Основы химической технологии

Задача 1 Составить материальный баланс нитратора, производительностью 3 т/ч нитробензола. Выход нитробензола 98% от теоретического. Состав нитрующей смеси [%(мас)]: HNO3 – 20, H2SO4 – 60, H2O – 20. Расход нитруюшей смеси 4 кг на 1 кг бензола: С6Н6+НNI3=C6H5-NO2+H2O 1 Изобразим процесс на схеме
Рисунок 1- Схема входящих и выходящих материальных потоков 2 Определим молекулярные массы веществ µ(С6Н6) = 78 кг/кмоль; µ(C6H5-NO2) = 125 кг/кмоль; µ(HNO3) = 63 кг/кмоль; µ(H2O) = 18 кг/кмоль. 3 Составим приходную часть материального баланса 3.1 Определим количество бензола необходимого для получения 3000 кг/ч C6H5-NO2 76 – 123 х – 3000 х = G С6Н6 теор = (3000*78)/123 = 1902 кг/ч G С6Н6 действ = С6Н6 / 0,98 G С6Н6 действ = 1902 / 0,98= 1941 кг/ч 3.2 Определим количество нитрующей смеси Gнитр смеси = 4 * G С6Н6 действ Gнитр смеси = 4 * 1941= 7764 кг/ч 3.3 Определим количество азотной кислоты G HNO3 вх = 0,2 * Gнитр смеси G HNO3 вх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч 3.4 Определим количество воды на входе G H2O вх = 0,2 * Gнитр смеси G H2O вх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч 3.5 Определим количество серной кислоты G H2SO4 вх = 0,6 * Gнитр смеси G H2SO4 вх = 0,6 * 7764 = 4659 кг/ч 4 Составим расходную часть материального баланса 4.1 Определим количество бензола G С6Н6 вых = G С6Н6 теор – G С6Н6 действ G С6Н6 вых = 1941 – 1902 = 39 кг/ч 4.2 Определим количество азотной кислоты G HNO3 вых = G HNO3 вх – G HNO3 хр 63 – 123 х – 3000 х = G HNO3 хр = 63 * 3000/123 = 1537 кг/ч G HNO3 вых = 1553 – 1537 = 16 кг/ч 4.3 Определим количество воды G Н2О вых = G Н2О вх + G Н2О хр 18 – 123 х – 3000 х = G Н2О хр = 18*3000/123 = 439 кг/ч 4.4 Определим количество серной кислоты Серная кислота выступает в качестве водоотнимающего средства. Следовательно, G Н2SO4 вых = G Н2SO4 вх G Н2SO4 вых = 4659 кг/ч 5 Составим итоговую таблицу Таблица 1 – Итоговый баланс нитратора Потоки Приход, кг/ч Расход, кг/ч С6Н6 1941 39 HNO3 1553 16 H2O 1553 1992 H2SO4 4659 4659 C6H5-NO2 - 3000 Итого 9706 9706 Задача 2 Рассчитать материальный баланс нейтрализатора для получения аммиачной селитры, производительностью 20 т/ч. В производстве применяется 47% азотная кислота HNO3 и 100% газообразный аммиак NH3. Потеря HNO3 и NH3 в производстве составляет 1% от теоретически необходимого количества, для обеспечения заданной производительности. Из нейтрализатора аммиачная селитра составляет 60% раствора NH4NO3 в воде. Определить количество влаги, испарившейся в результате экзотермической реакции нейтрализатора. 1 Изобразим процесс на схеме Рисунок 2- Схема входящих и выходящих материальных потоков 2 Определим молекулярные массы веществ µ(NH4NO3) = 80 кг/кмоль; µ(NH3) = 17 кг/кмоль; µ(HNO3) = 63 кг/кмоль; µ(H2O) = 18 кг/кмоль. 