышьяк
Натрий .
I Icon . .
Никель .
Олово
Осмий
Платина
Радий
Ртуть .
Сннпец .
Селен
С о г> а . .
Серебро
Стронций
! Сурьма .
Таллпй .
Теллур .
Титан
У i'л с род
Уран . .
Фосфор
Фтор . .
Хлор . .
Хром . .
Цинк
! Атомный
й
МО
As
Na
Ne
Ni
Sn
Os
Pt
Ra
Hg
Ph
Ag
Sr
Sb
Tl
Те
Ti
i С
и
I p
I I'
|<:,
| Cr
2n
26 С. Д. Бескон
95,95
74,91
22,997
20,183
58,69
118,70
190,2
195.23
226,05
200,61
207,21
78,96
32,066
107,880
I 87,63
| 121,76
204,39
127,61
47,90
12,010
238.07
30 9H
19,00
35,457
52,01
65,38
401

Название
величины
Длина
Масса
Время
Скорость
Ускорение
Сила
Работа и
энергия
Мощность
Давление
Механические единицы измерения в различных системах
СГС
саптиметр-грамм-масса-секунда
1 см
1 г
1 сек
1 см/сек
1 см /сек2
1 дина (дн) — 1 г-см/сек2
1 эрг (а) = 1 дпна/1 см
1 »/сек = 1 эрг/\ сек
1 дн/\ с«4
Зыраженне единицы в системе
МКС
метр-килограмм* секунда
1 .V
1 кг
1 сек
1 м /сек
1 м/сскг
1 ныелон (н) = 1 кг-м/сск2
1 джоуль (дж) = 1 н/\ м
1 ватт (в/п) = 1 дж/1 сек
и/. ..
мк.гсс
метр-килограмм-сила-се-
метр-килограмм-сила-секунда
1 ж
«¦сек8
1 \Г
Q.80665 м
1 f^
! m/lck
1 л/сек*
1 кГ (кгс)
1 кгс- m(kFm)
1 кгс-м/\ сек
1 «С/1 .(/»
Та
б л и и а 1'
Формула размерности
в системе
СГС и
МКС
м
т
LT-'
LT'2
LMT-1
Л1КГСС
м
г
1J-X
LT~'2
F
LF
LFT-*

Пгрсьодные коэффициенты количества энергии в различных единицах измерении
Т а б .1 и ц а 3
I Стапдартппя
единиц;!
(. х:i11ичс¦ к не i /ипицы
Тепловые единицы
I /птицы измерения
эрг (э) ....
лптр-атмесферп
(л-шп) ....
к 1 м
1к?с-.\г)
Э.чектриче. к не единицы
(квт-ч)
джоуль
(ст-сек)
1 килограммометр
(кГм или i:.-t-m'\
1 лошадиная енлм-
-ч.чс (л. г.-ч)
1 малая калория
(кал) .....
1 Польшая калория
(ккал)
1 лжоуль—1 1)п:-сск
(дж •вш-ct'x)
1 киловатт-час
{квт-ч, kWh) . .
Газовая постоянная
R для 1 г-мсль ве-
вещества
,013-10"
¦I. 1^2- 10;
] .14- !Э10
!UT
36 !012
3,87-10"
1
1,02- IO~8i3,78- 10"
2,39 :
ЦГ7 2,78- 10
n-5 !
9 87¦
1000
0 ltJ 3 78 ;0" 0.2-39 i 2.39-10
I
4182
3,56-10J 3,67 10° | , 36 i 8,610s i 860 ! 3,6-10°
—11
10..чЗЗ 3,83-10'"! 24,2 2.4205-Ю"-1 101.3.3 2,82-Ю'5
0,OW* j 1 \3.7 I <) ^'' I 2.344 2,344-10 :i (i.SI 2.72 !O~'"'
2,6: 104 , 2.7 \(V' 1 6,32 10;' C,32 2,i35 loi; 0,73Н
0.0413 I 0,427 l.fb-10""'1' i ;0~:l 4.182 ; 1.162 ¦ 10~:i
1,17- 10~-
2,78- 10-7
106 0,0821 ! 0.8481 3.141O~b! 1,985 , 1 .< t5-I0"'1 : «314 i 3.308 10"

Таблица 4
Давление насыщенного водяного пара в мм рт. ст. при различных
температурах
Температура
"С
--1H
-50
—10
-зо
—20
-ю
-6
MM
p.,i. cm.
Mil j
9,04
0,12 |
0,3
0 9
1 9
2,1
2,3
2.5
:!.()
3,0
3,9
i 4. 2
4,6
5,3
0,1
7.0
8,0
Темпер.-тура
•С.
К)
1 1
12
13
14
15
16
17
IK
19
20
.?¦>
23
i
24
25
26
27
28
29
MM
рт. cm.
9,2
9,8
10,5
U,2 !
1
12,0
12,*
18,6
14,5
15,5
16,5
17,5
18.0
19,8
21.1
22,4
23,8
25,3
26,8
28,4
30,1
Темперач-ура
°C
30
31
32
33
34
36
38
40
42
44
¦10
48
50
60
70
1
80
90
100
MM
pm. cm.
31,8
33,5
35,3
37,4
39,5
44,2
49,3
54.9
61 ,0
67,8
75,1
83,2
92,0
149,0
233.1
354,6
525,4
760,0
404

Газ
Азот ... ....
Азотноватый апгндрил
Амлп'пк
Аогон . ,
Ацетилен
Воз iv х
Водород
Водяные лары . .
Гелий
Двуокись азота . . .
Закись азота ....
Кислород
Метан
Окись азота
Окись углерода . . .
Сернистый газ . . .
Сероводород ....
Углекислый газ , . .
Хлоп
Хлористый водород .
Этан
Этилен
1 р
У
¦5-
х„
Хоб
Xll3
-V"
'. с".,н.
-
п.-
Н.,0
Не
. ; NO,
. Х..0
. i б.
. сн
. : N0
. 1
. ' SO,
. i-l.,S
. СО;
. п..
. ¦ 11С1
. iCoH,
. ;с:н4
Некоторые константы
s : , К
§ j Ти |,
"t i°~~ 5,2 •
s. : h:-s i =E ,
i28,02 1,25156
22.402;
4J-024,1126 '22,370|
17,030,7708 :22.094J
39,941 7809 22,4 i
:26,021' 1791 122'. 14
28.96; 1 ,29i8 122.4
'¦ ^01l0'08<i8722^429:
i 1Й.0211 .00 22.12 |
4,00,0,178 122,4
46,01 i2,055 !22,37
44,02l! 9778 ;22.26 i
:32 00,1 42892
22,394!
16,030,7168 122,3681
13P 0Г,!,3402 !22.391:
!28 0 1,2504 !22.397
64,07 2,9266 121.89
!34 09 1 5392 22. 16
44.00| 1.9769 !22,26
i !
70,9213.214 ,22,366
36 47 1.6392 |22,29
i30'05jl,3565 111,16
28 0311,2606
22.26
наиболее
чпстанты v
Ван-доп-В,
1,345
—
4,17
1 35
4,37
1,33
0.245 |
5,47
0,0341
6,36
3,61
1.36
2,25
1,42
1 46
6,69
5,36
3,60
6,50
3,65 ;
— 1
4,48
употребительных
равнения
0,0385
0.0373
0 0375
0,0512
0.0366
0,0219
0,0326
0,0237
0 0532
0,0416
0,0318
0.0428
0,0296
0,0394
0,0565
0,0520
0,0427
0,0562
0,040S
0,0572
О -,*
ь =
—2Ю.5
— Ю,0
— , 7
— 189,4
— 81.5
—213
— 259,4
0,0
—272.2
при 26 am
— 10,0
— 102,4
-218,8
-184
— IP.3,7
—207
- 72,7
— 83
— 56,4
-100.5
-114
-183,6
-169,4
газов
В 5
с. II,,
•^
Г ^ j
— 195,8
— 33,35
— 185,7
— 83,6
— 192
— 252.7
W0
— 268,8
21,2*
— 88,7
— 182,97
— 161,4
— 151,8
— 192
— 10,0
- 60,2
|7 РОЗ! ОН-
кп—78,5
— 33,9
- 85
— 88,7
-105
- S
1!
>=
47,7
93
327
37,6
47
108
539,9
5,15
(см.
50,9
120,8
50,5
94,9
132
81,0
149
98,8
105
Та
1
IE
53 '<
ь .
_ к
г 1
21
ел
32 2
83,7
6,71
—
о 5
14'
б л и
Ц
I
1
Ц
*= u !
х з !
0,811
1,49
и
1
0,658 1
1,404
0,52
0,86
0.'070
79.6511,0
—
N,O.)
j
3,3
14,5
18,4
8,0
45,3
45,5
13,8
0,122
1,49
1,226
1,142
0.162
1,27
0,80
1,46
0,96
1,19
1,07
1 185
0,546
0.41
1
а 5
С! К
С ^
- ?Э
" i>
X х
II 1
,404
,31
67
,26
,40
',41
.324
,67
,30
,401
,31
,400
,404
,29
.32
,304
,355
1,41
,22
1,255
§ * Для равновесного состояния 2NO.;

Т а 6 л и
Температурная зависимость истинной молекулярной теплоемкости газов и паров при Р -~ I ата
Наименование глза
Не, Ne, Ar, Кг, Хе
и пары металлов
(Hg, Zn н т. д.)
СЬ, Br,. J,
Н, !
Н2О,
О,, N,
на,
Более
точно
NC
), СО
воздух
о,
N..
СО
N0
со2, so2
Нстиппия молекулярная теплоемкость
4, Рй
7.4 + 0,001 Г
6,88-ЬО,000066Г+0,279 ¦ 10~г> Т-
6.5 + 0,0009 Т @ — 2700° С)
6,89+0,003233 Г—0.343 ¦ 10~6Г2
8,15 + 0,0005 Т
6,76 + 0,000606 Г + 0,13' Ю~<; Т-
6,50 + 0,001 Т @ — 2700° С)
6,26 + 0,002746 Т — 0,77 • 10~6 Г2
6,30 + 0,001819 Т — 0,345- 10~6 Г2
6,25+0,002091 Т— 0,459- 10~6Г
6,21 +0,002436 7"— 0,612 ¦ 10~6 Г2
7.70 + 0,0053 Т-0,83- 10~6 Т-
@-2200° С)
8.71 +0,0066 / — 2,2 ¦ 10~6 /2
(от —75 до+ 20° С)
5,92 + 0,008963 Т — 1 ,764 ¦ 10~б Т2
8,04+ 0.0007Г+0,51 ¦ 1°~° Т°-
Истинная объемная топл'Н'Мкскть
0,3032+0,892-10 /+0,1785- 10~7 /2
0,2859+5,35 -10" / B000—3000' С)
0,3704+1,109 !0/ ^0.6093-10~7 I2
—
0,316+1,78-10~5 / + 0,142 10 1-
0,2951+5,35-10~5 / B000-3000= С)
—
—
—
—
0,46773-1,107-Ю .'—0,558 10 Г-'
E00—3000° С)
0,39143+4,3910 /— 3,57-Ю-7 г2
@—500° С)
—
—
Температур-
Температурные
границы
0 С
0—2000
0—1700
-_
0—2000
0—2000
0—2000
—
0—1700
0-1700
0—1700
0—1200
—
—
0—1700
0—1000
° 3 о
х с =
- о
^Х j =~
3
1 .5
Л
1 ,5
3
1 ,5
3
—
—
—
—
2
2
1,0
1,0

о о о
—Г —. со —t
О 1Л
LO О
о
ОС
1
о
о
о
000
I
о
2 | см
н л 1 + |
0=0§0
200
1
о
200
1
о
200
I
о
200
1
о
200
1
о
200
1
о
8
1
о
200
1
с
о
1 =?
1
о
о
о
о
I I I I
I I I I I
о
4-
'О
1
О
СМ
о-
о
о
о"
см
CD
00
Е-
СО
CD
8
о
4~
CD
<*
со
Jo
CD
QO
О
1
1
Ь-
t—
о
о
о"
-4-
О
CD
1
8-10
ОО
1
ю
о
о
+
со
со
СО
с
LO
о
о
о
+
ю
t—
Е~.
CD
СП
О
О
О
+
ел
in
1
1
о
CN
1П
00
+
¦ ю
СО
~~
СО
1
О
CN
00
со
1
1
со
1
О
CD
со
Ь^
со
1
с
о
см
4-
i
СМ
CD
"-¦
1
1
Е-.
СО
|
О
t^.
¦^r
CD
4-
сч
.—'
о
со f-
^. СО
СМ 1
СМ со
1 ~
О
_-
СО
ОО
о
см
ел
¦¦О
.—.
CD
СО
О
т
СО
О
о"
+
СО
CD
СО
[
ГО
1
о
00
см
ш
4-
ОС
l^i
f—
!О
О
. '
ао
in
1
(-,
CD
1
О
CD
о"
f^
СО
1
О
~^
СО
CD
Щ
О)
+
•ф
О
ш
1
(-,
CD
1
О
.71-
СП
см
1
Е-
со
1
О
о
m
о
00
¦ +
ю
СП
о
СО
о
о
о
о
4-
i
00
m
ОО
S
о
о
4-
О
ш
'?>
1
О
'•68S
|
Е-
1
О
1—
СМ
_1_
СО
00
со
L_
со
|
а
,53 1
7
i
Е-,
СО
1
.01
СЛ
¦ 4-
<xi
см
см
СО
|
О
оэ
см
а~>
1
СО
i
о
CD
О^
С^
со
+
СО
irj
О X,
Z U
о'
о
CJ
с
8
и
§ § 3
О
О
407

