Основы химической технологии

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, 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



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.



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:

		реакция протекает с уменьшением объема, следовательно, необходимо учитывать - относительное изменение объема реакционной смеси.

		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.

	

		реагенты взяты не в стехиометрическом соотношении, т.е. О2 в избытке.

		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 1 реактора 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 реагентов и  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.



 ;

 ;



 .