3 Составим приходную часть материального баланса 3.1 Определим количество аммиака, необходимого для получения аммиачной селитры 17 - 80 х – 20000 х = GNH3 хр = 17*20000/80 = 4250 кг/ч GNH3 вх = GNH3 хр/0,99 = 4293 кг/ч 3.2 Определим количество азотной кислоты 63 – 80 х – 20000 х = GHNO3 хр = 63*20000/80 = 15750 кг/ч GHNO3 вх = GHNO3 хр/0,99 = 15909 кг/ч 3.3 Определим количество воды 15909 – 0,47 х – 0,53 х = GH2O хр = 15909*0,53/0,47 = 17740 кг/ч 4 Составим расходную часть материального баланса 4.1 Определим количество азотной кислоты G HNO3 вых = G HNO3 вх – G HNO3 хр G HNO3 вых = 15909 – 15750 = 159 кг/ч 4.2 Определим количество аммиака G NH3 вых = G NH3 вх - G NH3 хр G NH3 вых = 4293 – 4250 = 43 кг/ч 4.3 Определим количество воды 20000 – 0,6; х – 0,4; х = GH2O вх = 20000*0,4/0,6 = 13333 кг/ч GH2O вых = GH2O хр - GH2O вх GH2Oвых = 17740 – 13333 = 4407 кг/ч 5 Составим итоговую таблицу Таблица 2 – Итоговый баланс нейтрализатора Потоки Приход, кг/ч Расход, кг/ч NH3 4293 43 HNO3 15909 159 H2O 17740 13333 H2Oпар - 4407 NH4NO3 - 20000 Итого 37942 37942 Задача 3 Составить материальный баланс контактного аппарата для каталитического окисления SO2 в SO3 производительностью 10 000 м3/ч исходного газа следующего состава [%(об.)]: SO2-8,5; О2-12,5; N2-79 . Степень окисления SO2 в SO3 составляет 98% (SO2+1/2О2 SO3). 1 Изобразим процесс на схеме Рисунок 3 - Схема входящих и выходящих потоков в контактном аппарате 2 Определим молекулярные массы веществ µ(SO2) = 64,06 г/моль; µ(О2) = 32 г/моль; µ(SO3) = 80,06 г/моль; µ(N2) = 28 г/моль. 3 Составим приходную часть материального баланса 3.1 Определим количество SO2 на входе м3/ч (0,236 м3/с) кг/ч (0,675 кг/с) 3.2 Определим количество O2 на входе ; м3/ч (0,347 м3/с); ; кг/ч (0,496 кг/с);
3.3 Определим количество N2 на входе ; м3/ч (2,194 м3/с); ; кг/ч (2,743 кг/с)
4 Составим расходную часть материального баланса 4.1 Определим количество SO2 на выходе ; м3/ч (0,005 м3/с); ; кг/ч (0,014 кг/с) 4.2 Определим количество SO3 на выходе ; м3/ч (0,231 м3/с); ; кг/ч (0,827 кг/с) 4.3 Определим количество O2 на выходе ;; м3/ч (0,116 м3/с), м3/ч (0,232 м3/с); ;кг/ч (0,331 кг/с) 4.4 Определим количество N2 на выходе Так, как азот присутствует в исходном газе в качестве балласта, то его количество в ходе химической реакции не меняется. 5 Сведём данные по расчётам в таблицу: Таблица 3 - Итоговый баланс контактного аппарата Потоки Приход, кг/ч Расход, кг/ч Приход, м3/ч Расход, м3/ч SO3 - 2977 - 833 SO2 2431 49 850 17 O2 1786 1191 1250 834 N2 9875 9875 7900 7900 Итого 14092 14092 10000 9584 Так, как реакция протекает с уменьшением объёма, то объёмные расходы отличаются, а массовые совпадают. Задача 4 Добавим к предыдущей задаче следующие условия: Температура газовой смеси на входе в аппарат , а на выходе из него . Средняя теплоёмкость смеси (условно считать постоянной) равна 2,052 . Потери теплоты в окружающую среду составляют 5% от прихода теплоты (SO2+1/2О2 SO3+94207 кДж) Определить количество теплоты, отводимой от аппарата. 1 Изобразим процесс на схеме: Q1 – теплота, вносимая в контактный аппарат реакционной смесью; Q2 – теплота химической реакции; Q3 – теплота, выводимая из контактного аппарата реакционной смесью; Q4-потери теплоты в окружающую среду; Q5- количество теплоты, отводимое в аппарате Рисунок 4 - Схема входящих и выходящих потоков в контактном аппарате 2 Определим Q1 ; кВт 3 Определим Q2 , где n-число молей полученного SO3 973 кВт 4 Определим Q3 ; 3168 кВт 5 Определим Q4 ; 180 кВт 6 Определим Q5: ; кВт 7 Сведём данные по расчётам в таблицу Таблица 4 – Приход теплоты в контактном аппарате Потоки кВт % Q1 2622 73 Q2 973 27 Итого 3595 100 Таблица 5 – Расход теплоты в контактном аппарате Потоки кВт % Q3 3168 88 Q4 180 5 Q5 247 7 Итого 3595 100 Задача 5 В реакторе протекает реакция: : А+В R . Определить степень превращения ХА и ХВ, при условии А и В взяты в стехиометрическом соотношении; если вещества В в 2 раза больше ( то есть 2 моля вещества на 1 моль вещества А); если вещества В в 3 раза больше. 