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

х = 32,994 × 73 = 23,9 кг.

Массовое количество хлорида водорода составит: m = 584 + 23,9 = 607,9 кг,

с учетом избытка

m= 607,9 · 1,1 = 668,7 кг,

668,7 кг – 99 %,

хкг – 100 %.

х= 668,7 ×100 = 675,45 кг.

99

Масса не вступившего в реакцию ацетилена: 428,8 – (416 + 8,5) = 4,3 кг.

Масса не вступившего в реакцию хлорида водорода

668,7 – (584 + 23,9) = 60,8 кг.

Материальный баланс производства винилхлорида гидрохлорированием ацетилена сведен в табл. 2.

31

ЗАДАЧИ

Задача 1.

Рассчитать и свести материальный баланс получения 1000 кг хлорвинила по реакции дегидрохлорированя дихлорэтана

С2Н4С12 + NaOH ® СН2=СНС1 + NaС1 + H2O,

если используется дихлорэтан чистотой 95 % масс., раствор гидроксида натрия с массовой долей 0,42 едВыход. хлорвинила по дихлорэтану составляет 80 % оттеоретического, а гидроксид NaOH берется с избытком 10 % от теоретического.

Задача 2.

Составить материальный баланс процесса получения 10 т/ч бензохлорида, если выход его составляет по толуолу 70 % масс., а бензальхлорида и бензотрихлорида 5 и 2 % масс. соответственно от теоретического. Чистота толуола в техническом продукте – 99 % масс., хлора втехническом хлоре – 98 % масс., избыток хлора – 10 %.

С6Н5–СН3 + С12 ® С6Н5–СН2С1 + НС1, С6Н5–СН3 + 2С12 ® С6Н5–СНС12 + 2НС1, Задача 3.С6Н5–СН3 + 3С12 ® С6Н5–СС13 + 3НС1.

Составить материальный баланс процесса гидратации 1 т оксида этилена, еслина образование этиленгликоля идет оксида этилена (% масс.):– 85, на диэтиленгликоль – 12, на триэтиленгликоль – 3. Вода берется в количестве 6 молей на 1 моль оксида этилена.

С2Н4О + Н2О ® СН2ОН–СН2ОН, 2С2Н4О + Н2О ® СН2ОН–СН2–О–СН2–СН2ОН, 3С2Н4О + Н2О ® СН2ОН–(СН2–О–СН2)2–СН2ОН.

Задача 4.

Составить материальный баланс производства 1 тэтаноламинов состава (% масс.): моно- 5, ди20 и триэтаноламинов – 75. Оксид этилена пропускают через водный раствор аммиака с мас-

32

совой долей 25 %, соотношение аммиака и оксида этилена 2:1 (моль). Образование этаноламинов идет по реакциям:

С2Н4О + NН3 ® NН2CН2–СН2ОН,

2С2Н4О + NН3 ® NН(CН2–СН2ОН)2,

3С2Н4О + NН3 ® N(CН2–СН2ОН)3.

Задача 5.

Составить материальный баланс получения 1000 гк аммиачной селитры с массовой долей нитрата аммония 100%. Исход-

нитрата аммония:

НNO3 + NH3 ® NH4NO3.

Задача 6.

Составить материальный баланс производства 1000 кг хлорбензола, если жидкие продукты имеют следующий состав (масс.д.) : бензола – 0,65; хлорбензола – 0,32; дихлорбензола – 0,25; трихлорбензола – 0,005.

Чистота бензола 97,5 % масс., хлора – 98 % масс.:

С6Н6 + С12 ® С6Н5С1 + НС1, С6Н6 + 2С12 ® С6Н4С12 + 2НС1, С6Н6 + 3С12 ® С6Н3С13 + 3НС1.

Задача 7.

Рассчитать и свести материальный баланс процесса сжигания серы в печи производительностью 60 т/сутесли, конверсия серы 0,95, коэффициент избытка воздуха 1,5 от теоретического.

Расчет выполнить в единицах кг/ч и м3/ч на производительность печи по сжигаемой сере:

S + O2 → SO2.

Задача 8.

Составить упрощенный материальный баланс при производстве 1000 кг этиловогоспирта методом прямой гидратации этилена. Начальный состав парогазовой смеси (% об.): этилен –

33

60, водяной пар – 40. Степень гидратации этилена 5 %. Расчет выполнить в кг и м3:

СН2=СН2 + Н2О ® СН3–СН2ОН.

Задача 9.

Рассчитать и свести материальный баланс производства 1 т нитрата аммония (аммиачной селитры), получаемого взаимодействием азотной кислоты с аммиаком. Содержание компонентов в исходной смеси (% масс):. азотной кислоты – 55, газообразного аммиака – 100. Выход нитрата аммония – 85 %. Потери аммиака и азотной кислоты – 1 %:

НNO3 + NH3 ® NH4NO3.

Задача 10.