Таблица 7
Температурная зависимость истинной молекулярной теплоемкости для Н>, СО и N2 при различных
давлениях
Д.шле-
Ист;шн.!п молекулнр>!;>л теплоемкость, ккал/кг-мол
Н,
СО
1
50
100
200
300
400
500
СОО
700
800
ООС
5,
5,
7
/
7
/
7
7
8337-
9787
2850-
3124-
4048
4593
0610
,5856
,5930
6,6154-0,00106 7
6,785 + 0,0004364 7 — 0,03-10~ь Т2
¦' 8.1117—0,003085 7-1-3. 21-10~6 7- 8,6877— 0,0066902 7 +7,46- 1О~б Т-
п-7
9,59S51—0 ,0073287 Т f 6.44 ¦ КГ Тг
11,48452—0.0116437 7 +9,20-10~е Г2
11,0248—0,0147846 7+ 14,
7 7"-| 11,54525—0,118123 7 !-9.56-10~6 72
13,230 — 0,021032 7 + 18,60- 10~ь Т<
13,7773—0,0213755 7 + 17,63-10~6 7г
13,3260—0,018230 7+ 6,78-10~ь7-
6,4595 -;-0,0007 7
-0,00043868 7—1,8-Ю"
-0,000140 7—0,061-10'
-0,000552 74-3,71-10~7 721 11, 3669S-0,0122755 7 + 10,12-10~G 72
-0,000596 7+3,31-10'
-0,009770 7-1-7,67-10~
-0.001106 7+8,47-I0~7 7si 11,29322-0,9107815 7 + 8.75- Ю Т-1 13,6311—0,020175 7 + 8,975- 10~в 72
I
-0,011547 + 8,47- 10~7 72 11, 09243—0.010008-5 7 - 8,25- 10~с Г- 13,8487—0,021670 7 + 9,830-10~6 Т>
I
-0,001407 + 10,3-10~7 7- — | —
j i
' 10,54080—0,00817407 +7,00- 10~б7г! 10,9173—0,0078147 + 2,20-10~67г
i i ,
—0,001375 7+9,84-10"' 72| 19,95552—0,0059644 7 -: 5,27- 10~b 72 j 10,811 —0,007267 7 4- 1,97-10~ь7»

Таблица 8
Температурная зависимость средней молекулярной теплоемкости газов от 0° до t" С при Р = 1 ата
Наименование
j Температурные
i границы
Cl,, Br2, J3, S2
Н2
О,, N,, NO, CO. НС1,
воздух
0-2
Более точно 2
СО
КО
Н,О, HL,S
СО,, SO2
Более точно
СН4
NH3
С,Н,
24
Нефтяные пары
СО,
SO2
0—2200
0—2000
0—1700
0—2000
0—1700
0—1700
С—1700
0—1200
0—2000
0—1700
0—500
500—3000
0—1700
0—1700
0—1700
0—1000
0—1700
0—1200
Средняя молекулярная теплоемкость
кка.1/кг-мол
Приближенные формулы
средней молекулярной
теплоемкости
ккал/кг-мод
,-6
6,79 +0,0001 .'-i-0,1332 • 10
6,919+ 0,000109/+ 0,093 • 10~6/2
ю-6 /г
-6 (-2
10~6/2
7,08+ 0,000198/ + 0,1065
6,953 +0,001163/ —0,257 ¦ 10~6/2
6,771 +0,000815/ —0,115 • 10~~6 I2
6,787+0,000920/ — 0,153 ¦ 10'
6,87 +0,001051 /—0,204 •
8,3 + 0,000124/ + 0,455 ¦ 10~6 f-
7,76 +0,001548/ —0,114 • 10~6/2
8,76 +0,00492/ — 2,665 ¦ 10~6/2
10,49 + 0,001238 / — 0,00416-10~6 /2-2,64
8,996 + 0,003590/ —0,825 ¦ 10~6/8
9,827+0,002938/ —0,701 • 10~6/2
7,957 + 0,007809 / — 1,1396 10~6 /2
8,544+0,00410 / —0,588' 10~б/г
10,950 + 0,004528/ —0,881 ¦ 10~6/2
D,0 — р) 0,000248 / + 0,193 *
Q
7,67 + 0,0005/
6,685 4- 0,00045 г
6,685-:-0.00045/
8,05 + 0,0005/
8,785+0,0033/
8,52+0,0046/
8,42+0,00315/
11,03+0,008/
? — платность пефтянмх ппсюе при 15'" С, которая на практике обычно равна то 0,5 до 0,75

Таблица 9
Температурная зависимость средней молекулярной теплоемкости газов
от 0° до ta С при постоянном объеме
Наименование газа
Одноатомные газы (Не, Аг, пары металлов и т. п.)
Двухатомные » (N2, О2, Н2, СО, N0) ....
С02, S02
Н20, H,S
Все четырехатомпые газы (NH3 и др.)
ъ пятнатомные » (СН4 и лр.)
Средняя молекулярная
теплоемкость
ккал/кг-мол
4,98
4,80+0,00045/
9,00+0,00058/
4,00 + 0,00215/
10,00+0,00045/
12,00+0.00045/
Таблица 10
Средняя молекулярная теплоемкость газов от 0° до ta С при Р = 1 ата
Тсмпе-
°С
0
100
200
300
400
МО
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
6,90
6,92
6,94
6,96
6,98
7,00
7,02
7,04
7,06
7,09
7,12
7,15
7,18
7,22
7.25
7,29
ог
6,98
7,07
7,17
7,28
7,38
7,47
7,56
7,64
7,72
7,80
7,86
7,92
7,98
8,05
8,12
8,18
6,76
6,85
6,93
7,01
7,08
7,15
7,22
7,29
7,35
7,41
7,47
7,52
7,58
7,64
7,69
7,74
Значения
СО
6,78
6,88
6,97
7,05
7,13
7,21
7,28
7,35
7,42
7,49
7,55
7,61
7,67
7,72
7,78
7,84
со,
9,00
9,35
9,68
10,00
10,30
10,58
10,85
11,10
11,34
11,56
11,76
11,95
12,12
12,27
12,41
12,54
Значения средней молекулярной теплоемкости
ккал/кг-мол
си.
7,95
8,73
9,47
10,18
!0,86
11,51
12,14
12,74
13,31
13,85
14,37
14 86
15,32
15,75
16,15
16,53
нго,
H,S
7,75
7,91
8,07
8,22
8,38
8,51
8/M
8,79
8,93
9,06
9,19
9,33
9,45
9,58
9,70
9,83
8,28
8,64
9,01
9,39
9,74
10,09
10,44
10,75
11,06
11,36
11,65
—
—
—
—
—
NO
6,80
6,92
7,03
7,13
7,22
7,30
7.39
7,46
7,54
7,61
7,68
7 74
7,79
—
—
—
сгн4
9,4
10,5
11,6
12,7
13,8
14,9
16,0
17,1
18,2
19,3
20,4
21,5
22,6
—
_
—
so,
9,81
10,11
10,39
10,65
10,89
11,12
11,34
11,54
11,73
11.90
12.06
12,13
12,23
12,33
12,41
12,48
с,н2
11,01
11,41
11,82
12,23
12,62
12,99
13.35
13,69
14,01
14,31
14,60
14,87
15,12
15,35
15,56
15,76
Воздух
6,82
6,90
6,99
7,07
7,15
7,22
7,30
7,37
7,44
7.50
7,56
7,61
7,67
7,73
7,78
7,84
410

Продолжение табл. 10
Темпе ¦
ратур;.
"С
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
3000
34 8
,39 8
.44
,498
,53 8
,57 8
,62 8
,66 8
,70
,74
О2
7,80
7,85
,33 7,90
,387,94
,427,98
.45
48 8,05
52
8,56
8,59
7,92 8,76
1,01
8,08
8,11
8,14
8,26
Значение средней молекулярной теплоемкости
ккал/кг-мол
СО
7,89
7,94
7,98
8,02
8,05
8,09
8,12
8,15
8,18
8,21
8,32
со2
12,65
12,75
12,84
12,92
12,99
13,06
13,13
3,19
13,24
13,30
13.52
СН.
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Н2О.
H2S
9,96
10,09
10,20
10,30
10,41
10,52
10,61
10,71
10,79
10,87
11,23
—
—
—
—
—
—
—
—
—
NO
—
—
—
—
—
—
—
—
—
с,н4
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
so3
12,55
12,61
12,67
12,71
12,77
12,81
12,85
12,89
12,93
12,96
13,10
С,Н,
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Воздух
7,88
7,92
7,96
7,99
8,03
8,06
8,09
S, 12
8,15
8,18
8,29
Таблица 11
Средняя молекулярная теплоемкость газов от 0г до t° С
при постоянном объеме
Температура
"С
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
5000
Значения средней молекулярной теплоемкости
ккал/кг-мол
двухатомные
Г.13Ы (N2, О,,
Н2, СО, NO")
5,3
5,4
5,5
5,6
5,65
75
85
95
О
1
2
СО,
9,65
9,9
10,05
10,2
10,3
10,45
10,55
10,7
10,8
10,95
3
6
6,4
6,5
6,6
7,1
11
11
11
11
11
11
1
2
3
43
45
Н,О
7,15
7,4
7,65
8,0
8,3
8,75
9,15
9,65
10,1
10,5
10,9
11,
11,
12,
12,5
14,3
четырехатом-
четырехатомные газы
(NHS и др.)
10,55
10,6
10,7
10,8
10,9
1
1
1
1
1
,0
,1
t2
,3
,4
пятиатомные
газы
(СН4 и др.)
12,5
12,6
12,7
12,8
12,9
13,0
13,1
13,2
13,3
13,4
411

Т а о л и на 1*2
Температурная зависимость истинной удельной теплоемкости
и теплота плавления твердых тел
Всщсстио
Темпера-
Температур;]
Л!
Са
Sn
Сг
Си
658.0
850
232
1615
Темпера'! ур-
иыо границы
°С
—254,0
—231,2
— 136,0
—38,0
0—658
658—1000
—251,8
—21! ,1
— 110.0
0—809
809—1000
Игтипи;г,| уделытя типлоемкосп-
0,0024
0,0220
0,1465
0,1963
0,212-i- 0,0001 /
0,2434 {жплкпй А1)
1083
651
0—1520
1520 и выше
—258
—249,5
—223,1
— 184
-39
0—1083
1083—1500
-232,9
-179,3
0—644
644-800
0,0127
0,0799
0,146
0,1724 (приближенно)
0,267 (жидкий Са)
См. гап.1. 1.4
0,П 13+0,00H24 С -i 0,3210
-0,123 (жилкрй Сг)
0,0007
0,0138
0:0226
0,0541
0,0879
0,091-1-0,000027.'-; 0,9- И}-9 .'*
0,122 (жидкая Си)
0,0347
0,1874
0,242-.j-0,(H0!05 /
0,24?- (жидкий М.С)
Теплота
пллолс-
кка.1 /кг
78,5
13,5
70,0."
49,
45,5
412

Продолжение т я б л. 12
Вещество
Темпера-
Температура
плавления
°С
1260
1420
Температур-
Температурные границы
°С
0—835
835—1044
1014—1221
1221 и нише
12!'
232
Углерод (С)
(среднее
для всех
видов, кроме
алмаза)
Графит (С)
Ni
1527
3500
(по.чг.)
1452
—241
—231
—206,1
— 163
0—721
721—780
780—906
906—1401
1401 — 1528
1528 и выше
—244,4
— 229,0
— 190,6
—50,3
0 -1300
1300 и нише
0-900
0—353
353—1450
1450 и выше
Истинная удельная теплоемкость
ккал j кг
0,10455-1-0,000134/
0,1646 (приближенно)
0,1905 (то же)
0,1975 (жидкий Мп)
0,1964
0,2029
0,0027
0,0058
0,021С,
0,0621
0,108 i-0,00005 /-]-0,125 10~6 /2
—3,05+0,0045/ (а-феррпт)
0,185 (переход в fi-фсррит)
0,152 (переход в -(-феррит)
0,179 (переход в о-феррнт)
0,1942 (жидкое железо)
0,0050
0,0083
0,0240
0,1138
0,19025+0.00044125 /+0,15 Ю
0,408+0,00005567/
1 ,1+0,0048 7—1 .2¦ 10~6 Т-
-0,1075+0,01124 Г-0,5325- 10~° Т"
Теплота
плавле-
плавления
ккал/кг
62,
132,5
5 6,0
0,1055+0,0000624/+0,568-10~7 f1
(сышкель)
0,13088 (переход п ;'1-ннкель)
0,1775 (жидкий Ni)
70,04
413

Продолжение табл.
Вещество
^ромб-
^монокл.
Hg
PI)
Zn
р
I-.0 (лед)
ALOU
SiO..
Темпера-
Температура
плавления
"С
113
119
38 ()
327
419
45
0
2050
1725
1710*
Температур-
Температурные границы
°С
0—94,5
94,5—113
—39 до 357
357 и выше
-257,1
—249,6
—218,6
',—327
327 и выше
—240
-188
0—420
420—900
—
0—500
500—1000
0—572
522—1710
Ис11мш,|>| удельная теплоемкость
ккал/кг
0,16885 + 1,47-10" 4 /
0.17455 + 2,25-10~4 /
0,03537-0,69-10~6 / (жидкая Hg)
0,025 (пары ртути;
0,0090
0,0153
0,0257
0,0297 + 1 ,358-10~5 /
0,034 (жидкий РЬ)
0,0191
0,0649
0,0907+4,44-10~5 /
0,1107 (жидкий Zn)
См. табл. 13
<~.м. рис. 8, стр. 118
0,18735+0,0002854 /—0,213-10~6 t-
0,2303+0,000093 /
0,1653+0,000455/+0,51249-10^6 /2
0,28
(пре.'фащ. а-кварца в 3-кварц)
Теплота
плавле-
плавления
ккал/к^
9,4
2,77
6,30
—
26,67
-—
5,13
79,65
50,<J
_
30,5
* Кварцевое стекло; кварц
'14

