Задачи по Химия нефти, Переработки нефти на практике

Для реакций третьего порядка имеем

где τ – время реакции, с; k k – соответственно константы скорости реакции первого, второго и третьего порядка, л/(моль·с) и л²/(моль·с); а и b – начальные концентрации веществ, моль/л; х – количество вещества, вступившего в реакцию к моменту времени τ, моль/л.

Задачи

33 В реактор, внутренний диаметр которого 2,2 м, поступает на дегидрирование до бутенов 13 800 м³ н-бутана в час. При 615°С степень конверсии н-бутана равна 39,2%, селективность по бутенам составляет 75,4%. Определить высоту реактора, приняв для расчета константы скорости уравнение:

34 В реактор на дегидрирование до бутенов поступает 12000м³ н-бутана в час при объемной скорости 520 ч^-1 (в расчете на газообразный н-бутан). Процесс проводят при 595°С, константа скорости описывается уравнением, приведенным в задаче 36. Определить вместимость реактора, время пребывания веществ в реакционной зоне и константу скорости реакции.

36 Производительность реактора окислительного пиролиза метана равна 45000 м³ газов пиролиза в час при времени реакции 0,003 с. Определить диаметр реакционной зоны, если ее длина составляет 600 мм.

37 Производительность реактора одностадийного дегидрирования н-бутана составляет 72 т бутадиена в сутки. Определить объем катализатора в реакторе, если производительность катализатора по бутадиену равна 90 кг/(м³·ч)

38 Массовый расход этилбензола в реакторе получения стирола равен 12,9 т/ч, а объемная скорость подачи жидкого этилбензола равна 0,5 ч ^-1. Плотность бензола равна 867 кг/м³. Определить высоту слоя катализатора в реакторе диаметром 5,5 м.

39 Объемный расход метана, подаваемого в реактор газофазного хлорирования, равен 400 м³/ч; мольное отношение подаваемых метана и хлора равно 5:1, а объемная скорость подачи газов в реакционное пространство составляет 240 ч^-1. Определить рабочий объем реактора.

Тепловые расчеты химико-технологических процессов

Переработка сырья в химических реакторах обычно связана с затратой (подводом) теплоты или с ее отводом. Чтобы определить расход теплоносителя и поверхность теплообмена аппаратов, составляют тепловой баланс, уравнение которого в общем виде:

Q_прих = Q_расх

т. е. приход теплоты в аппарат должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате.

Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса (yа единицу времени для аппаратов непрерывного действия или на цикл работы для аппаратов периодического действия) с учетом подвода теплоты извне, ее отвода с продуктами реакции и теплоносителем, а также с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений. Для расчета используют уравнение:

Q_исх + Q_ф + Q_р + Q_п = Q_прод + Q′ _ф + Q′ _р + Q′ _п

Величины Q_исх и Q_прод рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него (по данным материального баланса):

Q = m c t

где т – масса вещества, с – средняя теплоемкость этого вещества, t – температура.

Величины Q_ф и Q′_ф – теплоты физических превращений, происходящих с выделением (Q_ф) или с поглощением (Q′_ф) тепла, – рассчитывают для каждого из веществ, претерпевших фазовые переходы

Q_ф = m r

где r – теплота фазового перехода (например, парообразования). Q_р и Q′_р – количество теплоты выделяемое (Q_р) при экзотермических или поглощаемое (Q′_р) при эндотермических реакциях, рассчитывают пользуясь значениями тепловых эффектов реакций. Величина Q′_п – количество теплоты, подводимой в аппарат извне, а Q′_п – потери теплоты в окружающую среду, также ее отвод через теплообменные устройства.

При проведении тепловых расчетов наиболее затруднительным является определение теплового эффекта реакции. Тепловой эффект можно определить расчетным путем, исходя из теплоты образования или теплоты сгорания веществ, участвующих в реакции, по формулам

Значения теплоты образования (сгорания) веществ приведены в физико-химических и термодинамических справочниках. При ее определении расчетным путем существует несколько способов расчета.

1 По энергиям разрыва связей

где n_i и m_i – число связей данного вида в исходных веществах и конечных продуктах, а Е_i – энергия i-ой связи. Энергии разрыва связи приводятся в справочниках.

2 По теплотам образования веществ, лежащих в начале соответствующего гомологического ряда, с суммированием поправок, приписываемых различным группам, входящим в молекулу. Значения поправок приводятся в справочной литературе.

3. По составляющим связей. Эти значения приведены в справочной литературе (см., например, Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. –Л., Химия, 1982), а для расчета по ним используют правило аддитивности.

Теплоту сгорания можно найти следующим образом.

1 По уравнению Д. П. Коновалова (в кДж/моль)

∆Н_сгор = (204,2п + 44т + ∑х)

где п – число атомов кислорода, необходимое для полного сгорания вещества; т – число моль образующейся воды; х – поправка (термическая характеристика), постоянная в пределах данного гомологического ряда равная нулю для предельных соединений.