1 Определим степень превращения, если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении Принимаем: моль,моль По условию известно, что
Можно определить степень превращения вещества А: ; Поскольку вещества А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то ,
Можно определить степень превращения вещества В: ; 2 Определим если в 2 раза больше По условию известно, что , Можно определить степень превращения вещества А: Поскольку реагирует половина вещества А, то Можно определить степень превращения вещества В: 3 Определим если в 3 раза больше По условию известно, что , Можно определить степень превращения вещества А: Поскольку реагирует половина вещества А, то Можно определить степень превращения вещества В: Задача 6 Определить состав смеси и степень превращения для реакции: А+2В 2R+S. Если ;;. Определить 1 Степень превращения реагента В можно определить следующим образом: ; ; 2 Концентрацию реагента А можно определить следующим образом: 3 Концентрацию реагента В можно определить следующим образом: 4 Из стехиометрических коэффициентов определим : Задача 7 Определить Х SO2 в реакции 2SO2 + O2 → 2SO3, если реакционная смесь имеет состав в начале процесса [% (об.)]: С SO2-7,5; С O2-10,3; С N2-82,2. Содержание SO2 в конце процесса равна 2,5% об. Замечание: 1. реакция протекает с уменьшением объема, следовательно, необходимо учитывать- относительное изменение объема реакционной смеси. 2. формализуем задачу, т.е. переведем ее в привычные понятия: аА+вВrR, где а=2 в=1 r=2 СА.0=7,5% об. СА.е=2,5% об. СВ.0=10,3% об. 3. реагенты взяты не в стехиометрическом соотношении, т.е. О2 в избытке. 4. в реакционной смеси присутствует балластный азот, т.е. для окисления используется О2 воздуха. 1 Определим относительные изменения объема , где - первоначальный объем смеси - объем смеси в конце реакции. Отношение определим по формуле [2,с.22]: , где β – доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси. В нашем случае , . . . 2 Определим равновесные степени превращения по формуле [2, с.22]: ; . Задача 8 В реакторе протекает реакция: А+2В 2R+S. Начальные количества ; . В реакционной смеси, выходящей из реактора . Известно, что в равновесной смеси содержится . Определить выход продукта . 1 Выход продукта можно определить из следующего соотношения: 2 Степень превращения реагента А можно определить следующим образом: ; 3 Равновесную степень превращения реагента А можно определить из выражения: ; 4 Определим выход продукта: Задача 9 Определить необходимое время пребывания τ в РИС-П для достижения ХА = 0,9.В реакторе проводится изотермическая необратимая реакция второго порядка, реактор заполнен частично веществом А, мольная масса 110кг/кмоль, плотность исходного раствора и продукта 1100кг/м3 и1320кг/м3, константа химической реакции К =0,8м3/моль ч.