Вещество
CaO
В'2О3
F<'304
F«S.2
СаСОз
CaSiO3
Металлурги-
Металлургические
шлаки
Темпера-
Температура
плавления
°С
2572
1565
1570
1171
1339
1510
1300—
1400
-2300
Температурные
границы
°С
0—800
0—700
0—700
0—600
0—1200
0—900
От 0 до тем-
температуры
плавления
и выше
—
Продолжение та
Истинная удельная теплоемкость
ккал/кг
0,17874-1-0,0001802 г—0,1 МО/2
0,14588+0,0002547/—0,1731 ¦ 10~6/2
0,14269+0,0003047,'—0,2175 • 10~6/2
0,1456+0,000188/
0,1972+0,000182?
0,170514+
+ 0,00022722 / — 0,1455- {0~6Г-
0,1854+0.0000625/+0, 39-\0~7t2
0,28—0,29
—
б л. 12
Теплота
плавле
ння
ккал/ьг
180
—
—
—
—
—
40—50
—
120
Таблиц;! 13
Температурная зависимость средней удельной теплоемкости
твердых тел
Вещество
А1
Са
Температурные границы
°С
От —182 до +15
0—658
658—1000
0—20
0—809
809—1000
Средняя удельная теплоемкость
ккал/кг
0,168
0,222+0,000051
87,07
0,2434 + (жидкий А1)
0,145
0,174
3 2
0,267 +~~~ (жидкий Са)
415

Т а б л и ц а 13 (Про д о л ж е и и е)
i'CiueCTBCi
s "r
Углерод (С)
(среднее
для всех
пилон,
кроме
алмаза)
Си
Sn
Fe
1
Температурные границы
°С
От —253 до —196
От —188 до 0
0—1600
1600 и чиже
0 — 1300
1300 и выше
От -192 до +20
20—100
0—1033
1083—1500
От —186 до +79
19—99
0—232
От —192 до +20
0—721
721—780
780—906
906—1101
1401 — 1528
1528 и выше
Средняя удельная теплоемкость
ккал/кг
0,0142
0,0794
0,1113+0,000012/+ 0,01067-Ю-6/2
130,27
0,123-1- (жидкий С г)
0,19025 + 0,000220625 t + 0,05- Ю~пГ-
0,408+0,00002783 t ——^-^
0,0798
0,0936
0,091 + 0,0000135/ + 0,003 10~6/2
36,01
0,122 + (жидкий Си)
0,0468
0,0552
0,0560+0,000044/
0,089
0,108 + 0,000025 / + 0,0417-10~6<И
1135,9
3,05 + 0,00225 /+ —(а-феррнт)
18,605
0,185 — (переход в fi-феррит)
16,648
0,152 + (переход в -(-феррит)
19,648
0,179 — (переход в й-феррит)
22,256
0,1942 ( (жидкое Fe)
416

Таблица 13 (Продолжение)
;щес гво
р
Ni
Si
W
Zii
Температурные границы
"С
От —78 до +-10
13—36
15—98
49—98
От —253 до —196
» —188 » +20
0—353
353—1450
1450 и выше
От —188 до +20
0—1415
1415 и иышс
0—2200
0-420
420—900
Средняя удельная теплоемкость
ккал/кг
0,17 (желтый)
0,202 (желтый)
0, 17 (красный)
0,205 (жидкий)
0,0208
0,0869
0,1055+0,0003312/ f 0,0142-10~8/2
2, 17
0,13088 -L—
0,63
0,1755 + (жидкий Ni)
0,0118
0,200 +0,0000188/
0,232 + ——-
0,032 + 2.33-10~6/
0,0912+0,0000166/ +
+ 1,275- К)"8/2—6,375- 10~12/s
22.579
0,1107 + (жидкий Zn)
Л1.2О3
0—500
500—1000
0—1000
СаО
FeO
Fe,O3
Fe3Ol
27 С. Д. Бесков
0—800
0—700
0—700
0,18735 + 0,0001427/- 0,071 • 11~6!*
0,2303+0,465-К)/ !- —
0,2081 +0,0000877/ (приближенно)
0,28
0,17874+0,0030901 /—0,0366-10~6/2
0,146
0,14588+0,00012735 / — 0,0577-10~6/2
0,14269+0,00015235/-0,0725 10~6/2
417

Таблица 13 (Продолжение)
Вещество
MgO
SiO3
Mg
Mn
Hg
Температурные границы
•С
0—100
100—1200
0—572
572—1710
0-1500
От —186 до —79
0—644
644—800
От —253 до —196
» —79,2 » +15
0—835
835—1044
1044—1221
1221 и выше
От—270,2 до —269,1
» —253 » —196
» —77,2 » —41,8
» —40 » +357
357 и выше
Средняя удельная теплоемкость
ккил/кг
0,2166 +0,0001755/
1,373
0,244 + 0,0000408/—
0,1653 +0,000225 / — 0,17083/1
0,28-^
0,1833 + 0,000077/ (приближенно)
0,189
0,242 +0,0000525/
41,2
0,284 + —у (жидкий Mg)
0,0225
0,1091
0,10455 + 0.С0СС673/
0,6424
0,1646— —
23,181
0,1905 — —:—
31,0
0,1975 — (жидкий Мп)
0,00053
0,0232
0,0329
0,03537—0,345-10~6/(жидкая Hg)
0,025 (пары Hg)
418

Таблица 13 (Пподолжение)
Вещество
РЬ
S
СлСОз
CaSiO,
Динас
Шамот
Доменные
шлаки
Основные
мартенов-
мартеновские
шлаки
Температурные границы
"С
От —192 до f20
15—100
0—327
327 и выше
0—94,5
17—45
94,5—113,0
113—160
160—264
0—1200
0—900
600—1400
0—500
500—1100
0—1300
1300-1600
От 0° до темпера-
температуры плавления
Температура пла-
плавления и выше
Средняя удельная теплоемкость
ккал/кг
0,0293
0,0309
0,02925 + 0,000019/
0,0402 (жилкий РЬ)
0,1751 1 (ромбическая сера; при 94,5"
0.1630] переходит в моиоклнническую)
0,1982 (мопоклииическая сера)
0,235 ) (жидкая сера; при 160° переходи7
0,300 / в тестообразную; см. также табл. 15
0,1972+0,000091 t
0,170514 + 0,0001136/ —0,0485-tO/'
43,75
0,31625— —
0,2039—0,0036 -Ю/ +0,1332-10/1
0,3831 — 0,00026875/ +0,1875-Ю/»
0,16523 + 0,00021354 / — 0,28184- Ю~6/2 +
+0,136Ы0~9/4
0,286
0, 1854 + 0,00003125 / + 0,013-10~6/'
0,286
','7*
419

Табляиа 14
Средняя удельная теплоемкость твердых тел при комнатной
температуре
а) Элементы и химические соединения
Вещество
А1
Аи
Cd
Р
Bi
Pt
PI)
Sn
s
V
Ag
Лед при 0°С
Лед при —20°C
AgCl
CaCI2
CuCI,
KC1
NaCl
Средняя
удельная
тепло-
теплоемкость
ккал/кг
0,91
0,0313
0,0555
0 2121
0,0303
0,0328
0,0297
0,0496
0,1809
0,1153
0,0556
0,505
0,431
0,0856
0,1642
0,1383
0,1616
0,206
Вещество
ZnCI,
N1I4C1
KJ
КСЮз
NaClOa
Ca(PO3J
CuS
CuFeS2
ZnS
K-:S
CuO
FcO
FeCO3
к.со3
Na2CO3
AgNO3
К NO,
Средняя
удельная
тепло-
теплоемкость
ккал/кг
0.1326
0,363
0,0742
0,196
0,2241
0,1992
0,1243
0,1291
0,1146
0,1615
0,1306
0,1600
0,1960
0,2162
0,2728
0.1436
0,2210
Вещество
NaNO3
NI14NO3
KA1(SO4J 1211,0
CaSO4-21LO
CuSO4
CuSO,,-5H2O
FeSO4-71I.,O
K,SO,
MnSO45HoO
Na2SO4
CaSO4
NiSO4
ZnSO4
K2Cr2O,
KC1O,
KMnO4
NaOl 1
Средняя
удельная
тепло-
теплоемкость
ккал/кг
0,260
0,298
0,349
0,256
0,151
0,269
0,346
0,1783
0,323
0,2312
0,1753
0,216
0.174
0,1894
0,190
0 179
0,78
б) С п л а а ы
Вещество
Сталь углеродистая . .
» хромо-пикелевая .
> хромистая . . ,
» марганцовистая .
s кремнистая . . .
» ванадиевая . . .
Бронза (80% Си, 20% Sn)
420
Средняя
удельная
теплоемкость
KKuj/кг
0,1225
0,118
0,121
0,125
0,119
0,118
0,086
Вещество
Бронза фосфористая
» алюминиевая
Вуда сплав . . .
Комстг'нтап . . .
Латунь
Нейзильбер . . .
Мамгчнии ....
Средняя
удельная
теплоемкость
ккал/кг
0,0860
0.1043
0,0352
0,0977
0,0917
0,0874
0,10

Таблица 14 (Продолжение)
в) Минералы н строительные материалы
Вещество
Апатит
Асбест
Асфальт
Базальт .
Бетон
Гематит
Гипс
Глина сухая
Гранит
Доломит
Известняк
Инфузорная земля . . .
Каолин
Средняя
удельная
теплоемкость
ккал/кг
0,190
0,195
0,22
0,205
0,21
0,174
0,21
0,22
0,197
0,222
0,21
0,19
0,212
0,224
Вещество
Кирпич
Мел
Мрамор
Песок
Песчаник
Пирит
Пиобка .
Слюда
Стекло лабораторное . .
Тальк
Фарфор
Шифер
Эбонит
Средняя
удельная
теплоемкость
ккал/кг
0,215
0,214
0,212
0,191
0,174
0,128
0,485
0,208
0,20
0,209
0,26
0,18
0,3—0,4
г) Органические соединения
Вещество
Анилин
Антрацен
Антрахинон
Гидрохинон
Каучук
jn-Крезол .......
Кислота мураньиная . .
> уксусная . . .
» винная ....
» щавелевая . .
Мальтоза
Средняя
уделыыя
теплоемкость
ккал/кг
0,5
0,318
0,303
0,258
0,45
0,55
0,430
0,618
0,3595
0,2785
0,322
Вещество
Молочный сахар . . . -
Масло растительное . .
Нафталин
Нефть
Парафин
Резина
Тростниковый сахар . .
Тимол
Фенол
Целлюлоза
Этилацетат
Средняя
удельная
теплоемкость
ккал/кг
0,288
0,5
0,314
0,4—0,5
0,7
0,5
0,304
0,387
0,561
0,36
0,48
421

Таблица 15
Удельная теплоемкость и теплота испарения жидких тел
Жидкость
Алюминий ...
Лммнак (жидкий) . .
Ацетон
Анилин
Бензол
Вода
Глицерин
Железо
Кислота муравьиная .
» уксусная
Кислота серная
!¦¦ (концентр.) ....
Кислота стеариновая
Кремний
Нитробензол ....
Олово , .
Пиридин
Ртуть . ,
Сернистый ангидрид
Химическая
формула
Л1
NH3
СН3СОСН3
C,H5NHa
с,н,
Н.2О
С3Н5(ОИ)з
Fe
HCOOI-I
CH3COOII
1I.,SO4
CJ71135COOH
Si
CeH5NO,
Sn
C5HBN
Hg
so2
мпература
пения при
= 1 ата
1S00
—33,
56
184
80,2
100
290
3000
101
118
338
—
2600
211
2260
116
357
-10,1
Я]
С
Я
§?§
С х И
2227,0
327
125,3
109,3
94,4
538,9
—
595,0
120,4
97
—
—
1262
79,2
271
102
68,7
94,9
Удельная
теплоемкость
ккал/кв
См. табл. 13
1,0.4
1,098
1,215
0,506+0,000764*
0,478
0,521
0,547
0,376
0,389
0,406
0,444
0,473
1,008
1,000
1,002
0,485
0,540
0,598
0,668
См та б л 13
0,496+0,000709*
0,468+0,0001J9*
0,339+0,0003,4/
0,550
См ту'I 13
0,358
0,329
0,393
См. тяОл 13
0,405
Zw. таил. 12 и 13
0,313
3,327+0,00028*
Темпера-
Температурные
границы
•с
—40
0
60
от —30
до +56
0
50
100
0
5
20
60
90
0
4
100
—50
0
50
100
0—120
0—80
10—45
75—137
10
50
120
Ок. 100
—20
11 — 140
122

