29.04.21. Примеры задач

1. Для проведения жидкофазной реакции 2А  R + S можно использовать либо единичный реактор смешения, либо каскад реакторов ИС с объемом каждого реактора, равным 13% от объема единичного РИС-Н. Объемная скорость потока составляет 2,9 м³/ч, начальная концентрация А в потоке равна 1,5 кмоль/ м³. Константа скорости реакции 0,06 м³/(скмоль). Каким будет объём единичного РИС-Н и сколько нужно взять реакторов в каскаде для достижения степени превращения на выходе, равной 0,86.

Решение

Масштаб по оси ординат выбран не очень удачно, т.к. основная часть рис. не задействована. V cм= V _К-ИС =30,130,39 =0,152 м³

2. Составить материальный баланс абсорбционного узла (подсистемы абсорбции SO₃) в производстве серной кислоты производительностью 580 т в расчете на 100 %-ую H₂SO₄ G₁₀₀ в сутки. Известно, что в абсорбере А поглощается 98% поступающего SO₃. Абсорбер орошается 98,5%-ой серной кислотой, продукционная кислота G_93,6 имеет концентрацию 93,6 мас.%.

Решение. Поместим реакционный узел в оболочку и определим материальные потоки входящие и выходящие. Всего 3 входящих и 2 выходящих потока. Материальный баланс должен выполняться всегда.

1) Баланс по общей массе: G^вх_SO3 + G_{Н2О(общая)} = G^вых _SO3 + G_93,6

где G_{Н2О(общая)} = G₁ + G₂ и G^вх_SO3  G^вых _SO3 = G^погл _SO3

2) Находим количество G_93,6 , зная по условию G₁₀₀ =580 т/сутки или =24,1 т/ч_. Тогда количество продукционной кислоты: ₌ 25,7 т/ч и .

80 и 98 – молярные массы SO₃ и H₂SO₄.

3) Расчет количества воды, поступающей в систему:

Чтобы найти G₁ и G₂, надо выделить элемент (аппарат) куда эти потоки поступают. Так, поток воды G₂ поступает в сборник, куда также поступает кислота с концентрацией 98,5% и выходит продукт G_93,6. Составим баланс по общей массе для этого сборника по аналогии с тем, как мы составили для всего отделения:

G₂ + G_98,5 = G_93,6, где

G_98,5 = = 24,5 т/ч.

Тогда:

G₂ = G_93,6  G_98,5 = 25,7 – 24,5 = 1,2 т/ч.

и G₁ = G_{Н2О(общая)} - G₂=4,8 т/ч.

3) Эндотермическая реакция 2А → R+S – 68000 Дж проводится в каскаде из двух реакторов ИС с равными объемами; с_А0 = 2 кмоль/м³, с_р = 2900 Дж/кг∙К,  =1140 кг/м³, V₀ = 0,020 м³/с, входная температура потока t₀ = 22 ⁰С, степень превращения А на выходе из каскада равна 0,8, температуры в реакторах t₁ = 22 ⁰С и t₂ = 35 ⁰С. Константа скорости реакции k₁ при температуре t₁ равна 0,06 м³/(кмоль^.с) и при температуре t₂ - k₂ = 0,085 м³/(кмоль^.с). Для поддержания заданного температурного режима в реакторах в них подается пар с удельной теплотой парообразования r = 2,410⁶ Дж/кг. Определить: объемы реакторов и расход водяного пара, подаваемого в каждый реактор для поддержания заданного температурного режима.

Решение

1. При равных объемах реакторов ₁= ₂.

где С_Ак = С_А0(1-х_А)= 0,4 кмоль/м³. В уравнение одно неизвестное С_А1. находим С_А1=0,81 кмоль/м^3.

2. Объемы реакторов: V_p1= V_p2 = V₀

V_p1= V_p2 = 0,3 м³.

2. Составим тепловой баланс для схемы в целом и рассчитаем общее количество пара:

q _вх + q _пар = q _вых + q _хр

С_p V₀ ( t_к –t ₀) +1/2Q_рV₀(с_А0– с_Ак)10³ = G_пар r.

= 0,81 кг/с.

4) Расчет количества пара, подаваемого отдельно в реакторы. Выделим какой-либо реактор (допустим 1-й) и составим для него тепловой баланс:

1/2Q_рV₀ (с_А0– с_А1)10³ = G_пар,1 r. G_пар,1= 0,34 кг/с.

Легко найти: G_пар,2= G_пар – G_пар,1 =0,47 кг/с.

ДЗ

1) В производства серной кислоты серный ангидрид SO₃ в количестве 1200 нм³/ч после реактора окисления сернистого газа поступает в абсорбер, который орошается раствором 98,3 %-ой серной кислоты, и в нем образуется продукт – кислота с концентрацией 92,6 мас.%. В абсорбере степень поглощения серного ангидрида x_абс = 0,99. Составить материальный баланс отделения абсорбции.

2) Для проведения жидкофазной реакции 2А R + S можно использовать либо единичный реактор смешения, либо каскад реакторов ИС с объемом каждого реактора, равным 15% от объема единичного РИС-Н. Объемная скорость потока составляет 3,6 м³/ч, начальная концентрация А в потоке равна 4,5 кмоль/ м³. Константа скорости реакции 1,7 м³/(кмоль^. мин). Сколько нужно взять реакторов в каскаде для достижения степени превращения на выходе, равной 0,7.

3) Определить количество аммиака, требуемое для производства 100000 т/год азотной кислоты и расход воздуха на окисление аммиака (м³/ч), если цех работает 355 дней в году, выход оксида азота 97%, степень окисления диоксида азота 100%, степень абсорбции NO₂ 92%, а содержание аммиака в сухой аммиачно-воздушной смеси 7,1 мас.%