Составить материальный баланс производства 1 т карбида кальция (массовая доля СаС2 90 %). Исходный состав сырья:

- антрацит марки АК с массовой долей углерода 96 %, - известь с массовой долей СаО 85 %:

3С + СаО ® СаС2 + СО.

Задача 11.

Рассчитать и свести материальный баланс производства

ского выхода, а хлор берется в избытке 10 % по отношению к техническому бензолу.

Образовавшийся хлорид водорода сорбируется водой с получением 27,5 % соляной кислоты:

С6Н6 + С12 ® С6Н5С1 + НС1, С6Н6 + 2С12 ® С6Н4С12 + 2НС1.

Задача 12.

Составить материальный баланс получения 1000 кг изопропилбензола алкилированием бензола пропиленом по следующим исходным данным: степень превращения бензола 40 %, из них на образование изопропилбензола расходуется 25 % масс., на диизопропилбензолов – 10 % масс.; триизопропилбензолов –

34

5 % масс. Избыток пропилена составляет 30 % от теоретического. Для алкилирования используется пропан-пропиленовая фракция с содержанием пропилена 40 % масс.:

С6Н6 + С3Н6 ® С6Н5–С3Н7,

С6Н6 + 2С3Н6 ® С6Н4–(С3Н7)2, С6Н6 + 3С3Н6 ® С6Н3–(С3Н7)3.

Задача 13.

Составить материальный баланс получения кумола (изопропилбензола) алкилированием бензола пропиленом. Производительность по кумолу 2500 кг/ч.Соотношение бензол : пропилен

– 4:1 (моль); на образование изопропилбензола идет пропилена – 95 % масс., на образование диизопропилбензолов – 5 % масс.; состав пропан-пропиле-новой фракции (% масс.): 63 – пропилена, 37 – пропана:

С6Н6 + С3Н6 ® С6Н5–С3Н7,

С6Н6 + 2С3Н6 ® С6Н4–(С3Н7)2.

Задача 14.

Рассчитать и свести материальный баланс производства уксусной кислоты окислением ацетальдегида. Производительность 1500 кг/ч по уксусной кислоте. Технический ацетальдегид содержит (% масс.): ацетальдегида – 99,3 %; примеси – 0,7 %. Содержание уксусной кислоты составляет 96 %от теоретического выхода, а потери ее – 4 %, окислителем является воздух:

СН3–СНО + 0,5О2 ® СН3–СООН.

Задача 15.

Составить материальный баланс процесса окисления циклогексана кислородом воздуха до смеси циклогексанона и циклогексанола по следующим исходным данным: производительность по циклогексану 7650 кг/ч; выход продуктов окисления (% масс.): циклогексанона – 49, иклогексанолац – 51; степень окисления циклогексана 15 %; воздуха берется в 1,5 раза больше, чем требуется по теоретическому расчету:

С6Н12 + О2 ® С6Н10О + Н2О, С6Н12 + 0,5О2 ® С6Н11 ОН.

35

Задача 16.

Составить материальный баланс процесса циклогексанона дегидрированием циклогексанола по следующим исходным данным: производительность по циклогексану 7500 кг/ч; степень превращения циклогексанола 75 %;масса побочного продукта составляет 0,6 % от массы циклогексанона:

С6Н12О ® С6Н10О + Н2, 2С6Н10О ® С12Н18О + Н2О.

Задача 17.

Окислительным аммонолизом пропилена получают нитрилакриловую кислоту. Производительность установки по нитрилу акриловой кислоты 600 кг/чСоставить. материальный баланс процесса, еслисостав технического пропилена (% масс.): пропилен – 96, пропан – 4. В реакцию вступает 55 % исходного пропилена, из которого на первую реакцию – 70 %, на вторую реакцию – 14 %, на третью реакцию – 16 %; аммиак имеет чистоту 99 % масс. и связывается на 97 %; для окисления используется кислород воздуха:

С3Н6 + NH3 + 1,5O2 ® СН2=СН–CN + 3H2O,

С3Н6 + NH3 + 2,5O2 ® СН3 –CN + CO2 + 3H2O,

С3Н6 + NH3 + 2O2 ® HCN + CO2 + CH4 + 2H2O.

Задача 18.

Составить материальный баланс на 1 титратан аммония, получающегося при нейтрализации газообразным аммиаком азотной кислоты с массовой концентрацией 47 %, если из аппарата вытекает раствор нитрата аммония с массовой долей 64 %. Небольшие потери реагентов с паром не учитываются:

НNO3 + NH3 ® NH4NO3.

Задача 19.

Рассчитать и свести материальный баланс получения 1000 кг метилового спирта с чистотой 100 %. Исходная смесь газов состоит из оксида углерода и водорода (синтез-газ) в соотношении 1:2 (моль). Конверсия синтез-газа 20 %. Выход метанола составляет 87 % масс. от теоретического:

СО + 2Н2 ® СН3ОН.

36

Задача 20.