Таблица 15 (Продолжение)
Жидкость
Смола (каменно-
(каменноугольная) . . .
Сера
Сероуглерод ....
Сжиженные газы . .
Спирт метиловый . .
» этилопый . . .
¦ пропиловый . .
Толуол . .
Фосфор . . .
Хлороформ
Цинк . . .
Четырех хлористый
углсроч . . .
Эфир серный ....
» уксусноэтнло-
ный
Химическая
формула
s
cs2
N2, O2, CO, СО
CHjOH
С2Н5ОН
С3Н,ОН
СвН5СН3
р
С11С13
Zn
СС14
C,IISOC,H5
ClI,COOCjH5
.тура
1 при
Ь. к
316
46
—
66,5
78
97,3
111
280
60,2
906
76,6
34,8
77
1 испа-
s a
О E-S
S х а
-85,
362
84,1
—
262
216.4
163
86,2
287
61,2
450
46,6
84,5
88
Удельная
теплоемкость
ккал/кг
-0,60
0,199
0,2346
0.279
0,331
0,324
0,235+0,000246
См. таил. 5
0,566
0,616
0,473
0,535
0.580
0,652
0,824
1,053
0,456
0,480
0,654
0,386
0,421
0,470
0,205
0,221 +0,000330*
См. табл. 12
и 13'
198+0 000031/
0,529
0,548
0,802
0,478
Темпера -
границы
•С
119
119-147
161—201
201—233
233—264
От —100
до +150
—
0
40
—50
0
25
50
100
150
-50
0
50
0
50
100
49—98
От —30
до +60
и— /и
0
30
120
20
423

s
с;
о
и
g
I I
I I
0^ГОСОГ
, ^_ _, cs, CN СМ
см о о о оо to t--
о -^ ос о о to с~.
ОО "Г 1П' СС CM CN CN
CN CM CN СО <Ч5" Ю СО
О
S
о
I I
s
о.
X
z
COO — O-tiOM'. _ _
OOX ОООООСМЮ COCN CD I I I I I I I
М
О
О — CO
СП — (
Г— СО
00 f CO Ю 0O - 1П
Ю^Ю00 — О
CO
— (M CO ^ Ю N
or esoooc
— ТГ СП О CO rp OJ
CO IT Ь 00N (DO
оо со о со oo cd <m
<— —' CM CM CO ^ tO
с
и
X
2
X
т
X
ч
о
о
^iOrtrOCD
N — СПСГСО
jtDNOM
II
OOOOJCN
COCOOCNCH —
СПСПОOOr
OOOOCDtO
tniOtDCOO-¦
— 1П C. C^ N С ICO
urO'T'ON OOO-'
cna)OMO(?
о го n cr о to a
со «* ir; со cn О) см
CN CN CM CO ^ lO tO
О
ч
с
о
и
OOWlOWtOCDOCgJiOCnOrCD
CO СГ, — lO О N тр ^J"r- Ю N С ^ с»: П CO T
CQOD — О) МЛ ГО CM О 0О N Ю'f
OIOCD(N--IO-<O
юоосгамчо
tD Г0 — СО 1П CO —
—' — С tO -- (M CO О
NCCCWlDC*O
—• CM Ю О Tt- CM CM
СП СП СГ- LO ¦—¦ (^- CM
см о ос о см to to
О Г? Cfj 00 -¦ОООООСМСП — (DOnmNOI
СПОООССГ-О*) — Cvl lO XI CN О О) СО 1П ГОСОСГ)
tocoor—-^cMcntciro — oocx;co — cnr--LC
Co f- on о "^ см см
** r--- —¦ rt* — i^- см
CO-OlOtNlDCf
oooooo
ooooo
—i CM pr. flOt
) О
_ _ - _ - - 3 С
ОТ. СП О LO О Ю С
* см см со со т
424

Таблица 17
Теплоты образования важнейших химических соединений при
~ 20" С и Р = 1 ита
Соединение
НС1
НВг
HJ
Н.,0
Н2О
Н2О2
H,S
NHS
РН3
AsH3
СН4
С2Нв
с,н2
I. Неметаллические
Исходные вещества
(реакция образования)
1. В о Д о р о д и
1 1
1 1
2 "т 2
1 1
Ня + — О2 (при 0° С)
Н3+ — О2 (при 20° С)
Н2+О,
I
2 'газ "'" '*
1 3
2 2 "*" 2 2
Р I- — Н
тверд. ~ 2
3
^графит -г zl^2
^^i рафн г 4^ Зг1з
'^графит 4" zl '2
2Сграфм14- Н2
соединения
Теплота образования
газ
ые с о е д
+22 000
+ 8 400
—6 000
+57 800
+ 57 850
+5 000
+ 19 600
+ 11000
—5 800
—44 200
+ 18 600
+22 700
—?0 900
—54 800
жидкость
и н е н и я
—
—
—
+68 520
+68 380
+46 800
—
+16 700
—
—
ММ
раствор
+ 39 310
+28 300
+ 13 200
—
—
+ 45 300
+9 600
—
+ 19 350
—
—
—
425

Соединение
нею
НСЮз
НСЮ«
SO,
SOa
SO,
so,
HaSO«
H,SO4
H,S,O4
N2O
NO
N2OS
NO2
N3O4
UNO,
tl NO,
PA
Таблица 1
Исходные вещества
(реакция образования)
2. Кислородн
1 1 1
ун, + тс12 + —о,
1 1 3
т н. + -2- ci2 + - о.
I 1
Sp0M6. + 02
4-S*(r.a) + O,
3
I
^роыб. +2О, +На
SO2pacTBOpH — О8 + Н2О
2SPOUU. + 2О2 + Н.
1
1 2 2
1 1
2 2 + 2 2
N.+-fo2
1
N, + 20,
~ N2+O2+ у Н,
2 2+ 2 2 2 2
5
' (Продолжение)
Теплота образованна
ккал/кг -мол
газ
жидкость
ые соединения
—
—
—
+69 000
+83 000
+91 900
+22 900
—
—
—
— 17 700
—21 600
—21 400
—8 100
—2 600
—
+34 400
—
—
—
+18 800
+75 000
—
+ 102 000
+33 000
+ 192 900
—
—
—15 000
—
—
—
+5 200
—
+41 500
366 000
тверд.
раствор
+30 400
+23 900
+39 100
+78 000
—
+ 141500
+72 500
+210 800
+63 700
+156 100
— 13 200
—
+7 600
—
+ 11 500
+30 800
+49 100
+405 100
426

Соединение
НаРО4
,v.,o,
As,O6
H.ASO.
зьл
в,о,
со
со
со.
со,
со,
SiO,
SiO,
Таблица 17
Исходные вещества
(реакция образования)
3
2А3твеРд. + Y °2
2AsTBCM. + -f О,
AsTBePA.+ 2O2+-f На
2Sb+-|-O,
2Ва11орф.+ -^О,
1
-"аморф. ~г 2 2
'-"графит. + ~2~ ^г
"аморф. ' 2
Сграфит. + °2
со+^-о,
SiaMoP4.+O2
SiKPllCT. +°*
(П ро до
л ж е н и е)
Теплота образования
ккал/кг- иол
газ
—
—
—
—
—
—
+29 700
+26 200
+97 800,
+94 250
+68 100
жидкость
+300 100
+ 154 700
+219 400
+ 215 600
+163 000
+282 100
—
—
—
—
—
раствор
+ 305 300
+ 147 100
+225 400
+215 200
—
+289 400
—
—
+ 103 680
+100130
—
(+ 196 420 для твердого)
(+19
1 000 Д.ПЯ
твердого!
* При всех процессах обугливания (например, при коксовании угля)
получается так называемый аморфный углерод. Поэтому при расчетах сгора-
сгорания кокса и подобных ему видов топлива теплоту сгорания обычно берут
ТЛЯ Саморф.
427

Таблица 17 (Продолжение)
Соединение
Исходные вещества
(реакция образования)
\
Теплота образования
ккал1кг-мол
раствор
3. Другие соединения
NOC1
РС13
РС1„
AsCl3
СС14
СОС12
СОС12
SiF4
H2SiFe
cs2
cs2
HCN
— N2 + —"O2+ —Cl2
0 9 9
P J- ¦ П
г тверд, т 2 *
5
P тверд. + 2 2
3
А5тверд.+ -^-Cl,
Саморф- + 2C12
СГрафит+~2~ O2+ Cl2
CO+C12
^'крист. + ^Рг
SiKpilCT. + 3F2 "I" H2
С _L 9*ч
^аморф. i •'°тверд.
^аморф. + ^граз
C+^-H2 + y-N2
-6000
+ 68 300
—
—
+ 18 200
+ 51 600
-f ¦ 26 200
+ 360 200
—
— 26 000
+ 12 500
— 30 000
—
+ 75 300
-
( + 105 000 для
твердого)
+ 71 400
+ 25 400
—
—
—
—
-19 600
—
— 25 000
—
-
-
-
—
+545 40(г
—
—
—24 00A

Таблица 17 (Продолжение)
II. Соединения металлов
Соединение
Na2O
Na2O2
NaOH
K2O
KOI I
NH4OH
<:u2o
GuO
Cu(OIIJ
MgO
Mg@1IJ
CaO
Ca(OH),
BaO
Исходные вещества
(реакция образования)
Окислы и щелочи
2Na + — -O,
2Na
1
3
2Cu +—O2
CuO + H2O
2
Mg + -у O2
Mg + O2 + H,
Ca +— O,
Ca + O2
Тсплотэ образования
ккал/кг мал
твердое I
вещество | Раствор
+ 100 700
+ 119 800
+ 102 700
+ 86 800
+ 102 700
+ 40 800
+ 37 800
+ 1 660
+ 6 500
+ 145 800
+ 217 300
+ 152 100
+ 236 000
+ 133 400
+ 157 200
+ 112 700
+ 161 800
+ 116 000
+ 20 300
+ 170 100
+ 238 800
+ 167 900
429

Таблица 17 (Продолжение)
Соединение
Ва(ОНJ
ZnO
Zn(OHJ
CdO
HfoO
HgO
A12O,
A1(OHK
SnO
SnOj
PbO
PLOj
v,o3
v2os
Cr2O3
CrO3
Исходные вещества
(реакция образования)
Ва + О2 +Н,
Zn + yO2
Zn + Ог + Н,
Cd+~О,
Hg + ^"О2
2AI + ~О2
А\ + -J- О, + — Н2
Sn + О2
1
Pb + — О2
Pb+O2
2V+-|-O,
2V+-|-°2
3
2Сг+-2~О2
3
Теплота образования
ккал/кг-мол
твердое
вещество
+ 219 100
+ 83 000
+ 2 400
+ 65 200
+ 22 200
+ 21 500
+ 378 000
+ 297 000
+ 66 800
+138 000
+ 52 700
+ 65 300
+ 302 000
+ 437 000
+ 267 000
+ 140 000
раствор
+ 231 40A
-
-
-
—
-
-
-
-
-
—
—
—
—
—
+ 142 500
430

Соединение
МпО
МпО,
МпЛ
FeO
Fe2O3
Fe3O4
Fe(OH)s
NiO
TiO,
WO,
MoOj
Таблица
Исходные вещества
(реакция образования)
1
Мп + — «а
Мп +О2
ЗМп + 2О2
Fe + -у O2
2Fe +~ О2
3Fe + 20 2
3Fe+-f-Ot + -f-H,
1
Ni+TO,
Ti+O,
W+0,
Mo + O2
17 (Продолжение)
Теплота образования
ккал/кг-мол
твердое
вещество
+90 800
+123 000
+327 000
+64 000
+ 195 000
+265 500
+191 200
+54 700
+218 400
+ 131400
+ 142 800
раствор
—
—
—
—
—
—
—
—
—
--
—
Na,S
K2S
CuS
Cu2S
Ag,S
CaS
BaS
2. Сульфиды*
2Na + S
2K+S
Cu + S
2Cu + S
2Ag+S
Ca-rS
Ba + S
+88 700
+87 300
+ 11600
+ 19 000
+3 300
+ 111200
+ 102 500
+ 104 200
+ 110 000
+117 300
+ 109 500
* Здесь принимается, что исходным является сера твердая (ромбическая).
431

Соединение
ZnS
SnS
CdS
HgS
PhS
MnS
FeS
FeS2
T а в л и ц а
Исходные пещсства
(реакция образования)
Zn +S
Sn+S
Cd + S
I lg + S
PI) + S
Mil + S
Fe +S
Fe + 2S
7 (Продо
л ж е н и е)
Теплота образования
ккал/кг-MOJ
твердое
вещество
+ 41 300
+23 900
+34 000
+ 10 900
+20 900
+62 900
+23 100
+35 500
раствор
—
—
—
—
—
—
—
NaCl
КС1
NH4C1
NH4C1
CuCl
СиС12
AgCl
MgCI2
CaCL
BaCl2
ZnCl2
MgCl
HgCl,
3. X л о р и д ы
1
Na
—Cl,
N]l3(n,3)+HClra,
--N2+2H2+-~ CL
Cu + -yCls
Cu+01,
Ag + --C1,
Mg + Cl,
Gi + CL
Ba + Cla
Zn + Cl,
Hg + yC]*
llg+CL
+97 700
+ 105 600
+41 900
+ 75 800
+32 900
+51 600
+30 600
+ 151000
+ 191 000
+205 000
+98 700
+31 300
+ 53 200
+96 400
+ 101200
+38 000
+71 900
62 700
+ 14 900
+ 186 900
+208 400
+207 100
+ 114 300
+49 900
132

Т а б л и ц а 17 (П р о д о л жени е)
SriCI.,
SnCl4
PbCl,
MnCI,
FeCl-2
I eCU
Ca,N,
CaC,
Ca(CNJ
CuC.II
NaCN
AgCN
KCN
A1N
Al,C:l
Fe:,C
SiC
Исходные вещества
(реакция образования)
Теплота образования
ккал/кг-мол
твердое
вещество
-i-161 000
4-80 800
¦:-i^7 300
-1-85 700
-i-112 000
+82 100
-! 96 000
раство(
*
+237 80
+81 20(.'
4-157 20C
+78 90C
+128 00C
+ 100 00L
+ 128 701
Са
ЗС;
Са
4
'. +
+
2С
3
0
N»
2С
+
- N
N¦2
2
Sn +C12
Sn + 2CL
РЬ + С1;
Ми + С12
Fe + CL
3
4. Н ндрнды, карбид ы, * ц и а и к д ы
+ 112 200
+ 14 100
—63 700
—22 100
+22 600
—67 800
—31 500
+27 800
+60 000
+245 000
—5 400
+2 500
Си + С -
N;i + С + — N.,
2
— Na
Ag + С +
С 4 у N2
4AI i 3C
3F< С
i«, , ,|. +C
*Уг.мер<п нсюду входит как < , фит.
28 С. Г. Веское
+ 58 701,
22 100
-i 24 80C-