2. По методу Хендрика. Считая, что продуктами полного сгорания органических веществ являются диоксид углерода, вода, свободный азот, галогеноводород, диоксид серы и фосфорная кислота, можно, применяя закон Гесса, определить теплоту сгорания вещества, пользуясь стандартными теплотами образования:

Вещество ∆Н_обр Вещество ∆Н_обр

кДж/моль кДж/моль

СО₂ (г) – 394,07 HBr (г) – 36,45

Н₂О (ж) – 286,24 HI (г) – 25,98

НF (г) – 269,00 SO₂ (г) – 297,49

НСl (г) – 92,60 Н₃РО₄ (кр) – 1280,88

Целью теплового расчета чаще всего является нахождение тепловой нагрузки аппарата: Q_n – теплового потока, вносимого в аппарат, или Q′_n – теплового потока, выносимого из аппарата. Эти величины определяют из уравнения теплового баланса и используют для нахождения площади поверхности теплообмена, расхода теплоносителей и ряда других конструкционных и эксплуатационных характеристик работы аппарата. Наиболее часто при расчетах применяют следующие формулы:

где F – площадь поверхности теплообмена, м²; Q – тепловой поток, Вт; к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); ∆Т_ср – средний температурный напор, К.

где т – массовый расход теплоносителя, кг/с; Q – тепловой поток, Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); t₁ и t₂– начальная и конечная температуры теплоносителя, К.

где т – массовый расход теплоносителя, кг/с; Q – тепловой поток, Вт; r – теплота фазового перехода теплоносителя, Дж/кг.

Задачи

40 В результате прямой перегонки нефти получено в час 33800 кг бензиновой фракции (93÷123°С), массовые доли компонентов в которой равны: парафины 27,4%, непредельные 0,5%, ароматические 0,7%, нафтены 71,4%. Определить компонентный состав фракции и массовый расход нефти, если выход фракции составляет 48% от общего расхода нефти, поступающей на установку прямой перегонки.

41 В результате прямой перегонки нефти получено в час 34000 кг бензиновой фракции (123÷153 °С), массовые доли компонентов в которой: парафины 18,8%, ароматические 4,7%, непредельные 0,5%, нафтены 76%. Определить компонентный состав фракции и массовый расход нефти, если выход фракции составляет 18% от общего расхода нефти, поступающей на установку прямой перегонки.

42. При коксовании нефтяных остатков образуются нефтепродукты следующего состава (в массовых долях): 28% нефтяного кокса, 60% жидких дистиллятов, 12% крекинг-газа. Рассчитать компонентный состав указанных продуктов, если на установку подают 38 800 кг нефтяного остатка в час, а степень его конверсии составляет 90%.

43. Определить состав крекинг-газа в массовых долях, если газ состоит (в объемных долях) из водорода (4%), метана (41%), этана (18%), пропана (15%), бутана (6%), этилена (3%), пропилена (8%), и бутана (5%).

44 Перевести объемные доли в массовые доли (%) для крекинг-газа следующего состава: водород 3%, метан 48%, этан 17%, пропан 15%, бутан 5%, этилен 2%, пропилен 6%, бутены 4%.

42. Перевести объемные доли в массовые доли (%) для крекинг-газа, полученного газофазным крекингом дистиллятов прямой гонки и имеющего следующий состав: водород 7%, метан 30%, этан 13%, пропан 3%, бутан 1%, этилен 23%, пропилен 16%, бутены 7%.

43. Производительность установки платформинга по жидкому сырью равна 1750 т/сут. Объемный расход смеси паров сырья и циркуляционного водорода составляет 2,51 м³/с в условиях процесса. Объемная скорость жидкого сырья, имеющего плотность 745 кг/м³, составляет 1,52 ч^-1; линейная скорость паро-газовой смеси в сечении реактора 0,38 м/с. Определить общий объем катализатора в реакторах и диаметр реактора.

44. Производительность установки платформинга по жидкому сырью равна 1640 кг/сут. Объемный расход смеси паров сырья и циркуляционного водорода составляет 3,02 м³/с в условиях процесса. Объемная скорость жидкого сырья, имеющего плотность 75 кг/м³, составляет 1,55 ч^-1; линейная скорость паро-газовой смеси в сечении реактора 0,4 м/с. Определить общий объем катализатора в реакторах и диаметр реактора.

45. На установку каталитического риформинга (объем катализатора 64,5м³) поступает керосиновая фракция плотностью 745 кг/м³. Объемная скорость паров сырья в условиях процесса 1,51 ч^-1. Определить часовую производительность установки.

46. На установку каталитического риформинга (объем катализатора 66м³) поступает жидкая фракция плотностью 748 кг/м³. Объемная скорость жидкости 1,5 ч^-1.Определить часовую производительность установки.

49 Определить площадь поверхности теплообмена в теплообменниках на установке прямой перегонки нефти, в которых 60000 кг нефти [с =1,885кДж/(кг·К)] в час нагреваются от 125 до 200°С; коэффициент теплопередачи, К=110 Вт/(м²·К); средний температурный напор 39 К. Определить число стандартных теплообменников, если площадь поверхности теплообмена одного стандартного теплообменника составляет 100 м².

42. Определить расход теплоты, необходимой для нагревания 348000 кг нефти [с =1,880 кДж/(кг·К)] от 182 до 350°С за 1 ч. Теплоемкость нефтяных паров 1,960 кДж/(кг·К).