В производстве уксусной кислоты выход составляет 96 % от теоретического. Рассчитать и свести упрощенный материальный баланс производства 1000 гк кислоты (без учета побочных

реакций). При условии, что технический ацетальдегид (99 % масс. ацетальдегида) реагирует на 98 %, кислород связывается на 99 %, а непрореагировавшего ацетальдегида и кислорода остается 2 и 1 % масс. соответственно. На побочные реакции расходуется 2 % масс. ацетальдегида:

СН3–СНО + 0,5О2 ® СН3–СООН.

Задача 21.

При производстве 3000 кг нитробензола выход составляет 98 % от теоретического. Составить материальный баланс нитратора, если в него подают 20 % азотной кислоты, 60 % серной кислоты и 20 % воды по массе. Расход нитрующей смеси составляет 4 кг на 1 кг бензола:

С6Н6 + НNO3 ® С6Н5–NО2 + H2O.

Задача 22.

Рассчитать и свести материальный баланс в производстве ванадата натрия (NaVO3) печи окислительного обжига в расчете на 1 т готового продукта. Сырье для производства содержит ванадиевый шлак, содержащий 13 % масс. оксида ванадия (V2O5), и воздух. Расход хлорида натрия (NaCl) составляет 10 % масс. от массы шлака. Процесс можно рассматривать как двухстадийный:

2NaCl + 0,5O2 ® Na2O + Cl2,

Na2O + V2O5 ® 2NaVO3.

Задача 23.

В производстве аммиачной селитры производительностью 20 т/ч применяют азотную кислоту с массовой долей НNO3 47 % и газообразный аммиак с массовой долей NH3 100 %. Потери реагентов в производстве составляют 1 %.Составить материальный баланс нейтрализатора, если аммиачная селитра выходит из него в виде водного раствора с массовой долей 0,6 ед. NH4NO3:

НNO3 + NH3 ® NH4NO3.

37

Задача 24.

Составить материальный баланс производства 1 т хлорвинила гидрохлорированием ацетилена Конверсия по ацетилену – 99 %, селективность процесса – 98 %, чистота исходного ацетилена 99,9 % масс., чистота исходного хлорида водорода – 99,0 % масс. Избыток хлорида водорода на основную и побочную реакции составляет 10 %от стехиометрического. Побочным продуктом является дихлорэтан:

CH≡CH+ HCl ® CH2=CHCl,

CH≡CH+ 2HCl ® CH3–CHCl2.

Задача 25.

Составить материальный баланс процесса, происходящего При производстве 1 т хлорбензола. В хлоратор вводят следующий состав жидких продуктов (масс.д): бензола – 0,65; хлорбензола – 0,32; дихлорбензола – 0,025; трихлорбензола – 0,005. Технический бензол содержит 0,975 мас.д. бензола, технический хлор содержит 0,98 массхлора.д. . Расчет выполнить на 1 т хлорбензола:

С6Н6 + С12 ® С6Н5С1 + НС1, С6Н6 + 2С12 ® С6Н4С12 + 2НС1, С6Н6 + 3С12 ® С6Н4С13 + 2НС1.

Тема 5. КИНЕТИКАХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Важнейшим параметром, определяющим интенсивность процесса, является скорость химико-технологического процесса.

Скорость химической реакцииопределяется количеством прореагировавшего исходного вещества или количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема.

Для реакций А → R

rR = V1 dNdtR = rA = V1 dNdtA ,

38

где rА, rR – скорости реакции по исходному реагенту А и продукту реакции R; V – объем системы; τ – время.

Если объем системы не изменяется в течение реакции:

Таким образом, скорость реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Уравнение(1) можно представить в ином виде:

- rA = kCA ,

где k – константа скорости реакции.

Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса:

k = k0 · е –Е/RТ,

где Е – энергия активации, кДж/моль; k0 – предэкспоненциальный множитель; R – универсальная газовая постоянная; k – константа скорости реакции при температуре Т.

Согласно закону действия масс скорость процесса выражается формулой

r = k · ∆С.

Для реакций первого порядка: А → R.

dxA = k(1- xA . ) dt

Для реакций второго порядка: 2А → R

39

Для увеличения скорости этих реакций необходимо увеличивать

значения k и САо..

Определить время, необходимое для достижения определенной степени превращения, можно, интегрируя уравнения (3) и

(4) в пределах измененияХА от 0 до ХА.

tn=1 = 2k,3lg11- xxA0

-A

Для гетерогенных процессов, т.е. при фазовом переходе веществ, при известном значении поверхности соприкосновения скорость процесса выражается уравнением:

где r – скорость химико-технологического процесса; k – коэффициент пропорциональности или константа скорости процесса; F – поверхность соприкосновения фаз; ∆С – движущая сила процесса.

Для гомогенных процессов, скорость которых лимитируется скоростью протекания химической реакции, движущая сила ∆С определяется по закону действия масс, как произведение кон-

40