Таблица 17 (Продолжение)
_,оедикепие
HgN3
Hg(CN)a
Na.,SO4
NaIISO.j
K2SO4
KIISO4
NH4JS0j
NH4IISO,
CuSO,,
MgSO,
CaSO4
BaSO,
2nSO,
CdSO,
n&so4
HgSO4
A12(SO5),,
MnSO4
FeSO4
;o2(S04):,
Исходите вещества
(рспкция образования)
IIg + ^N2
I Ig -;- 2C + N,
5. С у л ь ф а т ы *
2Na-|-S + 2O2
N.i -;--- II+S + 2O.
2K-J-S + 20*
К 4 -9 ][2+2O3
N2 -1- 411,-1- S 4 20.,
1 5
—- N.. + --- 1I2-!- S4-2O,
Cu-i-S +20.
Mg 4- S -1- 20,
Ca-|-S + 2O2
Ha -1- S -f- 20,
Zn + S + 2O2
Cd -[- S -1- 2O,
2Ilg + S-i-2O2
1 Ig 4- S + 20,
2Л1 4-3S-S-6O,
Mn + S + 20-,
1
1-е 4- S03 4- -- 0, + вода
3
2l'> 4- 3SO3 -L- - (). 4- кода
'Гс-плота ОС
ккал/
твердое
вещество
— 71400
-63 600
4-327 900
4-267 400
4-340 600
4-274 000
4-281 900
4-244 600
-1-111500
4-302 300
4-332 500
4-340 200
4-230 100
4-221600
+ 175 000
+ 165 100
—
4- 249 400
разоваппя
кг-мол
раствор
—66 600
4-328 100
4 268 600
4 334 200
4 270 200
4-279 500
+244 600
4-126 300
4-322 800
-
-
4
336 900
334 600
-248 500
-232 600
—
170 000
4-879 700
-1-263 200
1 93 200
-224 900
Сера исюду входит как Sp0M6-
134

Таблица 17 (Продолжение)
Исходные вещества
(реакция образования)
Теплота образования
твердое
вещество
растоор
NaNO3
KNO3
6. Нитраты, нитрит ы
1 .. 3
О,
NH4NO3
Cu(NO3),
AgNO3
Ca(NO3).
Pb(NO3J
Ba(NO3J
NaNO2
KNO2
NH4NO,
AgNO,
N,+2H2+~y С
Cu + N, + 3O2
1 3
Ca -t- N2 + 3O2
Pb + N2 + 3O2
Ba + N3 + 3O2
Na + -y N2 + Q,
1
N2 + 2H2 + O2
1
Ag+—N.+O.
7. Карбонаты*
NaHCOa
K2CO3
i<IICO3
* Углерод всюду входит как Сграфи1.
29 С. Д. Бесков
+111 200
+ 106 200
+ 119 500 i ЫЧ 000
i
+88 100 +81 800
+71500 +82 000
+28 700 +23 300
+216 700 +220 700
+ 108 100 +100 500
+ 228 400 +219 000
— +84 500
| +87 400
+65 000 +60 200
j
+ 11300J +2 500
J-272 600
+229 300
+281 100
+233 300
278 200
+ 225 000
+287 600
+228 000
435

Соединение
(NHJXOa
NH4HCOa
CuCO3
CaCO3
ВаСОз
ZnCO3
PbCO3
FeCO3
Таблица
Исходные вещества
(реакция образования)
N» + 4Н2 + С + — О,
у ^+уН2 + с + уО2
Си + С + у О2
Са + С + — О,
Ва -1- С + у- О,
3
Zn + C+y О2
РЬ + С + у О2
Fe + С + Нг °*
17 (Продолжение)
Теплота образования
ккал/кг-мол
твердое
вещество
—
1-205 300
+ 142 800
+284 500
+285 600
+ 194 200
+ 169 500
+ 171700
раствор
+221 600
+ 199 000
—
—
—
—
—
—
Na3PO4
NaaHPO4
Na!l,PO4
K3PO4
K2HPO4
KH«PO4
(NH4).IIPO4
MgHPO4
MgNH4PO4
Ca3(PO4),
8. Фосфаты
3Na -(- P + 2Oa
2Na + — H., + P + 2O2
Na + P + lI,+ 2O2
3K + P + 2O2
2K + у 112 + P + 20,
К + 11., + P + 20.2
N,+уП,+ P+2O2
1
Mg+ yN2+2H2+P + 2O2
3Ca + 2P + 4O2
+451 400
+413 900
—
—
—
+374 400
—
+413 600
+ 898 800
+975 000
—
+419 500
+ ^55 000
.-483 600
+^9 200
+369 600
+ 373 000
—
—
—
436

Таблица 17 (Продолжение)
Соединение
Исходные вещества
(реакция образования)
Теплота образования
ккал/кг-мол
твердое
вещество
9. Другие соединения*
Na + — F2
3
2Na +Si + O2
К + Jtb.
Na + ^-C + ^-Cl,
3 1
Na+—¦Ог + ~С1г
Na+2O2+— Cl,
K+-fo,+ 4-ci,
3 1
K+2O2+j-Cl2
Ca + F..
Ca + O2 + Cl2
CaO+SiO,
Ca+C + Ns
2K+CriO3-f 20,
СгОз + K2O
2CrO3 + Na,0
СгОз + Na2O '
K+Mn+2O2
4K+Fe + 6C+3N2 :
3K + Fe + 6C +¦ 3N2
+ 136 600
+97 800
+80 100
—
+ 86 700
+ 100 300
—
+95 900
+ 113 500
+ 289 400
—
+ 33 100
+83 300
+226 400
—
-1-77 400
+ 194 800
+ 137 200
+41 600
+ 136 600
—
+75000
+82 800
+8! 100
+96 800
+85 700
+85 900
+ 101 400
—
+ 180 600
—
—
+209 400
+ 71 500
+70 000
+ 75 200
+ 184 400
+ 125 200
+27 200
NaF
Na.2Si03
KJ
NaCIO
NaC!O3
NaCIO4
KC1O
KC1O3
KCIO4
OiF2
Ca(OClJ
QiSiO3
K2Cr2O7
K,CrO4
Na.,Cr,,O,
Na,r.rO4
KMnO4
K,Fe(CN),
K3l-"e(CN),
* Углерод входит в виде СграфИт-
раствор
29*
437

Таблица 17 (Продолжение)
Соединение
FeSiO3
Na2Mn04
NHaCOONH4 |
Исходные вещества
(реакция образования)
Fe+Si+ — O2
3
Na2O + Мп + — _О,
j2NH3ra^ + СОзгаз
(NH^CO.+ HjO*
Теплота образования
ккал/кг-мол
твердое
вещество
+254 600
+169 000
+38 060
+7 900
раствор
-
—
—
* Теплота образования карбамята Nf-^-CO-ONHj из мочевины (NH2JCO и
воды дана для жидкой фазы при 150° С.
III. Органические соединения
Вещество
Антрацен
Бензол
Глицерин
Гликоль
Гуаниднннитрат . .
Гремучая ртуть . .
1,5-Динитронафта.чин
1,8-Динитронафталин
2,4-Диннтротолуол
Диметиланилин . .
л-Диннтробензол
Коллодий
Клетчатка ....
х-Крезол
Ксилол
Крахмал .....
438
Химическая формула
Теплота образования
из элементов
ккал/кг-мол
С.Н.
С3Н,,(ОНK
С2Н4(ОН).2
CNaH5-HNOs
Hg(CNOJ
C10H,(NO2L
C10He(NO,J
C.H.CH.tNO,),
CeH5N(CH3),
C24H31(ONO2)aOu
C,H10O«
CeH4CH3OH
—42 400
— 13000
+ 157 000
+111 500
+88 000
—65 400
—7 300
—4 600
+6 900
—12 860
+4 000
+639 000
+27 700
+36 000
+4 000
ккал/кг
— 166
+ 1700
+1799
+719
—230
—33,5
—21,1
+38
— 106
+24
+559
+328
+35
+ 1827

Таблица 17 (Продолжение)
Вещество
d-Машшт .
Нафталин
Нитроглицерин ....
Нитроманнит
о-Нитротолуол ....
га-Нитрофенол
Нитронафталин ....
Пироксилин A3% N)
Пикриновая кислота . .
Пнкрат калил
Резорцин
Спирт метиловый . . .
г этиловый ....
Толуол
Те гранитрометан . .
1, 3, 5-Триннтробензол
2, 4, 6-Тринитротолуол
2, 4, 6-Тринитрофенол
Тринитрокрезол . . . .
Тетрил
Терпентин
Уксусная кислота . . .
Фенол
Хлопок
Целлюлоза
Щаьелевая кислота . .
Эфир серный
Химическая формула
С,Нв(ОН),
с, „и.
C3H5(ONO2K
С0О„(ШО2),
CeH4CH3NO,
CeH4NO2OH
C10H7NO2
CMH2,(ONOS)UO.
C6H2(NO2KOH
C.Hs(NOa),OK
C«H4(OH).
CHjOH
C_H5OH
C,H5CH3
C(NO2L
C.H3(NO2K
C0H,CH3(NO4)a
С6Н,(КО2.KОН
C,HCH3(NOSKOH
CeH,:(NO:KNCH3NO2
СюН1В
CH3COOH
CeH5OH
—
(СвН10О6)Л'
ндо,
C2H6OCHB
Теплота образования
из элементов
ккал/кг-мол
+316 270
—42 000
+82 700
+ 152 000
4 8 400
+54 800
-8 700
+656 000
+50 200
+ 117 480
+86 000
+53 600
+60 700
—8 000
; +12 000
+2 300
+ 13 000
+ 53 500
+ 52 700
—9 300
+8 600
+ 117 500
+ 3 500
+921 600
—
+197 000
+65 300
ккал/кг
+ 1738
—
+364
+337
+61
+ 394
-50,3
+574
—
+440
+782
—
—
—90
+62
+ П
+59
+230
+ 217
—32,4
—
—
+372
—
+1825
—
—
439

Таблица 18
Теплоты сгорания органических соединений при 18 °С и Р = 1 ата
Конечные продукты: СО2(Г13)> Н2О(ЖИДК), SO2 (ra3), N2 (ra3)
г—газ; ж—жидкость; тв.—твердое вещество
Соединение
Состояние
Формула
Теплота сго-
сгорания
ккал/кг-мол
Углерод
Окись углерода ....
Водород .......
Метан
Этан
Пропан .
Бутан
изо Бутан .......
Пентан
иэо-Пентан
Гексан
Гептан
Октан
Этилен
Пропилен
цзо-Бутилен
Амилен .
Гексилен . .
Ацетилен
Аллилен
Триметилен (циклопро-
(циклопропан) .
Циклопентан . . . .
Циклогексан
440
Графит
Кокс
г
С
С
СО
Н2
Углеводороды
г
ъ
ж
СН4
С.,Н„
С4Н10
с6н12
с6н12
CHj = СН2
с..н4 = сн2
С3Н, = СН2
С4На = СН2
С5Н10 = СН.
сн^сн
сн3 —с=сн
снУ I
СН.,
1
-CH2
сн
V
VCH2
.СН.—CHCv
СН..—СН, >
94 400
97 000
67 620
68 310
212 790
372 810
530 570
687 940
686 310
845 370
838 300
844 700
990 600
1 149 000
1 305 000
332 000
490 200
647 200
803 400
952 600
312 000
464600
496 800
783 600
939000

Соединение
Циклогептаи
Вензол
»
Толуол ....
Ксилол, орто
» мета .....
» пара .....
Мезитилен
Нафталин
Дифеннл
Антрацен .......
Фенантрен ......
Камфеп '
Состояние
ж
г
ж
„
ТВ
Таблица 18 (Пр
Формула
QH2-CH,
СН / |
ЧС2Н4-СН.,
с„нв
с„н„
СпН.СНч
vjo* 'a Jl l3
ссн4 (СНзЬ
С„Н4 (СН3),
С„Н„ (СН3J
СвМ3 (СН3K
с н
СвЬК—СяН*
^-'В * 15 -'в1 15
С14Н10
с14н10
CiuHie
одолжение)
Теплот!
ОГС[Ь1|1ИН
ккал/кгмол
1 087 300
787 200
783 400
936 000
1 093 000
1 089 600
1 089 100
1 243 600
1 231 800
1 493 000
1 6Я5 000
1 693 000
1 4G8 00
Спирты
Метиловый
Этиловый
Пропиловый .
«эо-Пропнловый
Бутиловый
Амиловый . .
Этиленгликоль
Глицерин
Аллиловый
ж
»
СН3ОН
с,н5он
С3Н,ОН
С3Н7ОН
С4Н.,ОН
с5нпон
сн.он—сн2он
СН.ОН-СН.2ОН-СН2ОН
СН2=СН-СН2ОН
170 900
328 000
428 000
474 800
639 000
787 000
281 000
379 000
442 400
Кислоты
Муравьиная .
Уксусная . .
Пропионовая .
Масляная . .
Щавелевая
Пальмитиновая
ж
ТВ.
»
НСООН
СН3СООН
с н6соон
С3Н,СООН
соон—соон
С15О31СООН
62 800
20« 000
365 000
520 000
60 150
2 380 000
441