Задачу решаем двумя способами без учета плотности и с учетом плотности. 1 Определим τрис-п без учета изменений плотности: 1.1 Изобразим схему расчета: Рисунок 5 - Расчетная схема
2 Определим τрис-п с учетом изменения плотности( объема): 2.1 Изобразим схему расчета Рисунок 6 - Схема расчета 2.2 Определим степень изменения объема : [мет. 2 с.30] Принимаем , что объем и плтности взаимосвязаны следующим образом. где это объем и плотность смеси в данный, объем и плотность в начальный момент времени. По условию, если ХА =1, то 2.3 Определим СА.О: 2.4 Определим концентрацию СА : Примечание: задачу решаем в общем виде. 2.5 Определим скорость химической реакции: 2.6 Определим τрис-п : Подставим значение скорости и получим: Проинтегрируем и получим: Подставим численные значения: Задача 10 Рассчитать объём реактора идеального вытеснения (РИВ) при проведении в нём реакции: А R+SО. Условия: 1 Объёмный расход исходного компонента ; 2 Начальная концентрация ; 3 Константа скорости химической реакции 4 Степень превращения . Примечания: 1 Данная реакция второго порядка (это следует из уравнения реакции и размерности константы скорости химической реакции); 2 Размерность величин переведём в систему СИ , так как объёмный расход и константа скорости химической реакции приведены в разных размерностях. Рассчитаем объём реактора идеального вытеснения: ; . Задача 11 Определить какое количество вещества А можно переработать в РИС-П за сутки при проведении реакции : , если объём РИС-П ; степень превращения ; константа скорости реакции ; начальная концентрация реагента А ; коэффициент заполнения реактора ψ=0,8; время загрузки и выгрузки за одну операцию 30 мин; 1 Изобразим алгоритм расчета на схеме: Рисунок 7 – Алгоритм решения 2 Определим 3 Определим 4 Определим N 5 Определим количество вещества 6 Определим 7 Определим Задача 12 В реакторе идеального смешения периодического действия (РИС-П) проводится изотермическая реакция: . Реактор заполнен чистым веществом А, мольная масса М которого 110 . Плотность вещества . Степень превращения вещества . Константа равновесия . Продолжительность вспомогательных операций . Объём реактора ; степень заполнения реактора исходным реагентом . Определить продолжительность реакции , производительность реактора и количество вещества А, подвергнутого превращению в 1реактора за 1, то есть интенсивность реактора I. Рисунок 8 – Схема расчёта 1 Определим начальную концентрацию реагента А: ;
. 2 Определим продолжительность химической реакции: ; . 3 Определим производительность реактора:
, где ; . 4 Определим интенсивность реактора: ; . Задача 13 Определить объём РИВ () для гомогенной реакции: 4А R+6S. ; ; ; . Мольный расход . Примечания: 1 Реакция протекает с изменением объёма, нужно учесть . 2 Считать, что реакция протекает по первому порядку ; (); ; ; Отношение объемов определяется по формуле [1. стр. 22] где β- доля стехиометрической смеси, исходных реагентов в исходной смеси. εА=0,25-1=-0,75; Задача 14 Рассчитать максимальный секундный расход (мольный расход) вещества А при соблюдении следующих условий: 1 В изотермическом РИС-Н проводится обратимая экзотермическая реакция А R+6200 кДж/кмоль. 2 При оптимальной температуре 49 степень превращения составляет 60 %. 3 Для создания изотермических условий используется погружной водяной холодильник с поверхностью теплообмена . 4 Коэффициент теплопередачи . 5 Температура на выходе из холодильника составляет . 1 Составим тепловой баланс для изотермического реактора: или , Где 2 Выражаем из уравнения теплового баланса мольный расход: ; (0,012). Задача 15 Рассчитать длину труб теплообменника для осуществления процесса, описываемого ниже. В реакторе полупериодического действия проводится реакция взаимодействия в жидкой фазе продукта А с концентрацией 25 масс.% с первоначально загруженным в количестве 500 л продуктом В с концентрацией 38 масс.%. Скорость подачи реагента А составляет 6,23 . Температура на входе 25. Плотность раствора . Тепловой эффект реакции 5000 . Для проведения реакции следует поддерживать температуру , что достигается с помощью теплообменника, диаметр трубок которого d=250 . Расход хладоагента должен быть таким, чтобы его температура не превысила 25. Коэффициент теплопередачи . Теплоёмкость смеси реагентов . Рисунок 9 - Схема расчёта 1 Составим тепловой баланс реактора =0. (); ;
