Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Задачи и упражнения по химической технологии неорганических веществ. Учебное пособие
.pdf
11
Это G
теор
.:
пр
теор
G
650
η = = 0,942 или 94,2 %.
G 690
Ответ: теоретический расходный коэффициент по аммиаку 0,270 кг/кг; практический расходный коэффициент по аммиаку 0,286 кг/кг; выход азотной кислоты 94,2 %.
Пример 7. Определите годовую (365 дней) производи-
тельность колонны синтеза аммиака в расчете на NН3 с массовой долей 100 %, если за 8 ч вырабатывается 60 000 кг NН
3
с массовой долей 99 %.
Производительность аппарата (П) - это количество
готового продукта Gпр, практически выработанного данным
аппаратом в единицу времени (t) при данных условиях процесса
производства, выражается в кг/ч, т/сут и др.:
пр
G
П = . (8)
t
Решение. За сутки NН
3
с массовой долей 99 % выраба-
тывается:
60 000
24 180 000 кг.
8
Годовая производительность колонны синтеза аммиака
составляет:
180 000 ∙ 365 = 65 700 000 кг = 65 700 т NН3 (99 % масс.).
Производительность колонны в расчете на NН
3
с массовой
долей 100 % равна 65 700/0,99 = 65 043 т/год.
Ответ: производительность колонны синтеза аммиака в
расчете на NН3 с содержанием 100 % масс. равна 65,0 тыс. т/год.
(15)
12
Пример 8. Объем контактной массы в аппарате окис-
ления сернистого газа в серный ангидрид составляет 14,5 м3.
Производительность контактного аппарата по H2SO4
360 т/сут. Определите интенсивность процесса окисления.
Интенсивность аппарата (I) — это производительность, отнесенная к единице полезной площади (Sп) или к
единице полезного объема (Vп) аппарата:
ПП
I = , I = . (10)
SV
Единицы измерения интенсивности – кг/(м2ч), кг/(м3ч),
т/(м2сут), т/(м3сут) и т.д.
Решение.
I=
360∙1000
1∙24∙14,5
=
2
кг
1034,5 .
мч
Ответ: интенсивность окисления
2
кг
1034,5 .
мч
Задачи для самостоятельного решения
1. Для процесса 2А → 2С + D вычислите состав реакционной
смеси, если известны начальное количество реагента и степень
превращения: n
А0
= 10 моль, ХА= 0,5.
2. Для реакции 2А → С + D вычислите состав реакционной
смеси, если известны начальное количество реагента
n
А0
= 15 моль и степень превращения Х
А
= 0,8.
3. Для процесса А → 2С + D вычислите состав реакционной
смеси, если известны начальное количество реагента
n
А0
= 10 моль и степень превращения Х
А
= 0,8.
(16)
13
4. Для процесса А → 2С + 2D вычислите состав реакционной
смеси, если известны начальное количество реагента
n
А0
= 8 моль и степень превращения Х
А
= 0,75.
5. Для процесса 2А → С + D вычислите состав реакционной
смеси, если известны начальное количество реагента
nА0 = 10 моль и степень превращения ХА= 0,75.
6. Определите состав смеси (С
А
, С
В
, CS, C
R
) и степень превраще-
ния Х
В
для реакции А +2В → 2R + S, если ХА = 0,6; С А0 = 1;
С
В
= 1,5 кмоль/м3.
7. Определите степени превращения ХА и ХВ в результате реакции 2А + В → С + D, если дан конечный состав реакционной
смеси: n
А
, nВ, nС, моль: 1, 5 ,3 .
8. Определите степени превращения ХА и ХВ в ходе реакции
2А + В → С + D, если дан конечный состав реакционной смеси:
n
А
= 2 моль, nВ= 4 моль, n
С
= 1 моль.
9. Определите степени превращения ХА и XR в ходе реакции
2А + R → S + Р, если дан конечный состав реакционной смеси:
nА = 3 моль, n
R
= 3 моль, n
S
= 5 моль.
10. Определите степени превращения ХА и ХС в результате реакции 2А + С → В + D, если дан конечный состав реакционной
смеси: n
А
= 5 моль, nС = 1моль, nВ= 4 моль.
11. Определите селективность по целевому продукту C и его
выход в указанных реакциях, если известен конечный состав
реакционной смеси n
А
= 1,25; n
С
= 1 моль; n
D
= 2 моль:
2А → С + М (целевая реакция);
А → D + М (побочная реакция).
12. Рассчитайте полную селективность по продукту R, если
при проведении реакций
А → R + М (целевая реакция),
14
A → Р + N (побочная реакция)
получено 6 моль продукта R и 2,5 моль продукта Р.
13. Протекают параллельные реакции 2А → R; А → 3S. Опре-
делите выход продукта R, степень превращения Х
А
реагента А
и полную селективность, если на выходе из реактора
nA= 2 кмоль, nR= 2 кмоль, nS= 3,5 кмоль.