Таблица 18 (Продолжение)
Соединение
Олеиновая . ....
Стеариновая . .
Глнколевая
Молочная
Винная (d)
Лимонная
Бензойная . . .' ...
о-Фталевая ....
о-Толуидиновая ....
Состояние
ТВ.
ж
ТВ.
»
г
з>
Формула
С17Н33СООН
с17н35соон
СН2 (ОН)-СООН
С2Н4 (ОН)—СООН
СООН—(CHOH)j—COOII
(СН;СООН)а—С (ОН) СООН
СвН5СООН
СвН4 (СООНJ
СвН4СН3СООН
Теплота
сгорания
ккал/кг-мол
1669 000
2 698 000
166 600
326 000
275 100
474 500
771 840
771 000
928 900
Глюкоза (декстроза)
/-Фруктоза
Лактоза
Сахароза
Ацетил целлюлоза
Декстоин . . . . .
К paxмял
Целлюлоза . . . . .
Углеводы
ТВ.
»
»
)>
»
СвН12Ов
СвН12О„
С12Н22ОП
—
—
—
—
673 000
675 000
1 350 800
1 349 600
4 496
4110
4 179
4 181
Другие кислородные соединения
Формальдегид
Ацетальдегид
Ацетон . . .
Метилацетап
Этилацетат
Серый эфир
Фенол . . . .
Пирогаллол
Амилацетат
Камфора . . .
442
ж
г
ж
ТВ.
СаН4О
СзН.,0
СзНвО,
С4Н8О3
С,Н8О2
С4Н10Оа
СЬН5ОН
СвН3 (ОН)з
С7Н14О3
С10Н1аО2
134 000
280 000
427 000
397 700
544 400
538 500
651 700
732 000
639 000
1 040 000
1411000

Таблица 18 (Продолжение)
Соединение
Состояние
Формула
Соединения, содержащие азот
Мочевина
Триметиламин . . .
Пиридин
1,3,5-Тринитпобензол
1,4,6-Тринитробензол
Нитробензол ...
о-Нитробензол . . .
о-Динитробензол . .
Анилин
2,4,6-Тринитротолуол
Никотин
ТВ.
ж
i
ТВ.
?
ж
ТВ.
»
ж
ТВ.
ж
N (СИ3)з
C.HBN
С„Нз (NO2K
С„Н, (ОН) (NO2K
CaH5NO,
CeH4OHNO2
С.Н4 (NO,),
C0H5NH2
C6H2 (СИ3) (NO J,
Соединения, содержащие серу
Сероводород ......
Сероокись углерода . .
Сероуглерод
Метилмеркаптан . . . .
Диметнлсульфид . . . .
Этилмеркаптан
Ж
г
9
H2S
COS
cs2
CH3SH
(CH3JS
C2H5SH
Галоидопроизводные
Четыреххлористый yi-ле-
род
Черыреххлористый угле-
углерод
Хлороформ
»
Хлористый метил
» этил ....
Хлоруксусная кислота
ти.
CCI,
Теплота
сгорания
Ktcaj/кг-мол
152 000
578 600
660 000
664 000
620 000
739000
689 000
703 200
812 000
821 000
1 428 000
138 380
130 500
246 600
297 000
455 600
452 000
44 500
ecu
СНС13
СНС13
СИ3С1
С2Н5С1
СНзСООС!
37 300
96 250
89 200
164 000
321 800
171 000
443

Таблица
Энергия связи элементов при 25° С и Р = 1 ата
19
Связь
н—н
г-г-о
о-о
0=0
о—с
О=С(лльдегиды)
0=С (кетоны)
С-С
С = С
С-С
Сгаз-^С алмаз
Сгаз~*'Сграфит
С—Н
C-N
C = N
C = N
C-S
c=s
C-Cl
С—Br
C-J
C-Si
N—N
N = N
Nr:N
N—H
N—0
Энергия связи
ккал/кг-мол
102 600
110 000
35 000
117 000
75 000
150 000
156 000
62 800
101 200
12Я000
125 000
125 170
85 600
53 500
Я4 000
149 000
54 000
117 800
70 000
57 000
43 000
57 600
27 000
80 000
170 000
83700
61000
Связь
N=O
N-Cl
р-р
Р—Н
As—As
Cl—Cl
Br-Br
J-J
F—F
P-Cl
P—Br
P—J
As—Cl
As—Br
As—J
S-S
S—H
S—Cl
S-Dr
Si—Si
Si—II
Si—0
Si—S
Si—Cl
Si—Br
Энергия связи
ккал/кг-мал
108000
38 400
18 900
63 000
15 100
70 000
45 000
35 000
63 500
62 800
49 200
35 200
60 300
48 000
33 100
63 800
82 000
66 100
57 200
42 500
45 100
89 300
60 900
85 800
69 300
A44

Теплота растворения при 2П°С
Таблица 20
вещество
со2
NH3
N2O3
HSS
so2
MCI
Cl,
H2SO4
HNOa
NH4C1
NH4NOs
(NH4JSO4
NaCl
NaaS
NaOH
NaNO3
NaHCO3
MaNH4HPO«-4H,O
Na2HPO4
Ma,HPO412H20
Коли-
Количество
молекул
воды
1 700
200
—
900
250
200
1000
200
200
200
200
200
200
-1000
200
200
—
800
400
400
Теплота
растворения
ккал/кг-мол
+ 5 880
+ 8 430
+ 13 800
+ 4 560
-4- 7 500
+ 18 440
+ 4 900
+ 17 750
+ 7 480
— 3 900
— 6 340
— 2 370
— 1 280
+ 15 000
+ 9 940
— 5010
- 4 300
— 10 750
+ 5 640
— 22 830
Вещество
Na2SO4
NaiSO4-10H;.O
NajCOs
Na2COs-101-I2O
KC1
КОН
KNO3
K2SO4
K2Cr207
KMnO4
Ca(OHJ
CaCl,
CaClj-6HjjO
CuClr2H2O
CuSO4-5H2O
CuSO4
FeSO4-7H2O
2nSO4
ZnSO4-7H2O
KA1(SOJ,I2H,O
Коли-
Количество
молекул
воды
400
400
400
400
200
250
200
400
400
1000
2500
300
400
200
800
800
400
400
400
1200
Теплота
рлствореьи
ккал/кг-мо
+ 550
— 18 760
+ 5 640
— 16 160
— 4 440
+ 13 290
— 8 460
— 6 550
— 16 700
-10 390
+ 2 790
+17 990
— 4 560
+ 3 700
— 2 850
+15 890
— 4510
+18 430
— 4 260
—10100
445

Таблица 21
Таблица стандартных термодинамических функций
а) изменения теплосодержания Д/с, Ci) изменения свободной энергии Д Р° и
в) абсолютное значение энтропии S" при 25° С и Р=1 ата
г—газ; ж—жидкость; р—раствор; тв.—твердое вещество
Вещество
Состояние
Натом-
О2
ОдТОМ.
N,
С12
Вг2
Вг2
J.
*мтом-
f
с
^ал
Si
Li
Na
К
Mg
Са
Al
Pb
Си
Ag
Sn-
Ж
Г
тв.
г
Изменение тепло-
теплосодержания
Д/°
(энтальпия. ДНФ)
Изменение
свободной энергии
Значение энтропии
ккал/кг-мол
Элементы
О
+ 51 800
0
+ 33 930
0
0
+ 28 430
0
+ 7 590
О
+ 15 120
1 758
0
+
+ 29 640
450
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+ 48 300
0
+ 3 885
0
0
f 25 040
0
+ 760
0
+ 4 620
;- 1 439
0
+ 18
+ 18 280
+ 11 900
0
+ 220
0
О
О
О
О
о
о
о
о
о
о
31,23
27,41
49,02
57,0
45,79
53,31
38,02
35,78
58,67
13,56
62,29
41,8:1
7,78
53,64
1,36
0,59
4,5
7,6
12,25
15,2
7,76
7,92
6,64
15,49
7,82
10,0
9,23
446

Таблица 21 (Продолжение)
Нещество
2п
Sb
Ге-а
Мп
Ni
Hg
Hg
Состояние
ТВ.
»
»
»
Ж
г
Изменение тепло-
теплосодержания
(энтальпия Д Н°)
0
0
0
0
0
0
4- И600
Изменение
свободной энергии
Д F°
ккал/кг-мол
0
0
0
0
0
0
+ 7 630
Значение энтропи!
S»
10,0
10,5
6,54
7,3
7,1
17,71
41,51
Неорганические соединения
H20
н2о
Н20
НС1
НВг
HJ
HCN
H2S
NH3
N20
NO
NO2
N2O4
СЛМ,
CO
co2
ecu
cs,
so.
so3
SiOjj
NaCl
KC1
NaBr
I
r
ж
ТВ.
г
»
»
»
»
»
»
»
>
ТВ.
»
-57 801
— 68318
— 44 870
— 22 030
— 8310
+ 6 500
+ 32 900
— 4 800
— 11 040
+ 19 470
4- 21 530
+ 7 960
+ 2 240
— 26 393
— 94 030
- 25 600
+ 35 200
— 70 940
— 94 440
- 207 850
— 98 300
— 104 400
— 86 800
— 54 629
— 56 681
— 28 200
— 2 274
— 12 500
+ 460
+ 28 510
— 78 300
— 3 940
4-24 770
+ 20 100
+ 12 280
+ 23 440
+ 92 000
— 32 778
— 94 242
— 16 500
+ 17 600
— 71 600
— 87 000
—
— 91 800
— 97 600
— 83 100
45,1
16,71
24,4
44,66
47,48
49,4
54,63
49,2
45.95
52,58
52,20
57,5
72,7
—
47,28
51,09
74,2
76,0
59,0
56,4
10,35
17,10
19,1
17 8
447

Вещество
KBr
NaJ
KJ
NaOH
КО И
NH4OH
MgO
CaO
11 gO
SnO
ZnO
CuO
Cu2O
MnO
PbO
NiO
FeO
Fe,O2
Fe3O4
A1.2O3
CaS
ZnS
FeS
CuS
Cu.^S-a
PbS
NaNO2
KNO2
нею
11CIO3
H2SO4
I-1NO3
HNO3
Состояние
ТВ.
ft
ь
»
p
ТВ.
»
»
»
i
%
»
s
»
ъ
»
»
»
р
»
»
»
г
Т а б
Изменение тепло
содержании
±1°
(энтальпия Д Н"
чица 21 (Продолжение)
Изменение
свободной энерги
Значение энтропиь
ккад/ке-мал
— 94 100
— 69 200
— 78 700
— 102 700
— 102 G00
—
— 145 800
— 151 700
— 21 740
— 67 900
— 83 300
— 34У00
— 39 300
— 96 700
— 52 350
— 58 300
— 64 200
— 195 200
— 265 800
— 393 300
— 116 000
— 41 500
— 22 800
— 11 700
— 18 900
— 22 490
— 112 500
— 118 800
—
—
—
—
—
— 90 500
— 08 500
— 77 500
— 90 800
— 93 000
— 62 860
— 138 100
— 141 700
— 14 000
— 63 300
— 76 100
— 28 400
— 34 500
— 91 500
— 45 000
— 50 330
— 58 700
— 176 100
— 241 900
— 371 400
— 117 000
— 42 700
— 23 600
— 11 800
— 30 100
— 26 280
— 88 400
— 95 800
— 19018
— 250
— 176 500
— 26 500
+ 8 290
21,0
23,5
25,0
12,4
23.0
—
6 4
9,0
16,4
13,86
10,4
10,4
24,1
14,4
16,9
8,97
12,7
22,6
34,2
12,4
13,5
13,8
17,0
15,9
28,95
22,17
27,9
31 8
—
—
—
—
448

Таблица 21 (Продолжение)
Вещество
Состояние
Изменение
теплосодержания
М'
(энтальпия ДН°)
Изменение
свободной энергии
Значение энтропии
ккал/кг-мол
CH,i (метан)
С,НЙ (этап)
С.-|На (пропан)
С4М„, (к бутан)
C5Hi2 (и пеитап)
Св1114 (н-гексан)
С^Н! (этилен)
С3На (пропишем)
С4Н8 A-Путем)
CoIl-2 (ацетилен)
СцН,| (бензол)
С,Н5СН3 (толуол)
С1AН, (чафталии)
С14Н,„ (антрацен)
СцНщ (фенаптрен)
СНпОН
С.,Н5ОН
СаИ,ОН
с4н.,он
С6НПОИ
HCOI1
нгоон
(Н:,Г.ОО11
QH,GH
СНз СО СН3
С„1!5М-|.
М-1, СО NM2
Г.аЫ4О.^ (хннон)
Органические соединения
ТВ.
г
ж
ъ
ТВ.
ж
— 17 870
—20 190
—24 750
—29 700
—34 700
—40 000
+ 12 560
+4 960
+ 380
+57 150
1-11 120
+ 1 930
+ 18 130
+28 390
+ 16 940
—57 030
—66 350
— 73210
—70 610
—85 770
—28 480
— 99 450
— 116 000
— 16550
—57 300
+63 680
—78 600
—45 600
— 12 090
-7 790
—5 550
—3 630
— 1 620
+80
+ 16 280
+ 14 730
+ !6 810
+ 49 970
+29 400
+26 500
+45 200
+64 800
+54 100
—39 960
—42 200
— 40 900
— 40 400
—39 100
— 27 100
—85 200
—94 500
— 11000
—35 100
+35 400
— 47 300
—21 800
44,44
54,84
64,59
74,1
83,2
92,3
52,7
65,02
75,3
48,03
40,56
52,06
47,74
53,09
50,59
31,09
39,94
45,16
54,0
62,2
52,4
33,7
42,1
34,0
47,9
45,54
29,3
39,6
449

