Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31
Министерство по образованию и науке РФ Бийский технологический институт (Филиал государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования) "Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова" (БТИ Алт ГТУ) Кафедра ТГВ ПАХТ Контрольная работа по курсу "Общая химическая технология" Выполнила: студентка группы ХТПК – 71 Диго Т.А. Проверил: доцент, к. т. н. Багров Г.В. 2010 Задача 1 Составить материальный баланс нитратора, производительностью 3 т/ч нитробензола. Выход нитробензола 98% от теоретического. Состав нитрующей смеси [%(мас)]: HNO3
– 20, H2
SO4
– 60, H2
O – 20. Расход нитруюшей смеси 4 кг на 1 кг бензола: С6
Н6
+НNI3
=C6
H5
-NO2
+H2
O 1 Изобразим процесс на схеме Рисунок 1- Схема входящих и выходящих материальных потоков 2 Определим молекулярные массы веществ µ(С6
Н6
) = 78 кг/кмоль; µ(C6
H5
-NO2
) = 125 кг/кмоль; µ(HNO3
) = 63 кг/кмоль; µ(H2
O) = 18 кг/кмоль. 3 Составим приходную часть материального баланса 3.1 Определим количество бензола необходимого для получения 3000 кг/ч C6
H5
-NO2
76 – 123 х – 3000 х = GС6
Н6
теор = (3000*78)/123 = 1902 кг/ч GС6
Н6
действ = С6
Н6
/ 0,98 GС6
Н6
действ = 1902/ 0,98= 1941 кг/ч 3.2 Определим количество нитрующей смеси Gнитр смеси = 4 * GС6
Н6
действ Gнитр смеси = 4 * 1941= 7764 кг/ч 3.3 Определим количество азотной кислоты GHNO3
вх = 0,2 * Gнитр смеси GHNO3
вх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч 3.4 Определим количество воды на входе GH2
Oвх = 0,2 * Gнитр смеси GH2
Oвх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч 3.5 Определим количество серной кислоты GH2
SO4
вх = 0,6 * Gнитр смеси GH2
SO4
вх = 0,6 * 7764 = 4659 кг/ч 4 Составим расходную часть материального баланса 4.1 Определим количество бензола GС6
Н6
вых = GС6
Н6
теор – GС6
Н6
действ GС6
Н6
вых = 1941 – 1902 = 39 кг/ч 4.2 Определим количество азотной кислоты GHNO3
вых = GHNO3
вх – GHNO3
хр 63 – 123 х – 3000 х = GHNO3
хр = 63 * 3000/123 = 1537 кг/ч GHNO3
вых = 1553 – 1537 = 16 кг/ч 4.3 Определим количество воды GН2
Овых = GН2
Овх + GН2
О хр 18 – 123 х – 3000 х = GН2
О хр = 18*3000/123 = 439 кг/ч 4.4 Определим количество серной кислоты Серная кислота выступает в качестве водоотнимающего средства. Следовательно, GН2
SO4
вых = GН2
SO4
вх GН2
SO4
вых = 4659 кг/ч 5 Составим итоговую таблицу Таблица 1 – Итоговый баланс нитратора 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 NH4
NO3
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(NH4
NO3
) = 80 кг/кмоль; µ(NH3
) = 17 кг/кмоль; µ(HNO3
) = 63 кг/кмоль; µ(H2
O) = 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 = GH2
Oхр = 15909*0,53/0,47 = 17740 кг/ч 4 Составим расходную часть материального баланса 4.1 Определим количество азотной кислоты GHNO3
вых = GHNO3
вх – GHNO3
хр GHNO3
вых = 15909 – 15750 = 159 кг/ч 4.2 Определим количество аммиака GNH3
вых = GNH3
вх -GNH3
хр GNH3
вых = 4293 – 4250 = 43 кг/ч 4.3 Определим количество воды 20000 – 0,6; х – 0,4; х = GH2
Oвх = 20000*0,4/0,6 = 13333 кг/ч GH2
Oвых = GH2
Oхр - GH2
Oвх GH2
Oвых = 17740 – 13333 = 4407 кг/ч 5 Составим итоговую таблицу Таблица 2 – Итоговый баланс нейтрализатора 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 3.2 Определим количество O2
на входе 3.3 Определим количество N2
на входе 4 Составим расходную часть материального баланса 4.1 Определим количество SO2
на выходе 4.2 Определим количество SO3
на выходе 4.3 Определим количество O2
на выходе 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 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 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
3 Определим Q2
где n-число молей полученного SO3
4 Определим Q3
5 Определим Q4
6 Определим Q5
: 7 Сведём данные по расчётам в таблицу Таблица 4 – Приход теплоты в контактном аппарате Таблица 5 – Расход теплоты в контактном аппарате 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: 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 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 SO
2
в реакции 2SO2
+ O2
→ 2SO3
, если реакционная смесь имеет состав в начале процесса [% (об.)]: С SO
2
-7,5; С O
2
-10,3; С N
2
-82,2. Содержание SO2
в конце процесса равна 2,5% об. Замечание: 1. реакция протекает с уменьшением объема, следовательно, необходимо учитывать 2. формализуем задачу, т.е. переведем ее в привычные понятия: аА+вВ 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 Отношение 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 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 : Принимаем , что объем и плтности взаимосвязаны следующим образом. где 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 Проинтегрируем и получим: Подставим численные значения: Задача 10 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 : 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: Определить продолжительность реакции 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 ( Мольный расход Примечания: 1 Реакция протекает с изменением объёма, 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 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: Где 2 Выражаем из уравнения теплового баланса мольный расход: 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 Рисунок 9 - Схема расчёта 1 Составим тепловой баланс реактора 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+BR+18000 Температура реакционной смеси на входе в реактор Теплоёмкость Известна также экспериментальная зависимость, представленная в таблице 6. Таблица 6 – Экспериментальная зависимость степени превращения 1 Из экспериментальной зависимости, представленной в таблице 6, видно, что максимальная степень превращения реагента А достигается только при температуре реакционной смеси, равной 42 2 Принимаем, что реактор работает в политропическом режиме 3 Составим уравнение теплового баланса для реактора, работающего в политропическом режиме: Откуда Следовательно, режим работы реактора должен быть адиабатическим. Задача 18 Определить объёмные расходы реагентов 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: 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 Какое время пребывания реакционной смеси потребовалось бы для достижения такой же степени превращения 1 Определим среднее время пребывания реагирующей смеси в К-РИС: где 2 Определим среднее время пребывания реагирующей смеси в РИС-Н: 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,
|