Общая химическая технология и химические реакторы. Сборник задач. Учебное пособие

Х* = NА 0 - NА* ,

A NА 0

где ХА* – равновесная степень превращения;NА*– количество исходного реагента А в состоянии равновесия.

Выход продукта – отношение количества полученного целевого продукта к его количеству, которое должно быть получено по стехиометрическому уравнению.

Для необратимой реакции А → R

ΦR = NNА ,

R, max

где ФR – выход продукта; NR,max – максимальновозможное количество вещества R; NR – количество вещества R по окончании

процесса.

Для простых необратимых реакцийNR,max = NАO и NR = NАO-NА, поэтому

Для обратимых реакций NR,max = NR*и

Φ = NN*RR ,

где NR* – количество продукта в состоянии равновесия.

Селективность – соотношение между количеством полученного целевого продукта и всеми продуктами процесса. Селективность характеризует процессы, в которых протекают сложные параллельные и последовательные реакции. Например,

11

где R – целевой продукт;

j = NRN+R NS ,

где φ – селективность; NS, NR – количества веществ R и S.

Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени

П= В , t

где В – количество продукта;τ – время. Производительность выражается в кг/ч, т/сут, м3/ч и т.д.

Интенсивность – это производительность, отнесенная к ка- кой-либо величине, характеризующей размеры аппарата (объему, сечению):

И = П = В ,

Vr Vrt

где Vr - объем реактора, м3 .

Интенсивность выражается в кг/(ч∙м3), т/(сут∙м3) и т.д.

Расходный коэффициент– расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целевого продукта:

b = QВ ,

где Q – расход сырья, реагентов; В – количество продукта.

12

ЗАДАЧИ

Задача 1.

Определить теоретический коэффициент для C2H2 и выход СН3СНО при получении 1000 кг СН3СНО, если степень превращения C2H2 45 % масс., выход в расчете на прореагировавший C2H2 85 % масс., практический расход C2H2 на 1000 кг СН3СНО 45 % масс. Реакция протекает по уравнению :

С2Н2 + Н2О → СН3 –СНО. Задача 2.

Рассчитать массу ацетальдегида и кротонового альдегида, которую можно получить в результате взаимодействия 1 тцеатилена с водой, если чистота С2Н2 98,9 % масс., степень превращения 55 %, выход СН3 –СНО – 90 % масс., а выход кротонового альдегида – 10 %масс. на прореагировавший ацетилен. Реакции протекают по уравнениям:

С2Н2 + Н2О → СН3 –СНО, 2СН3–СНО → СН3–СН=СН–СНО + Н2О.

Задача 3.

Вычислить расход метилового спирта на 1 т формальдегида, если производительность установки 2000 кг/ч формалина с массовой долей 37 %. Выход формальдегида составляет 90 % масс., при степени превращения 85 %. При расчете учесть,

что процесс протекает по следующим реакциям: дегидрирование (1 ) и окисление метилового спирта (2):

Определить расходные коэффициенты для бензола и этилена при получении 1000 кг стирола, если выход этилбензола 95 % масс., стирола 90 % масс., считая на прореагировавший этилбензол, степень превращения которого 40 %.

С6Н6 + СН2=СН2 → С6Н5–СН2–СН3 → С6Н5–СН =СН2.

13

Задача 5.

Определить количество С4Н6 (кг) С4Н6, которую можно получить из 2000 м3 этилового спирта с массовой долей 0,96д. е (ρ = 80 кг/м3), если выход С4Н6 составляет 85 % масс.Получение по способу С.В. Лебедева выражается реакцией:

2С2Н5ОН → СН2=СН–СН=СН2 + Н2О + Н2. Задача 6.

Определить объемС2Н2, который можно получить из 1000 кг СаС2, содержащего чистого СаС292 % масс., если он на 98 % превращается в ацетилен по уравнению:

СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2.

Задача 7.

Вычислить выход ацетальдегида (φ, %) при прямом каталитическом окислении этилена, еслипрактически можно получить 1,5 т ацетальдегида из 1 т этилена (ω = 99,5 % масс.)

СН≡СН + Н2О → СН3–СНО

Задача 8.

Вычислить массу формальдегида и метилового спирта, которую можно получить при пропускании через реактор природного газа объемом 1000 м3, с массовой долей метана 98 % (общая степень превращения метана в формальдегид и метиловой спирт составляет 45 и 5 % масс. (соответственно):

процесса – 95 %.

С6Н5–СН2–СН3 → С6Н5–СН=СН2 + Н2.

14

Задача 10.

Рассчитать объем смеси оксида углерода и водорода, (н.у.), подаваемый на реактор синтеза в сутки, если производительность реактора 100 000 кг/сут СН3ОН и выход его 80 % масс. от теоретического

СО + 2Н2 ↔ СН3ОН.

Задача 11.

Определить количество нефти для получения 20 000кг чистого толуола, если термическое разложение бензина прямой перегонкой дает выход толуола0,3 % масс., а при перегонке 1000 кг нефти образуется 150 кг бензина прямой перегонки.

Задача 12.

Рассчитать количество СаС2, которое необходимо для получения 0,1 м3 сухого ацетилена (н.у.), еслистепень превращения карбида кальция составляет 91 % по уравнению

СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2.

Задача 13.