14. Протекают реакции А → 2 R, А → С, целевым продук-
том которых является вещество R. Определите выход продукта
R и степень превращения ХА, если известен конечный состав реакционной смеси: nА=1 кмоль, n
R
= 2 кмоль, nC= 2 кмоль.
15. Определите селективность по целевому продукту С, выход
продукта С и степень превращения Х
А
в параллельных реакциях
3А → С; А → D + М, если известен конечный состав реакционной смеси: n
А
= 6 моль, n
C
= 1 моль, n
B
= 3 моль.
16. Определите селективность по целевому продукту С в последовательных реакциях А → С; С → 2D, если известен
конечный состав реакционной смеси: nA= 1 моль, n
C
= 1 моль,
nD= 2 моль.
17. Протекают последовательные реакции
2А → С + М,
2С → D,
целевым продуктом которых является вещество С. Определите полную селективность, если известен конечный состав реакционной смеси: nА= 5 моль, n
C
= 4 моль, nD = 3 моль.
18. Для последовательной реакции A→ C→ D рассчитайте
состав реакционной смеси, если начальное количество реагента равно nА0= 32 моль, степень его превращения Х
А
= 0,5
и селективность по продукту С равна 0,55.
19. Рассчитайте выход продукта Р и селективность по продукту
Р, если известно, что при проведении последовательных реакций
15
А + В → Р + R (ц)
P + M → S + Z (п)
получено 12 молей продукта Р, 4 моля продукта S, а для проведения реакций было взято по 20 молей реагентов А и В.
20. Рассчитайте полную селективность по продукту R, если при
проведении последовательных реакций
А → R + M (ц)
R → S + N (п)
получено 6 молей продукта R и 2,5 моля продукта S.
21. Для процесса А + 2В → С вычислите состав реакцион-
ной смеси, если начальное мольное соотношение компонентов
βB= 4, степень превращения ХА= 0,8 и n
А
= 1 моль.
22. Для реакции А + В → 2С + R вычислите состав реакционной
смеси, если начальное мольное соотношение компонентов
βА= 2, степень превращения компонента А равна 0,5 и получено
6 моль компонента С.
23. Для реакции 2А + В → 2С найдите исходное мольное
соотношение реагентов, если степень превращения вещества А
составляет 0,8; получено 8 моль компонента С и в реакционной
смеси по окончании реакции осталось 11 моль компонента В.
24. Для процесса А + 2В → С вычислите состав реакционной
смеси, если начальное мольное соотношение реагентов β
B
= 4,
степень превращения Х
А
= 0,8 и получено 4 моль продукта С.
25. Для реакции А + В → 2С + R вычислите состав реакционной
смеси, если начальное мольное соотношение компонентов β
А
= 2,
степень превращения компонента А равна 0,5 и по окончании
реакции n
В
= 0 (вещества В в реакционной смеси не осталось).
16
26. Для реакции 2А + В → 2С найдите состав реакционной
смеси, если получено 8 моль продукта С, степень превращения
вещества А составляет 0,8, и β
B
= 1,5.
27. Для реакции А + 2В → D + R определите состав реакционной
смеси, если исходное мольное соотношение компонентов β
В
= 2,
в реакцию вступило 7,5 моль вещества А, а n
А
= 2,5.
28. Для реакции А + В → 2С + R вычислите состав реакционной
смеси, если начальное мольное соотношение компонентов
β
В
= 2, степень превращения компонента А равна 0,8 и получено
8 моль компонента R.
29. Для реакции 2А + В → 2С найдите исходное мольное
соотношение реагентов, если степень превращения вещества А
составляет 0,8, получено 12 моль компонента С и в реакционной смеси по окончании реакции осталось 9 моль компонента В.
30. Для процесса А + 2В → С вычислите состав реакцион-
ной смеси, если начальное мольное соотношение компонентов
βB = 2, степень превращения Х
А
= 0,5 и получено 3 моль
продукта С.
31. Для параллельных реакций А → С + М; 2А → D + М
вычислите состав реакционной смеси, если степень превращения реагента А - 0,8, селективность по продукту С - 0,8 и получено 2 моль продукта D. Продукты реакции в исходной смеси
отсутствуют (М - побочный продукт).
32. Для последовательных реакций А → С + М; 2С → D + М
вычислите состав реакционной смеси, если степень превращения реагента А - 0,8, селективность по продукту С - 0,8 и получено 2 моль продукта D. Продукты реакции в исходной смеси
отсутствуют (М - побочный продукт).
17
33. Для параллельных реакций вычислите селективность по
всем продуктам, если в реактор подано 10 моль А, а на выходе из реактора получено 2 моль А, 4 моль С, 3 моль Е:
А + В → С + D;
А + В → Р + D;
А + 4В → Е + 3D, (D - побочный продукт).