Т а б л и ц а 21 (Продолжение)
Вещество
1
н+
Na +
К+
Ag+
Mg+ +
С-л+ +
Fe + +
Си+ +
Zn+ +
Hg2+ +
Cd++
Mn + +
Ni + +
A1++ +
Fe+ + +
Cr++ +
OH'
Ce'
Br'
1'
Состояние
Изменение
теплосодержания
И О И Ы
раствор
»
»
»
»
»
»
г
»
0.00
— 57 480
—60 270
+25 520
— 110230
— 129 740
—20 600
+ 15 100
—36 300
+40 000
—17 600
—49 200
— 15 200
-126 300
-9 300
—64 600
—54 660
—39 687
—28 670
— 13 870
Изменение
свободной энергии
АР'
ккал/кг-мол
0,00
—62 580
—67 320
+ 18 430
—53 910
—66 120
— 10 140
+ 15 530
— 17 560
+20 960
—9 220
—24 190
—6 440
—38 480
-920
— 16 360
—32 260
+31 350
+24 880
— 12310
Значение энтропии
0,00
+ 14,0
+24,2
+ 17,54
—3! ,6
— 11,4
—25,9
—25,6
—25,7
+ 17,7
— 16,4
— 19,1
—
-76,0
-61
—
—2,5
+ 13,5
+ 19.7
+25.3
150

Т а б л м ц а 2
Температурная зависимость изменения свободной энергии некоторых химических соединений при Р — / ата
Химическое
соединение
so,ra3
НСТгаз
СН3ОНгаз
С.,НйОНгаз
пеонгщ
СПзСНО.аз
Рслкцня образования
согаз
со„аз
н2оП13
когаз
NH3ra3
Из элементор
^- »
Изменение свободной энергии AF, кал,'г-мол
-26 600—4,9-15 rig Т~2.15-10 -3Г2—0,2- 10-вГ3—8,2 Т
-94 ПО-1-1,38 Т !g Г—0,65.10-3r2-f-0,l 1 ¦ 10-°Г3—3.74Г
-57 410+2,162 Т lg Г -.- 1.65-10-3Г2—0,37-10-1Т3^-3,92'Г
21 605-3.47 Т
-9 500 -41.408 Т lg Г-| 0,575 10-3Г?—0,85- 10-йГ3—9.61Г
-19200 ; 2,162 Г lgr-: 1,65-10 -3Г-—0.37-10-сТ3-;-1,65Г
-83 260-! 6.225 Т lg Г-2.8- 10-3Г2—0,31 ¦ 10-6Г'+0,Э0Г
-21870 -1.035 Tig Г—0,025- Ю-Т-б. 31 Г
-44 760-^-35,305 Т lg Г—12- 10—3Г=—6-1.2Г
-49 770 г47.035Г1«Г—13-!0-3Г"--75.5Г
-26900 |-11,155 Г 1 g T—0,005Г:—23, оТ
-43 400+37,1 Т

Таблица 22 (Продолжение)
Химическое
соединение
r.HaCOOHraj
СаСОз
NOrai
NO2r,13
NH4SH
NOClra3
2NaHC0a
i-газ
IIBrra3
HJra3
Реакция образования
Изменение авободпой энергии \F, кал г-.\.о-'
Из элементов
> + CO, = CaCO3
Из элементов
NO -f уО, = КО,
2NO3 = K2Oi
I
I
I NO+-JC1,
| N'a.2CO34 lLOra3 + CO,
I 1
; so, + yo., = so3
Из элементов
—105 300-;-47,1 Г
+42 216-5,52 Т lg Г |-3,55-10 -3Г2 г0,31 • 10-вГ3—23 С08 Г
+21605-2,47 7
— 14 170+6,3257 lgT—2.8- 10-»:Г2-г-0,ЗЬ 10-°Г0 + 2,73 Т
— 13 600+41,6Т
—22 240-70,148 7" (от 277 до 30U К»
—9 100+14,3 Т
-г30 600-81,86 Т
—22 600 + 21,36 Г
—14 343+25,53 Т lg 'г—°,1 10 3"-?+0,6-10—°7"в—51,591
—21 870+1,035 lg Г—0,025-Р-Т—5,31 Г
— 11 970 + 1,035 lg 7—0,025- 10-3Г—5,74 Т
—1270 + 1,035 Ig Г—0,025-10 '"Т -5,01 Т

Таблица 23
n
S4
о
a
Температурная зависимость теплового эффекта и константы равновесия важнейших химических
реакций при Р = 1 ита
с
с
*
1
2
3
4
Реакция и ее тепловой эффект при 20°С
2Н, + О, - 2Н.-.0 + 115 700
Н„ +С1.2 = 2НС! +44 ПОП
2С1г + 2Н,0 = 4НС1 + О? — 27 700
С1,+СО = СОС13+26 200
Константа равновесия
Рн.о
Рнг ¦ Pci,
Phci
рнс.-Р°2
^22
Ра, ' Рн.о
Рси ¦ Рсо
Pcoci,
q = qa -f al + 9T'+ iT* = — 4,574e'o + 1,98 oi'T +
+ 4,574 P'7 + 4,574 TT*
ig К = — + a'\gT + ?'T + t'T'+C
q= 114025+6,247"—0,00I844r2f 0,158-10~6r3
25116,1
lgKp= — + 0,9466 lg T + 0,0007216 T —
— 0,1618 ¦ 10~6T2 + 1,714
9 = 43738 + 0,97+0,5 ¦ \0~6Т2
9 586
lgKp = — —— + 0,44 Lg Г — 2.16
q = — 26 550 — 4,44 T + 0,001854 Г3 —
— 0,158 ¦ 10~6T3
a) \gKp - — + 2,136 lg T + 0,000857 T
— 0,0683 ¦ 10~6Г2 —0,296
6010
6) lgKp = — + 1,02 lg T — 0,0024 Г— 5,83
T
значение q см. примечание 1
Kp = — ~г~ + 1,75 lg T - 1,158

Таблица 23 (Продолжение)
^ Реакции и ее тепловой эффект при 2и° С ;
равновесии
+ 4,5743'Гг + 4,574-f'T»
: Кп — — -— -f a' lg Г -u ?/ Г -М' Г2 + С
С. -f О2
а + 97 800
2С -f Ог = 2СО + 59 4С0
С-1-2И. = СН44- 19 600
2С 4-2П2 = ГгН4— 20 900
2С4- Н.,-=С>Но— 54 800
Рсо,
д=97 853—0 469 Г 4-0,000879 Г24-0,62 ¦ Ю~6 Г3
20582,8
lgK;, = — — 4- 0,302 lg Г — 0,000143 Т 4-
4-0,0196 ¦ 10~ 6 Г2 —0,62
Р~СО
д = 60 320— 4,298 74-0,00359-1 Т2-]- 1,25 ¦ 10~ 673
11635,1
lg Кр= — ; — 2,1656 lg 7 4- 0,0009394 7 -
-0,1064- Ю-6 Г2 -3,394
РСН4
,- в тз
^=15 713-!-11,351Г—0,00673 Г24-2,182 ¦ 10"" ь Т
lg Л,, = — —ii°- j_ 5,58 lg Г — 0,00177 Т -
— 13,1 ¦ 10~G Г2 — 11,3
7^ —18000—11,1 74-0,00465 Г24-0,8 ¦ 10~ G 73
3 540
IgKH- -
¦ 5,589 ]g7 4-0,001025 T-i
4- 0,175- 10~ 6 72 4- 13,04
Рн,
j Ig Л D = —
1 190
4-2,37 (приближенно)

о
о
о
о.
о
о
' о
F-
о
о
К
¦f I
I!
о
I
с-
_ оо
а.
О
и
а.
и
о.
¦&
•&
10Б0И
ОС
1
с
о
и
30*
¦155

13
14
Реакция н ее тепловой аффект при 2 0° С
Константа равновесия
Таблица 23 (Продолжение)
в + а 7 + ?Т'- + тТ* = - 4,574«„' -f 1,98а' 7 +
+ 4,574C' Т- + 4.574Т 7»
ig Кр = - S±— + а' lg Г + "/ Т -г Г 74- L
С--S2 = CS2 Га3 - 12 500
[CS8]
1 890
lg hp = — + 1,75 lg T — 1,56 (приближенно)
2СО--О, = 2
136 200
Рсо ¦ Ро,
= 135 386 +3.36Г — 0.001836Г2 —0,01-10~6Г3
29530 5
\gKp = — -t-2,769 1gT —0.001225Г+
4-0,1356 ¦ 10~Г2+2,150
15
СО - Н.,0 = Н2 - СО2 + Ю 250
Рсо •
Рнг ¦ Рсо2
= 1068) — 1,44Г — 0,4-10
2203,24
) lA"
— 2,5426 • 10~7Г2
f 0,084-10-b7'i
— 5,1588 ¦ 10~5Г —
2,3
7,461 ¦ 10~п Г3
2 059 ,
б) lgA'p =——— +1,5904 lg Г—1,817-10—3Г
+ 5,65 • 10-7Г2 — 8,24-К)-1 'Т3— 1,5313
16
СО + 2Н» = СНзОНгаз + 21 660
кР =
Рсо ' Рн,
Рснаон
3 724
Г
+ 9,1293 lgr — 0,00308Г—13,412

Т а б л и ц а 23 (П р о д о л ж е н и с)
с
17
18
19
20
¦^.
ел
Реакция и се тепловой эффект при 20" С
СО - Н2 = НСОНгаз + 870
СН4 + Н.,0 - СО + ЗН2 - 46 750
СН4 2Н2О - СОо ^ 4Но — 36 500
СН4 + СО, = 2СО - 2Н2 — 57 000
Константа равновесия
Рнсон
Рсо ¦ Рн2
Рсог ' Рн4
Рсн< Рн;о
„2 2
РСО ' Рц,
Рсн4'Рсо,
q - ?„ +а Г-Ь 3 Т1 + т ?з = — 4,574?,' + 1,98а' Г ¦+-
+ 4.574 2Тг + 4,574 Т Г>
lg К = — 1- а' lg Т + 3' Г + ¦(' 7'! + С
374
lgAp-=— +5,431 (приближенно)
Т
q = — 42 566—16,62 Т +0.00945Г2 —
— 1,636 ¦ \0~6Т3
\gKu~- ^-^4-7,141gT 0,00188 Г (-
+ 0,094 10~6Г2 — 8,64
q = — 31 885 — 18,060 7 +0,009453 Г2-
-1,72 ¦ Ю-6 Г3
7 674
1 g Л' — -1-6,23 lgT 0,000906 Г
т
— 0,0546 ¦ ю—6 Г2 — 8,72
q = — 53 246— 15,187 +0,008445 72-
— 1,552 • 10~673
11087,7
IgKn = — — -+- 3,1127 lg Г —
т
-0,00285247 + 13,216 ¦ 10~б72 —8,528

Таблица 23 (Продолжение)
i Я = *о -L '' Т — 3 Т- + 1 73 = — 4,574<?0' — 1 ,98s' Т --
¦i- 4.574 Р' 7= + 4,574 Yr"
Реакция и ее тепловой эффект при 20° С i Констл^тл равновесия ,
i lg К = - — — -:- г' \S Т + ?' Г 4- "(' Г= + С
21
Рс н ' ^н о 1 090
СгН4-Н4О = СоН.,ОН-14 230 Кр — 2— Ig Кр -¦- -—-- .:- 4.71 lg Г - 0.00235 Т - 7,05
22
С6Нв : ЗН2 = С6Н12+83 490-те- | д. J^H.^. ,gA- . .. i^M- .. 9.9194 Ig7 - 0.002285Г-8.565
и 'кгексанп /J 7
плота исплоения ц'.'.клогексанп
''с.н1а
7
Рсн,сон ¦ Рн, '2 492
С,Н5ОН = СН,СОН--Н.,-7 100 Кг ^ igA,,- —-— 2,0132 lg Г 2,186
r'CHOH
.
24 I 2S = S2--120000 _ ^JS1_2_ . _ 26 250
i (см. примечание 3) f [S,,] 'Й ' Т "й
25 3S2 = Se+64 000 fc. Ps2 |rifc. _ 14 000
(см. примечание 2;
0| KP= ; lgAP=--r3.5 1gT-f-5.325
26
4S6 = 3S8 + 29000 'I A> = -?§
(см. примечание 2) ; pi
pi
27
4 200
1 : р„ V ре ! lgKn=— +0,474 lgT -J- 0,000361 Г
— S2-.H. = H.S + 19600 | Ap = -Jli ^- j r
! pH2S I +0,081 ¦ 10~e7 +0,36

Т а б л и ц а 23 (П р о д о л ж е и и е)
Т' = —4,574?/ + 1 ,
Реакция и ее тсплоной эффект при 2С°С Константа равновесия
lg ^ •-, ~ -i°l + a' lg T -J- З'Г
28
a)
9 480
-!-6,381gT —0.0049Г—5,41
2SO2 + О2 = 2SO3 + 45 800
Pso2 • Роа
о) lgKp=--^-+1.751gr+3,4
(приближенно)
10 373
н) lgK>=- - —— - 1,222 lg Г 4- 13,80
29
30
31
2SO2-
2S0.2 +
SO3
1- 4H, =
4CO-
J-HjO
с
Sn -
-f 4H,
Исо
,SO4-
0+63 800
i
I
i + 104 800
f 21 300
Kr
к
„2
pso2 ¦
Ph2o
p|o. ¦
Pco2-
[H,O]
n4
¦Ps,
Pco
s2
1
ISO,]
Oil
lg /Cy
(приближенно)
,3810
— 0,46 10~ T +3,38
23000 ,
+ 0,23 • Ш~еГ2—2,43
значение q см. примечание 1
=-. -4- 0,75 lg T 0,0005
10~3 T +
7Г+4.086

