Контрольная работа Основы химической технологии

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Принимаю Политику конфиденциальности

Скидка 25% при заказе до 22.11.2024

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
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 С₆Н₆теор = (3000*78)/123 = 1902 кг/ч

G С₆Н₆действ = С₆Н₆/ 0,98

G С₆Н₆действ = 1902/ 0,98= 1941 кг/ч

3.2 Определим количество нитрующей смеси
Gнитр смеси = 4 * G С₆Н₆действ

Gнитр смеси = 4 * 1941= 7764 кг/ч
3.3 Определим количество азотной кислоты
G HNO₃вх = 0,2 * Gнитр смеси

G HNO₃вх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч
3.4 Определим количество воды на входе
G H₂Oвх = 0,2 * Gнитр смеси

G H₂Oвх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч
3.5 Определим количество серной кислоты
G H₂SO₄вх = 0,6 * Gнитр смеси

G H₂SO₄вх = 0,6 * 7764 = 4659 кг/ч
4 Составим расходную часть материального баланса

4.1 Определим количество бензола
G С₆Н₆вых = G С₆Н₆теор – G С₆Н₆действ

G С₆Н₆вых = 1941 – 1902 = 39 кг/ч
4.2 Определим количество азотной кислоты
G HNO₃вых = G HNO₃вх – G HNO₃хр

63 – 123

х – 3000

х = G HNO₃хр = 63 * 3000/123 = 1537 кг/ч

G HNO₃вых = 1553 – 1537 = 16 кг/ч
4.3 Определим количество воды
G Н₂Овых = G Н₂Овх + 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 Н₂SO₄вых = G Н₂SO₄вх

G Н₂SO₄вых = 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 HNO₃и NH₃в 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 = GHNO₃хр = 63*20000/80 = 15750 кг/ч

GHNO₃вх = GHNO₃хр/0,99 = 15909 кг/ч
3.3 Определим количество воды
15909 – 0,47

х – 0,53

х = GH₂Oхр = 15909*0,53/0,47 = 17740 кг/ч
4 Составим расходную часть материального баланса

4.1 Определим количество азотной кислоты
G HNO₃вых = G HNO₃вх – G HNO₃хр

G HNO₃вых = 15909 – 15750 = 159 кг/ч
4.2 Определим количество аммиака
G NH₃вых = G NH₃вх - G NH₃хр

G NH₃вых = 4293 – 4250 = 43 кг/ч
4.3 Определим количество воды
20000 – 0,6; х – 0,4; х = GH₂Oвх = 20000*0,4/0,6 = 13333 кг/ч

GH₂Oвых = GH₂Oхр - GH₂Oвх

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
H₂O_пар	-	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 SO₃составляет 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 Х_Аи Х_В, 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
С_А.0=7,5% об. С_А.е=2,5% об. С_В.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 О₂воздуха.

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 Х_А = 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 τ_рис-п без учета изменений плотности:

1.1 Изобразим схему расчета:

Рисунок 5 - Расчетная схема

2 Определим τ_рис-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 С_А.О:

2.4 Определим концентрацию С_А:

Примечание: задачу решаем в общем виде.

2.5 Определим скорость химической реакции:

2.6 Определим τ_рис-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.

ε_А=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.

;

;

.}

Bukvasha