balans
.pdfmпот =mбутадиенобщ −mбутадиен=1620,81кг/ час−1588,39кг/ час=32,42кг/час
11. Составляем уравнение материального баланса:
mбут′′ .фр. = mбутадиен + mH2 + ∆mбутен′ + mбутан + mбутадиен + mизо−бутилен + mпот
10000 = 1588,39 + 60,03 + 7119 + 400 + 400 + 400 +32,42 10000 = 9999,84
12. Составляем таблицу материального баланса:
|
Приход |
|
|
|
Расход |
|
|
Компонент |
кг/час |
%масс |
|
Компонент |
|
кг/час |
%масс |
1.Техническая |
10000,00 |
17,22 |
1. |
Бутадиен |
|
1588,39 |
2,73 |
|
|
|
|
|
|||
бутеновая |
|
|
2. |
Водород |
|
60,03 |
0,10 |
фракция, в т.ч. |
|
|
|
||||
|
|
3.Непревращенный |
|
|
|||
бутен |
8800,00 |
15,15 |
|
12,26 |
|||
бутен |
|
7119,00 |
|||||
бутан |
|
||||||
400,00 |
0,69 |
4. |
Бутан |
|
400,00 |
0,69 |
|
бутадиен |
|
||||||
400,00 |
0,69 |
Бутадиен |
|
400,00 |
0,69 |
||
изобутилен |
|
||||||
400,00 |
0,69 |
Изобутилен |
|
400,00 |
0,69 |
||
|
|
||||||
2.Водяной пар |
48084,84 |
82,78 |
5. |
Потери |
|
32,42 |
0,06 |
|
|
|
бутадиена |
|
|||
|
|
|
6. |
Водяной пар |
|
48084,84 |
82,78 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого: |
58084,84 |
100% |
Итого: |
|
58084,84 |
100% |
51
2.5 Расчет материального баланса сложного обратимого процесса
Реакции для расчета:
а1А ↔ rR |
(целевая) реакция 1 |
а2А ↔ sS |
(побочная) реакция 2 |
Исходные данные: Производительность установки по целевому продукту R ,т/сут
Состав технического реагента А,% об.: Чистый реагент А Примесь в составе технического реагента А
Условия реакции: Температура Давление
Значение Кр при температуре процесса реакция 1 (целевая)
реакция 2 (побочная)
Потери продукта R, % вес.
ПR
ωА
ωпрА
Т, К р,ата
Кр1
Кр2
ωпотR
1. Рассчитывают молярные массы всех участников процесса, умножают полученные значения на соответствующие стехиометрические коэффициенты:
а1А ↔ rR а1МА rMR а2А ↔ sS а2МА rMS
Проводят проверку расчета:
а1МА = rMR а2МА = sMS
52
2. Рассчитывают производительность установки по целевому продукту R в кг/час.
= ПR 1000
mR 24
3. Рассчитывают производительность установки с учетом потерь:
mR* = |
mR |
100% |
|
100% −ωпот.R, % |
|||
|
|
Находят массу потерь продукта R: mпот. = mR* −mR
4.Рассчитывают количество продукта в кмоль/час:
n* = mR*
R M R
5.Согласно стехиометрии на образование целевого продукта R количеством nR* израсходовано:
nцелA = аr1 nR* .
6.Предположим, что в состоянии равновесия на процесс было подано х кмоль/час чистого реагента А, из которого в целевую реакцию вступило реагента А, количеством
nцелA (кмоль/час), а на побочную реакцию, т.е. на образование побочного продукта S, количеством у кмоль/час, вступило
аs2 у кмоль/час, тогда равновесный состав смеси:
53
Компонент |
Начальный момент |
В момент равновесия |
||||||||||
|
n, кмоль/час |
n, кмоль/час |
||||||||||
1.Технический реагент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А, в т.ч.: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чистый реагент А |
|
|
х |
|
х−nAцел − |
|
а2 |
у |
||||
|
|
|
|
s |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примесь реагента А |
|
ωпр. А |
|
х |
|
ωпр. А |
|
х |
|
|||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
ω |
А |
|
ω |
А |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2.Целевой продукт R |
|
|
0 |
|
|
|
|
nR* |
|
|
|
|
3.Побочный продукт S |
|
|
0 |
|
|
|
|
у |
|
|
|
|
Итого |
|
Σn |
|
|
Σn* |
|
- где примесь из состава технического реагента А рассчитывают, зная процентное содержание (об.) компонентов:
nпрА = ωωпр. А х
А
Σn = х+ ωпр. А х+0 +0
ωА
Σn* = х−nAцел − |
а |
2 |
у+ |
ωпр. А |
х+nR* |
+ у |
||
s |
ω |
А |
||||||
|
|
|
|
7. Записывают выражения парциальных давлений участников реакций в равновесной смеси согласно закону Рауля:
Рi* = Σnni * P
- для целевой реакции:
54
х−nцелА − а2 у
Р*цел = |
s |
P |
А |
Σn* |
|
Р* = nR* P
R Σn*
-для побочной реакции:
|
х−nцелА − |
а2 |
у |
|
|
s |
|||
Р*поб = |
|
|
P |
|
А |
Σn* |
|
|
|
РS* = Σуn* P ,
где Р – общее давление
8. Парциальные давления реагентов и продуктов в состоянии равновесия подставляют в константу равновесия:
К= РR*r PS*S
рPА*a РВ*в
РА* , РВ* , РR* , РS* - парциальные давления участников
реакции в состоянии равновесия - для целевой реакции:
|
|
|
|
|
|
|
n* |
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
Р |
|
|||
|
|
*r |
|
|
|
* |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
Σn |
|
|
|
|
|
|||
К |
р1 = |
РR |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(P*цел )а1 |
|
цел |
|
а |
2 |
|
a1 |
|||||||
|
|
A |
|
x −n |
А |
− |
|
|
у |
|
||||
|
|
|
|
s |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
||
|
|
|
|
|
|
Σn* |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-для побочной реакции:
55
|
|
|
|
|
|
|
|
у |
|
|
|
s |
|
|
|
|
РS*s |
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|||
|
|
|
|
|
Σn* |
|
|
|||||||
К |
р2 = |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(P*поб |
)а2 |
|
цел |
а |
2 |
|
a2 |
|||||||
|
|
A |
|
|
x −n |
А − |
|
|
у |
|
||||
|
|
|
|
|
s |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
||
|
|
|
|
|
|
|
Σn* |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решают полученную систему уравнений, находят корни х
и у.
