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

Окончание табл. 1

51

Таблица 2

Расчетные уравнения для реакторов идеального вытеснения

Реакция Кинетическая Расчетные уравнения модель

52

Реактор идеального смешения периодического действия

(РИС-П). Реакторы этого типа состоят из резервуара и смесительного устройства, где компоненты смеси могут хорошо перемешиваться и реагировать между собой в течение определенного периода времени. В реакторе протекает нестационарный процесс, уравнение материального баланса имеет вид:

Если объем реакционной смеси в процессе остается постоянным, тогда уравнение преобразовывается к следующему виду:

dCdtA = rA , при t = 0, СА = САо

При замене условного времени пребывания реагентовτ в табл. 2 на времяt можно использовать эту таблицу и при расчетах реактора периодического действия.

ЗАДАЧИ

Задача 1.

Константа скорости жидкофазной реакции первого порядка равна 0,45 мин-1. Рассчитать степень конверсии вещества А в реакторах РИС-Н и РИВ объемом по 150 л, если бъемныйо расход реагента составляет 30 л/мин.

Задача 2.

Найти расход реагента А для реакции второго порядка типа 2А = R, если константа скорости реакции 2,8·10-1 дм3/(моль·с). На входе в реактор содержание вещества А составляло 0,85 моль/л,а его конверсия - 0,9. Расчет провести для реакторов РИС-Н и РИВ объемом 2 и 0,6 м3 соответственно.

Задача 3.

Рассчитать производительность реактора РИС-Н по продукту жидкофазного процесса R,ротекающегоп по реакции второго порядка 2А = R. Константа скорости реакции равна 2,3 дм3/(моль·мин). Объемный расход смеси с исходной концентрацией реагента А 0,5 кмоль3 состав/м ляет 3,6 3/мч. Объем реактора 0,4 м3.

53

Задача 4.

При протекании реакции в реакто периодического действия произведены замеры. Получены следующие результаты

степени превращения вещества А:

Время, с ……………………………………………… 20 40 80 120 180; хА …………………………………………………….. 0,1 0,2 0,4 0,6 0,9.

Сравнить эффективность работы РИВ и РИС-Н для степени превращения 0,8.

Задача 5.

Рассчитать степени превращения вещества А для жидкофазного процесса, протекающего в РИС-Н и РИВ объемом по 145 дм3, если он описывается простой реакцией первого порядка с константой скорости реакции k = 0,45 мин-1. Объемный расход вещества А составляет 30 дм3/мин.

Задача 6.

Реактор периодического действия за 8 ч работы производит 4,75 кмоль продукта. Для того чтобы загрузить реактор и нагреть до температуры реакции, требуется 0,2 ч, а чтобы выгрузить продукт и подготовить реактор к следующему циклу - 0,8 ч. Определить необходимый объем реактора, если90 % поступающего в реактор исходного реагента с концентрацией 8 моль/л подвергаетсяпревращению,константа скоростиреакции k =0,003мин-1.

Задача 7.

Жидкофазный процесс описывается простой реакцией первого порядка с константой скорости равной 0,12 -1.мин Концентрация вещества А в исходном потоке равна 3 кмоль/м3.

Требуемая степень превращения вещества А = 0,85. Определить, какое количество вещества А можно переработать за 1 ч в реакторе идеального смешения и реакторе идеального вытеснения объемом 0,8 м3.

Задача 8.

В реакторе периодического действия при изотермическом режиме работы и без изменения массовой плотности реакционной смеси проводят параллельную реакцию первого порядка. Через 50 мин после начала реакции 90 % исходного вещества разложилось. Получившийся продукт содержит на 1 моль продукта S 9,1 моль продукта R. На начало реакции

54

продукты R и S отсутствовали. Определить константы скоростей реакций.

Задача 9.

Определить объемы реактора идеального смешения непрерывного действия и реактора идеального вытеснения и сравнить эти объемы при проведении простой реакции гидролиза уксусного ангидрида (А) в большом избытке воды (В)

А + В = 2R

при следующих условиях:

-объемный расход реагентов, дм3/мин…………………..……………..20;

-константа скорости реакции, мин-1 …………………………….…... 0,38;

-степень превращения …………………………........................0,1; 0,5; 0,9.

Задача 10.

Определить объем реактора идеального вытеснения при

проведении реакции

А ® С + Д, протекающей в жидкой фазе при следующих условиях:

-объемный расход реагента, дм3/мин…………………………………...20;

-степень превращения ……………………………..………..............…..0,5.

Известно, что для достижения этой степени превращения

объем реактора идеального смешения непрерывного действия составляет 50 дм3.

Задача 11.

Рассчитать объем реактора идеального вытеснения при проведении реакции

2А ® R + S,

при следующих условиях:

-объемный расход реагента, дм3/мин …………………………………..60;

-начальная концентрация, кмоль/м3……………………………..…..…0,3;

-константа скорости реакции, м3/(кмоль×с)……………………….…0,062;

-степень превращения…………………………………………...………0,5.

Задача 12.

Рассчитать объем реактора идеального смешения непрерывного действия при проведении простой необратимой реакции

2А ® R + S,

при следующих условиях:

-объемный расход реагента, дм3/мин………………………………….260;

-начальная концентрация, кмоль/м3……………………………………0,8;

-константа скорости реакции, м3/(кмоль×с)………………………….0,058;

55

- степень превращения……………………………….……………...….. 0,3.

Задача 13.

Определить объем реактора идеального вытеснения и реактора идеального смешения непрерывного действия и сравнить эти объемы при проведении простой необратимой реакции первого порядка

А ® R,

при следующих условиях:

-объемный расход реагента, м3/ч………………………………….……40;

-константа скорости реакции, мин-1……………………………..…….0,1;

-степень превращения………………………………….... 0,2; 0,4 0,6 и 0,8.