Таблица 23 (И родолжение)
32
Реакция и ее тепловой эффект при 20°С
N, -f O2 = 2NO — 43 200
q =.-
?0 -j- л Т + 3 Т2 -г 1 Т* — —4,574?/ + 1,98а' Г +
+ 4,574?' Г2 + 4,5747'7»
Константа равновесия
¦4- JL'l
+ pT +ГТ!+С
9 397
a) \gKp =——'¦ — 1,75 lgT + 0,00687" —
T
-2,97 • 10~6T2 +0,442 • 10~9Г3— 1,6
10 900
6) lg Kp =— + 1,26 (приближенно)
33
^=N^+11000
9110 + 7,557 —0,003975Г2+ 0,67 ¦ 10~6Г3
+ 2,4943 lg T + рГ-
КР=-
— 0,18564 • 10-6Г2 + У
значения В и У см. примечание 3
34
2NO + О2 = 2NO2 + 27 000
Рыо Pot
значение q см. примечание I
5 749
-—-—+ 1,75 lg Г—0,0005 Г + 2,839
35
13 600
Pno,
значение q см. примечание 1
2 692
— 1,75 lg Г +0,00483 Т —
—7 144 ¦ 10~6Г2+3.062
36
4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н.0 + 216 700
"" P''
q = 219 180— 11.20Г +0,01007 Г2— 2,13' 10

Таблиц? 23 (Продолжение)
с
с
37
38
39
40
41
42
43
Реакция и ее тепловой эффект при 20° С
4NH3 + 30.2 = 2N2 + 6Н2О + 303 100
2Ме + О2 = 2МеО + q
(см. примечание 4)
МеСОз - МеО + СО, + q
(см. примечание 4)
Fe3O4 + СО = 3FeO + СО, — 5 350
FeO + СО - Fe + СО2 + 3 150
РЬО + СО - РЬ + СО2
Си2О + СО - 2Си + СОг + 27 200
Константа равновесия
Pnh3 ¦ Ро,
'УР 2 6
Кр= RCO2
Pco,
Р Pco
Pco
Р Pco,
Pco
P Pco,
Pco
" Pco,
J = !, + а Г + 5 *! + 1 Г» = — 4, 5747ц'+ 1.98iT +
lg К = — h a' lg Г + р'Г + -\'Тг+С
q= 305 495 — 11,30 7 + 0,011 327 72—
— 2,173 ¦ 10~ 6 73
66 250
lg /Cp = - —;— -l,751g7-5,2
IBK,— 4l73T +l,751g7 + 2,8
1BKP= JTiT +l,75,g7+3,2
1 373 ,
\gKp-~ — 0,341 Ig7 +0,41 -10-3 7+2.303
\gl(p=- — + 2,110 lg7—0,395-10 3 7-5,357
lg Л'р = +0,417-10 37+0,3
T
Ig^p -^- + 0,741g7 0,306-10 37 +
T
+ 0,11 ¦ 10~6 72— 1,53

Т а блица 23 (Продо л ж е и п е)
с
с
44
45
Реакция
ZnO +
MgO +
и ее
СО
сн
тепловой эффект
= Znra3 + СО, -
- Mgra3 + СО -
при 20°С
46 300
162 500
Константа равновесия
Pin - PCOB
Р Рсо
Кр ~ PMg • РСО
Я = «о + '
lg Кр - —
ЫКР
i Т + 3 Тг -- 1
+ 4,574
Т
10360
— о
т
+ 0,137 •
35520
Г
Г» - -
5'Г2 +
a'lg T
,348 1
10~6 1
1-10
- 4,574<7О' + 1,98 а'Г +
4,574Г7»
+ Ъ'Т + -('Г2 + С
^Г—0,72 • 10Г +
г2+ 8,36
33 (приближенно)
Примечай и я: 1. В практике работы промышленных установок реакции 4, 31, 34 и 35 обычно протекают
при сравнительно низких температурах. Поэтому значения тепловых эффектов для них без к.-жой-либо значительной
ошибки можно бр.тть непосредственно из таблицы 17 (при 20°С)
2. Практически можно считать, что молекула парообразной серы при температуре около 500=С состоит из 8 атомов
(т. е. имеет химическую формулу S8); при температуре около 800°С—из 6 атомов (Se) и выше 2000сС—из 2 атомов (S2).
3. Коэффициент 'i и постоянная У зависят от давления. Числовые их значения для различных давлений следующие:
Давление
а та
1
10
30
50
?
+ 0,000125
0
+ 3,4 • 10~5
+ 1,256 • 10-"
2
— 1
2
2
,100
,993
,021
,090
Давление
ата
100
300
600
1000
-<- 1
+1
4- 1
-г 2
''
,256
,256
,0356
,6833 •
ю-4
ю-4
ю-3
ю-3
—2,
—2,
-3,
4
113
206
059
473
4. Me означает атом двухвалентного металла (например, Са, Mg и т. п.); q—тепловой эффект реакции
при 20° С (табличное значение).

Таблица 24
Условные химические константы для подсчета по уравнению Нернста
константы равновесия химических реакций
Вещество
Н2
N2
О2
ск
Вг,
Jo"
MCI
HBr
HJ
NO
CO
N2O
H,S
SOa
Значение условной
химической константы
1,6
2,6
2,8
3,1
3,2
3 9
3,0
3,2
3.4
3,5
3,5
3,3
3,0
3,2
СО,
NO2
NH3
СН4
cs2
H,0
CC14
C2H2
C2H4
C.H,
CH3C1
SO3
Значение услопной
химической константь
з,з
3,5
з,з
2,5
3,1
3,6
3,1
3,2
2,8
3,0
3,2
2,8
3,0
Таблица 25
T 298
Значения функции f -= In —- -f- — — 1
при разных температурах
г° к
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2200
2500
3000
/
4,573
0,00
0,039
0,113
0,196
0,279
0,360
0,436
0.508
0,576
0,641
0,702
0.759
0,814
0,866
0,916
0,993
1,009
1,052
1,134
1,246
1,408
0,00
0,0085
0,0250
0,0430
0,0610
0,0785
0,0955
0,1110
0,1265
0,1400
0,1535
0,1660
0,1780
0,1895
0,2005
0,2105
0,2205
0,2300
0,2480
0,2725
0,3080
463

Т а блиц а 26
Растворимость некоторых газов в воле мри различных температурах
Азот N3 . . .
Ацетилен С2Н2
Водород Н2 . .
Кислород О2
Метан СН4 . .
Окись углерода
СО
Сернистый газ
SO2
Сероводород
H2S . •
Углекислый
СО2 . .
Хлор С12 .
Этилен С2Н4
газ
Количество мл тзя (приведенного к 0° и 760 мм рт. Ст.)
ряс гворяющпхгн в ! л воды
23,5
1730
21,7
48,9
55,6
35,4
800
4670
1710
2,26
10°
19,0
1310
20,0
38,0
41
28,2
570
3400
1190
3110
162
17,5
140
19,0
34,0
36,2
25,0
470
2960
992
2650
140
20°
16,0
1030
18,2
31,0
33,1
23,2
395
2580
878
2260
122
14,9
920
17,7
28,1
30,4
21,0
330
2320
756
1990
108
30°
13,
840
17,
26,
27,
20,
270
2040
665
1790
98
4
2
1
6
0
40°
И.
16,
23,
23,
17,
190
1660
530
1485
—
а
6
1
7
8
50°
10
16
20
21
16
—
1390
436
1200
—
,9
,3
',9
.3
,2
60*
10,2
—
16,2
19,5
19.Г
14,Я
1190
359
—
—

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
Глава 1.
Основные понятия и единицы измерений
Система мер и размерность 7
Длина, площадь и объем 9
Масса 9
Сила и вес 11
Давление 12
Скорость 16
Работа и энергия 19
Мощность 19
Теплота 21
Температура 22
Единицы измерения электричества 22
Процентные соотношения (концентрация) веществ 23
Задачи 25
Глава 11.
Основы материального баланса
Расчет количества и состава технических продуктов 27
Стехиометрические расчеты 30
Уравнение материального баланса 31
Примеры расчетов 32
Задачи 40
465

Стр.
Глава III.
Газовые законы
Закон Поили 45
Закон Гей-Люссака 45
'.Закон Авогадро 48
Уравнение состояния идеальных га:н>в 48
Закон Дальтона. Газовые смеси 52
Уравнение состояния реальных газон 54
Примеры расчетов 57
Задачи 62
Глава IV.
Тепловые и энергетические законы
Первый закон термодинамики 60
Работа изотермического процесса 68
Работа адиабатического и политропического процессов 70
Работа изобарического процесса 78
Изохорический процесс 80
Уравнение теплового баланса 81
Теплоемкость 87
Теплосодержание 100
Теплоты химических н физических превращений 107
Теплота сгорания топлива и его температура горении 127
Примеры расчетов 129
Задачи 149
Глава V.
Направленность химических реакций
Второй закон термодинамики !58
Свободная энергия 167
Закон действующих масс 172
Константы равновесия 175
Зависимость константы равновесия от температуры 185
Уравнения изохоры и изобары реакции Вант-Гоффа 187
Приближенное уравнение Нерпега 190
Изотерма реакции 190
Энтропийный метод подсчета константы равновесия 193
Примеры расчетов 196
Задачи 212
Глава VI.
Кинетика химических реакций
Молекулярность и порядок реакций 216
Факторы, обуславливающие скорость химических реакций 223
Зависимость скорости реакций от катализаторов 229
Кинетика гетерогенных процессов 232
Примеры расчетов 235
Задачи 244
466

dp.
Глава VII.
Законы электрохимии и электротермии
Законы Фарадея 246
Электродвижущие силы 249
Законы электротермии 256
Примеры расчетов 257
Задачи 260
Глава VIII.
Расчеты производственных процессов
Уголь, его сжигание и химическая переработка 265
Примеры расчетов 265
Задачи 318
Серная кислота 324
Примеры расчетов 324
Мадачи 345
Лзог, синтез аммиака; азотная кислота 347
Примеры расчетов 347
Задачи 376
Электрохимические и электротермические производства 379
Примеры расчетов 379
Задачи , 390
Предметный указатель 392
Литература 397
Приложение 399
Таблица 1. Атомные веса некоторых элементов 401
Таблица 2. Механические единицы измерения в различных системах 402
Таблица 3. Переводные коэффициенты количества энергии в раз-
различных единицах измерения 403
Таблица 4. Давление насыщенного водяного пара в мм рт. ст. при
различных температурах 404
Таблица 5. Некоторые константы наиболее употребительных газов 405
Таблица 6. Температурная зависимость истинной молекулярной
теплоемкости газов m паров при Р=1 ата 406
Таблица 7. Температурная зависимость истинной молекулярной
теплоемкости для Нз, СО и N2 при различных давлениях .... 408
Таблица 8. Температурная зависимость средней молекулярной теп-
теплоемкости газов от 0° до t °С при Р=\ ата 409
Таблица 9. Температурная зависимость средней молекулярной теп-
теплоемкости газов от 0° до t °С при постоянном объеме 41A
Таблица 10. Средняя молекулярная теплоемкость газов от 0° до
t °C при Р=1 ата 410
Таблица 11. Средняя молекулярная теплоемкость газов от 0° до
t "С при постоянном объеме 411
Таблица 12. Температурная зависимость истинной удельной тепло-
теплоемкости и теплота плавления твердых тел 412
Таблица 13. Температурная зависимость средней удельной тепло-
теплоемкости твердых тел 415
Таблица 14. Средняя удельная теплоемкость твердых тел при ком-
комнатной температуре 420
Таблица 15. Удельная теплоемкость и теплота испарения жидких
тел 422
4G

Стр.
Таблица 16. Теплосодержание газов при различных температурах
при Р—\ ата 424
Таблица 17. Теплоты образования важнейших химических соедине-
соединений при ~20°С и Я=1 ата 425
Таблица 18. Теплоты сгорания органических соединений при 18° С
и Р=\ ата 440
Таблица 19. Энергия связи элементов при 25° С и Р=\ ата 444
Таблица 20. Теплота растворения при 20° С 445
Таблица 21. Таблица стандартных термодинамических функций .. 446
Таблица 22. Температурная зависимость изменения свободной энер-
энергии некоторых химических соединений при Я=1 ата 451
Таблица 23. Температурная зависимость теплового эффекта и кон-
константы равновесия важнейших химических реакций при Р =
= 1 ата 453
Таблица 24. Условные химические константы для подсчета по урав-
уравнению Нернста константы равновесия химических реакций .. 463
Г 298
Таблица 25. Значения функции f = In — -f- — 1 при разных
298 /
температурах 463
Таблица 26. Растворимость некоторых газов в воде при различных
температурах 464
Номограммы и диаграммы вкладкой
Сергей Дмитрович Бесков
Техно-химические расчеты
Редактор Я. Г. Алавердов
Технический редактор Р. К. Воронина
Корректоры: С. В. Морозова, В. С. Спиридонова
Переплет художника Л. М. Чернышева
Сдано в набор 21/VI—61 г. Подписано к печати 15/Х1—61 г.
Бумага 60 X 9O'/ie 29,25 печ. л. 4- 8 шт. вкладок 29,74 уч.-изд. л.
Тираж 15 000 Т-13137 Изд. № ФМХ/14 Цена 99 коп.
Государственное издательство «Высшая школа».
Москва, Б-62, Подсосенский пер., 20
Типография Металлургиздата, Москва, Цветной б., д. 30