硫酸技術   by T.Ono
 計算−2

Calculate, do not fail!
硫酸希釈時の酸温度
 
  2)前述の例の場合の、生成62.5%硫酸の温度を計算せよ。 98.3%硫酸は40℃、水は25℃とする。
これはまず、硫酸の希釈熱を計算しなければなりません。
いくつかの方法がありますが、硫酸工学(堀、中川 紀元社、1967年)によれば、

1 molのH2SO4をn molの水で希釈する場合、その希釈熱は

Q = 17860n/(n + 1.7983) ・・・(1)

Q: cal/mol-H2SO4
n: mol-H2O / mol-H2SO4

生成硫酸濃度 = 100A%としますと

A = 98.08 / (18.02n + 98.08)
よって n = (98.08/18.02)(1/A-1)

これを(1)式に代入しますと

Q = 97209(1-A) / (5.4428 -3.6445A)

よって、
100%H2SO4 → 98.3%H2SO4の希釈熱:
Q1 = 97209*(1-0.983) / (5.4428 -3.6445*0.983) = 888cal/mol-H2SO4

100%H2SO4 → 62.5%H2SO4の希釈熱:
Q2 = 97209*(1-0.625) / (5.4428 -3.6445*0.625) = 11,518cal/mol-H2SO4

∴98.3%H2SO4 → 62.5%H2SO4の希釈熱 ΔQ= Q2 - Q1 = 10,630cal/mol-H2SO4
  = 108 kcal/kg-H2SO4

98.3%硫酸の量を1kgとしますと、
希釈熱 Hd = 108*0.983 = 106kcal

98.3%硫酸の保有顕熱 H1 = 0.344 * 1 * 40 =14 kcal
水の保有顕熱 H2 = 1 * 0.578 * 25 = 14 kcal

∴生成62.5%硫酸の保有顕熱 H3 = 106 + 14 + 14 = 134kcal
この温度を120℃と仮定すると、比熱 = 0.553kca/kg/℃、生成62.5%硫酸 = 1.578kgなので

生成62.5%硫酸温度 = 134 / 1.578 / 0.553 = 153℃

62.5%H2SO4の沸点は145℃なので、硫酸は沸騰することになります。
このような場合、混合直後の硫酸をシェル&チューブ式クーラーで冷却しますと、チューブ内の蒸気の泡のせいで熱交換が妨げられることになりますので、2段に分けて希釈・冷却する方法がとられます。 →「各種硫酸製造法」「希硫酸」を参照

例えば
*第1段 98.3% → 80%
*第2段 80% → 62.5%

希釈熱の計算法としては、OthmerやFusulloらの図表を使う方法もあります。 使用するデータの数値はそれぞれ微妙に異なっていますが、実用上は問題ありません。 (もちろん、クーラーの伝熱面積などには十分な余裕を見ておく必要があります)
→計算−3へ
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