Задача 14.

Определить объем реактора идеального вытеснения при проведении реакции

А ® R,

протекающей в газовой фазе по первому порядку при следующих условиях:

-расход соединения А, кмоль/с……………….………………….…0,0002;

-температура процесса, оС ……………………………………..………227;

-константа скорости реакции, с-1 ………………………………..…. 0,023;

-давление, МПа …………………………………………………..…….. 0,1;

-степень превращения …………………………………………….…… 0,9.

Задача 15.

Найти степень превращения исходных веществ для реакции

А + В ® 2R,

протекающей в трубчатом реакторе РИВ, определить объем реактора РИС-Н для достижения той же степени превращения при следующих условиях:

- объем реактора идеального вытеснения, м3………….…………...…..0,1; - объемный расход реагентов, м3/с ………………………………... 0,0008; - концентрация каждого реагента в исходной смеси, кмоль/м3 …………….……………………..………0,01.

Реакция описывается кинетическим уравнением:

rA = 8,1CACB.

Задача 16.

Определить объем реактора идеального смешения непрерывного действия при проведении простой необратимой реакции

2А ® R + S,

при следующих условиях:

-объемный расход реагента, м3/ч …………………..………………. 2,36;

-начальная концентрация, кмоль/м3………………………….…..…… 21;

56

-константа скорости прямой реакции, м3/(кмоль×ч) …………...….0,602;

-константа равновесия………………………………………………..… 12.

Задача 17.

Жидкофазная необратимая реакция первого порядка протекает без изменения плотности реагирующих веществ в реакторе идеального смешения периодического действия. Продукты реакции в исходном растворе отсутствуют. За время τ = 60 с в целевой продукт превращается 20 % масс. исходного вещества. Определить степень превращения приτ = 360 с в реакторе идеального смешения непрерывного действия.

Задача 18.

Определить температуру в адиабатическом реакторе смешения непрерывного действия при осуществлении экзотермических реакций

A ® R

при следующих условиях:

-температура исходного реагента на входе в реактор,оС………….... 50;

-тепловой эффект реакции ∆Н, Дж/моль ………………………....... −180;

-удельная теплоемкость среды Ср, кДж/(моль×оС)………………..…...1,6;

-степень превращения………………………………………………….. 0,8.

Задача 19.

если при продолжительности процессаτ = 10 мин глубина превращения составляет 26,1 %.

Задача 20.

Жидкофазная реакция 2А = R + S имеет константу скорости 0,38 л/(моль·мин). Объемный расход исходного вещества А с концентрацией СА0 = 0,4 моль/л ставляетсо 40 дм3/мин. Определить объемы реакторов РИС-н и РИВ при проведении процесса до степеней превращения 0,3; 0,5; 0,7;0,9.

Задача 21.

Производство этилацетата описывается химическим уравнением

C2Н5ОН+ СН3СООН СН3СООC2Н5 + Н2О.

реакции - 2,9. Водный раствор реакционной смеси содержит 25 % масс. д. кислоты, 46 % масс. д. спирта и не содержит эфира. Требуемая степень превращения кислоты составляет

57

35 % масс. Рассчитать объем трубчатого реактора для производства 25 т/сутэтилацетата, принимая, что плотность реакционной смеси остается постоянной и равной 1020 кг/м3.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной

Балыбердин, А. С. Общая химическая технология [Текст] / А. С. Балыбердин, О. В. Царева, М. А. Сучков. – Казань : «КНТИУ», 2013. – 36 с

Закгейм, А.Ю. Общая химическая технология: введение в

моделирование химико-технологических процессов [Текст/ ] А. Ю. Закгейм. – изд. 3-е изд. – М. : Логос, 2012. – 304 с.

Козадерова, О. А. Задачи и упражнения по химической технологии неорганических веществ [Текст] / О. А. Козадерова, С. И. Нифталиев, К. Б. Ким. – Воронеж : ВГУИТ, 2019. – 61 с.

Нестеров, Е.Н. Общая химическая технология. Химические реакторы [Электронный ресурс] / Е.Н. Нестеров // Режим доступа

: https://e.lanbook.com/book/72791.

Дополнительный

Игнатенков, В. И. Примеры и задачи по общей химической технологии [Текст] / В. И. Игнатенков, В. С. Бесков. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 198 с.

Кутепов , А. М. Общая химическая технология [Текст] / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. – изд. 3-е. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 528 с.

Мухленов, И. П. Общая химическая технология [екстТ] / И. П. Мухленов [и др.] – изд. 5-е. – М.: Альянс, 2009. – 256 с.

Пожидаев, Ю. Н. Задачи по общей химии [Текст] / Ю. Н. Пожидаев, В. П. Зуева, О. В. Лебедева, З. Н. Топшиноева. – Иркутск: Иркутский гос. технич. ун-т им. Н. С. Шаглаева, 2008. – 118 c.

Смирнов, Н. Н. Химические реакторы в примерах и задачах [Текст] / Н. Н. Смирнов, А. В. Волжинский. – изд. 2-е. – СПб.:

Химия, 1986. – 224 с.

58

Библиографический список……………………………….. 58

59

Учебное издание

Санникова Наталья Юрьевна Губин Александр Сергеевич Власова Лариса Анатольевна Суханов Павел Тихонович Никулин Сергей Саввович

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯТЕХНОЛОГИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Подписано в печать 05.04.2021. Формат 60´ 84 1/ 16.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВО «ВГУИТ»)

Отдел полиграфии ФГБОУ ВО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии:

394036, Воронеж, пр. Революции, 19

60