Определить расходный коэффициент NH3 для получения 1000 кг: а) азотной кислоты с концентрацией 0,60 массовых единиц (выход при этом составляет 96 % масс.); б) азотной кислоты с концентрацией 0,40 массовых единиц и (выход при этом составляет 90 % масс.); в) азотной кислоты с концентрацией 0,58 массовых единиц (выход при этом составляет 96 % масс.).

Задача 14.

Рассчитать степень превращения СН4, выход CH≡СН и селективность процесса, если в пиролизную печь поступает 2000 м3 СН4. Пиролизный газ содержит 570 кг СН4 и 533 кг CH≡СН.

2СН4 ↔ CH≡СН + 3H2.

Задача 15.

Определить расходный коэффициент на 1000 кг уксусной кислоты для CaC2с массовой долей 0,85 де. СаС2, если выход

(% масс.): CH≡СН – 97, CH3–CHOH – 95, CH3−COOH – 96. Про-

цесс протекает по реакциям:

15

CaC2 + 2H2O → CH≡СН + Ca(OH)2, CH≡СН + H 2O → CH3–CHOH, CH 3−CHO + 0,5O2 → CH3−COOH.

Задача 16.

Задача 19.

Определить расходные коэффициенты природного газа (при н. у.) и О2, необходимые для получения 1 м3 C2H2 термоокислительным пиролизом метана, еслиО2 берут 65 % об.

от СН4, степень превращения СН4 в C2H2 составляет 30 % масс., содержание СН4 в природном газе 98 % масс.

2СН4 ↔ C2H2 + 3H2.

16

формальдегид, изопрена 90 % масс. в расчете на прореагировавший диоксан. Формальдегид берут в виде водного раствора с массовой долей 40 % (плотность 111 кг/м3), а изобутилена с массовой долей 100 %:

СН3

Задача 22.

Вычислить расходный коэффициент для карбида кальция, содержащего 65 % масс. СаС2 на 1 т хлоропрена, если выход ацетилена на карбид кальция составляет 98 % масс. от теоретического, винилацетилена из ацетилена 30 % масс., а хлоропрена на стадии жидкофазного гидрохлорирования винилацетилена 80 % масс.

17

CaC2 + 2H2O → CH≡СН + Ca(OH)2,

2CH≡СН → CH2=СН−С≡CН, CH2=СН−С≡CН + НСl → CH2=ССl−СН=CН2.

Задача 23.

Вычислить массу винилхлорида, которую можно получить при одновременном хлорировании этилена с дегидрохлорированием дихлоэтана и гидрохлорированием ацетилена из 100 3мгазовой смеси, состоящей из 70 % об. этилена и 30 % об. ацетилена, если выход дихлорэтана 90 % масс., винилхлорида при дегидрохлорировании дихлорэтана 40 % масс.,а при гидрохлорировании ацетилена 98 % масс.

СН2=СН2 + Cl2 → CH2Сl−CH2Cl → CH2=CHCl + НСl, CH≡СН + HСl → CH2=CHCl.

Задача 24.

Вычислить массу водного раствора формальдегида с массовой долей 40 %,который можно получить из 1 т метилового

CH3OН + 0,5O2 → НCHО + H2О,

Задача 25.

CH3OН → НCHО + H2.

Определить количество бутиленов при удалении воды из н-бутана на пропущенное сырье и на прореагировавшийн-бутан, если его пропущено 0,8503, мстепень превращения 45 %, увеличение объема газа после взаимодействия составляет 1,60 % об. и содержание бутиленов в контактном газе 19 % мас.

СН3−СН2−СН2−СН3 → CH3−СН2−CH=СН2 + Н2.

18

Тема 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

В практике технологических расчетов для составления материальных балансов и определения необходимого количества исходного сырья или получения конечного продукта очень часто приходится пользоваться газовыми законами, характеризующими любое физическое состояние газа. С помощью этих законов устанавливается взаимосвязь трех основных параметров газа — объема, давления и температуры.

Согласно закону Бойля - Мариотта объем данного количества газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению:

где V1 – объем данного количества газа при давлении Р1; V2 – объем того же газа при давлении Р2.

Закон Гей-Люссака выражает зависимость между объемом и температурой идеального газа при постоянном давлении, а также между температурой и давлением этого газа при постоянном объеме:

Из уравнения (1) можно вывести заключение, что объемы, занимаемые данной массой газа, при постоянном давлении относятся как их абсолютные температуры:

T1 = V1 .

T2 V2

19

При постоянстве объема газа закон Гей-Люссака можно выразить следующим уравнением:

Математическое обобщение законов Бойля и Гей-Люссака является уравнением Менделеева - Клайперона, взаимосвязывающее объем газа с его температурой и давлением:

где Р – давление газа;n – число молей газа; R – универсальная газовая постоянная; V – объем, занимаемый n молями газа; Т – абсолютная температура; m – масса газа;М – молекулярная масса газа.

При давлении порядка несколько атмосфер свойства реальных газов достаточно хорошо совпадают со свойствами идеальных газов. Применяя газовые законы, необходимо следить, чтобы переменные параметры и константы, входящие в уравнение, были выражены в единых единицах. Численноезначение газовой постоянной установлено экспериментально и может быть пересчитано для любой системы единиц.

В системе СИ численное значение газовой постоянной выражено R = 8314,4 Дж/кмоль·град или 8314,4 /(М) Дж/кг·град

Внесистемные единицы: R =1,985 ккал/кмоль·град, R = 0,0821 л·атм / кмоль·град, 1 кал = 4,18 Дж.

Зависимость между различными единицами давления представлена в таблице.

20