; ; ;
. 2 Определим начальную концентрацию компонента А ; . 3 Определим поверхность теплообмена: ; (), Выбираем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник (n=37, d=259 ). Выразим длину трубок теплообменника из следующего соотношения: , Откуда ; . Задача 16 Определить температуру нагревания реагента А на входе в РИС-Н адиабатически при осуществлении необратимой экзотермической реакции А R. Тепловой эффект химической реакции . Степень превращения . Температура проведения реакции . Теплоёмкость . 1 Составим тепловой баланс реактора: , Где . 2 Выразим из последнего выражения : ; . Задача 17 Определить количество теплоты, которое необходимо отводить в РИС-Н при проведении в нём обратимой экзотермической реакции А+B R+18000, с тем, чтобы обеспечить максимальную степень превращения реагента А(). Температура реакционной смеси на входе в реактор . Теплоёмкость . Известна также экспериментальная зависимость, представленная в таблице 6. Таблица 6 – Экспериментальная зависимость степени превращения от температуры Т 5 15 25 35 40 42 45 55 65 0,18 0,31 0,46 0,56 0,58 0,60 0,59 0,49 0,38 1 Из экспериментальной зависимости, представленной в таблице 6, видно, что максимальная степень превращения реагента А достигается только при температуре реакционной смеси, равной 42 . Для этой температуры и будем производить все дальнейшие расчёты. 2 Принимаем, что реактор работает в политропическом режиме 3 Составим уравнение теплового баланса для реактора, работающего в политропическом режиме: ; . . преобразуем последнее выражение к следующему виду: , Откуда ; Следовательно, режим работы реактора должен быть адиабатическим. Задача 18 Определить объёмные расходы реагентови в РИС-Н при проведении реакции А+В=R+S. Объём РИС-Н л; ; ; ;;. 1 Составим алгоритм расчёта: Рисунок 10 – Схема расчёта 2 Определим начальные концентрации компонентов А и В в смеси: Принимаем ;
; ; ;
3 Определим концентрации реагентов А и В в реакционной смеси: , Откуда ; ; , Откуда ; ; ; ; ; . 4 Определим скорость химической реакции: ; . 5 Определим время пребывания реакционной смеси в аппарате: ; (1 200 000 с). 6 Определим объёмные расходы реагентов А и В: ; ; ; . Задача 19 Скорость превращения в реакции А 2R описывается кинетическим уравнением первого порядка . Вычислить среднее время пребывания реагирующей смеси, необходимое для достижения в К-РИС из четырёх реакторов (N=4). Какое время пребывания реакционной смеси потребовалось бы для достижения такой же степени превращения в РИС-Н? 1 Определим среднее время пребывания реагирующей смеси в К-РИС: , где - время пребывания реагирующей смеси в одном реакторе. ; (), (). 2 Определим среднее время пребывания реагирующей смеси в РИС-Н: , так как в данном случае N=1, ; (). Задача 20 Определить объём реактора идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н), каскада реакторов идеального смешения (К-РИС), реактора идеального вытеснения (РИВ), при проведении реакции второго порядка: 2А R+S. Условия: 1 Начальная концентрация ; 2 Константа скорости химической реакции ; 3 Степень превращения ; 4 Первоначальный расход смеси Примечание: объём реакционной смеси на протяжении всей реакции остаётся постоянным. 1 Определим время пребывания реакционной смеси в реакторе идеального смешения и его объём: ; ; ; . 2 Определим время пребывания реакционной смеси в реакторе идеального вытеснения и его объём: ; ; ; . 3 Для каскада реакторов идеального смешения принимают, что все секции имеют одинаковый объём, причём . . Построим зависимость скорости химической реакции от концентрации: ; Так как ,;
Например, Построение продолжается до тех пор, пока не будет обеспечена заданная степень превращения, то есть при выполнении следующего условия:
; . Дробного числа секций быть не может, принимаем число секций равным 4, причём четыре секции дают степень превращения больше, чем требуется по условию. ; ; .