Закрепление вариантов за студентами
Вариант
I
II
III
IV
V
Номера
задач
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
2. КОНВЕРСИЯ МЕТАНА
Водород, необходимый для многих органических и неорганических синтезов, получают конверсией метана. Это может быть паровая, паровоздушная или воздушная (кислородная)
конверсия. Сырьём, содержащим метан, являются природный и
попутный газы, а также коксовый газ. В результате конверсии
образуется синтез-газ – смесь монооксида углерода и водорода:
mСО : nН2. Его направляют либо на конверсию СО с целью получения азотоводородной смеси, необходимой для синтеза аммиака, либо на производство метанола.
Конверсия метана водяным паром описывается следующим уравнением:
СН
4(г)
+ Н
2О(пар)
↔ СО
(г)
+ 3Н
2(г) ,
∆Н = +206 кДж. (17)
Реакция обратимая, эндотермическая, идёт с увеличением
объёма газообразных веществ.
Реакция конверсии метана кислородом воздуха (или
кислородная конверсия) записывается в следующем виде:
18
СН
4(г)
+ 1/2О
2 (г)
↔ СО
(г)
+ 2Н
2(г) ,
∆Н = –35 кДж. (18)
Конверсия оксида углерода (II), который образуется в результате реакций (17) и (18), водяным паром протекает по уравнению:
СO
(г)
+ Н
2О(пар)
↔ СО
2(г)
+ Н
2(г)
∆Н = –41 кДж.
(19)
Реакция (19) является вторичной. Её используют, во-первых, для
очистки конвертированного газа от СО и, во-вторых, для получения дополнительных количеств водорода.
Возможно протекание побочной реакции:
СН
4(г)
+ СO
2(г)
↔ 2СО
(г)
+ 2Н
2(г)
∆Н = –248 кДж.
(20)
В промышленности процесс конверсии ведут при следующих условиях: повышают концентрацию паров воды, так как это
относительно дешёвый компонент, применяют давление
1-4 МПа, температура в реакторе поддерживается 800–900
o
С,
применяется никелевый катализатор на носителе Al2O3. Содержание водяных паров в парогазовой смеси характеризуется коэффициентом m:
22
44
H O H O
CH CH
CP
m
CP
.
Оптимальное значение m = 2.
На рис. 1 представлена схема паровоздушной конверсии
метана.
Природный газ проходит через аппараты 1, 2 очистки от
сераорганических соединений. В аппарат 1 подается часть производимого в отделении конверсии потока азотоводородной смеси; содержащие серу соединения реагируют с водородом, образуя сероводород, который удаляется из смеси в аппарате 2 при
взаимодействии с оксидом цинка, либо адсорбцией на цеолите.
19
Рис. 1. Схема паровоздушной конверсии метана: 1 – аппарат
гидрирования сераорганических соединений; 2 – адсорбер сероводорода; 3 – печь первичного риформинга природного газа (трубчатая печь
(Т.П.); 4 – реактор вторичного риформинга (шахтный реактор (Ш.Р.);
5, 6 – конвертеры монооксида углерода I и II ступени; 7 – блок очистки
от СО
2
; 8 – метанатор; ТО – теплообменники
Очищенный природный газ смешивается с водяным паром
и поступает в реакционные трубы печи первичного риформинга
3 (трубчатой печи), заполненные никелевым катализатором.
Здесь происходит превращение большей части СН
4
и сопутству-
ющих углеводородов в смесь Н
2
, СО и СО2.
Вслед за первичной конверсией природного газа проводится паровоздушная конверсия остаточного количества углеводородов (вторичный риформинг) в шахтном реакторе 4. Выходящая из шахтного реактора смесь после ступенчатого промежуточного охлаждения последовательно проходит реакторы 5 и 6, в
которых происходит практически полная конверсия метана с образованием водорода на селективных катализаторах.
Далее полученная азотоводородная смесь освобождается
от СО
2
абсорбцией раствором моноэтаноламина или бикарбоната
20
калия в технологическом блоке 7. Незначительные примеси СО и
СО
2
нейтрализуют во вспомогательном каталитическом
реакторе – метанаторе 8, в котором реакции (17) и (18) протекают справа налево, превращая оксиды углерода в метан. Из метанатора очищенная азотоводородная смесь идет в отделение синтеза аммиака. А метан поступает в аппарат 1.
Упражнения с технологическими схемами
1. Перечислите основные стадии процесса конверсии метана и
аппараты, в которых осуществляются основные технологические
процессы. На рис. 2 показаны основные аппараты схемы паровоздушной конверсии метана (не показаны теплообменники).
Пронумеруйте аппараты, назовите их. Стрелками и надписями
покажите направление движения сырья, полупродуктов и продуктов.
Рис. 2. Основные аппараты схемы паровоздушной конверсии
метана
2. Запишите реакцию паровой конверсии метана. Охарактеризуйте ее с физико-химической точки зрения.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]