Если в результате решения получают несколько значений х и у, то выбирают положительное, имеющее физический смысл:
х−nцелА − аs2 у 0
9. Рассчитывают состав равновесной смеси в кмоль/час и кг/час.
Компонент |
|
n, кмоль/час |
|
|
n, кмоль/час |
|||||
1.Технический реагент А, в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т.ч.: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чистый А |
∆n′А |
= х |
−nАцел − |
а2 |
у |
∆m′А = МА ∆n′А |
||||
|
||||||||||
|
s |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примеси А |
|
n |
|
|
ωпр. А |
х |
|
mпр. А = Мпр nпр. А |
||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
пр. A |
|
ω |
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2.Целевой продукт R |
|
|
|
|
nR* |
|
|
|
|
mR* = nR* M R |
3.Побочный продукт S |
|
|
nS = у |
|
|
mS = nS M S |
||||
|
|
|
|
|
56
10. Находят массу чистого реагента А: m′A = n′A M A
где n′А = х, найденное в ходе решения системы уравнений. 11. Составляют уравнение материального баланса:
mАтех = mR + mS + ∆m′A + mпрA + mпот.R , где mАтех = m′A + mпрA
12. Составляют таблицу материального баланса:
|
приход |
|
|
|
|
|
|
расход |
|
|
|
|
|
|
|||
компонент |
|
rг/час |
%масс |
|
|
компонент |
rг/час |
%масс |
|
|
|
||||||
1.Технически |
|
m |
тех |
|
m |
тех |
|
|
1.Целевой |
|
mR |
|
mR |
|
|
|
|
й реагент А, |
|
|
А |
|
|
А |
|
|
продукт R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
Σm 100 |
||||||||
в т.ч.: |
|
|
|
|
mAтех |
|
|
|
|
|
|||||||
Чистый |
|
m′А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
m′А |
|
100 |
2.Побочный |
mS |
|
mS |
100 |
||||||||
реагент А |
|
|
|
продукт S |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
mАтех |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Σm |
|
|
|
|||
примесь |
|
m |
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
пр. А |
|
|
|
|
3.Непревращенн |
∆m′ |
|
∆m′ |
100 |
|||||||
реагента А |
|
|
|
|
пр. А |
|
100 |
ый |
остаток |
А |
|
|
A |
||||
|
|
|
|
|
mАтех |
|
реагента А |
|
|
Σm |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.Примесь |
mпр. А |
|
mпр. А |
100 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реагента А |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Σm |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.Потери |
|
mпот.R |
|
mпот.R |
|
100 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
продукта R |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Σm |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Итого |
|
mАтех |
|
|
100% |
Итого |
|
∑ m |
100% |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1−5 |
|
|
|
|
|
|
57
Пример 5. Расчет материального баланса сложного обратимого процесса
Получение изопентана изомеризацией нормального
пентана |
|
|
н-С5Н12 |
↔ и-С5Н12 |
(целевая) реакция 1 |
н-С5Н12 |
↔ С(СН3)4 |
(побочная) реакция 2 |
(реакции обратимые,эндотермические) Производительность установки по изопентану
Пи−С5 Н12 =90т/ сут
Состав н-пентана, % об.:
ωн−С5 Н12 =98%об
ωн−С4 Н10 = 2%об
Условия реакции:
Температура |
Т =700К |
Давление |
Р =1 ата |
Значение Кр при температуре процесса: реакция 1 (целевая) Кр1 =1,950
реакция 2 (побочная) Кр2 = 0,125 Потери изопентана, % вес.
ωпот.и−С5 Н12 = 2,5%
1.Рассчитаем молярные массы всех участников процесса, умножаем полученные значения на соответствующие стехиометрические коэффициенты:
н-С5Н12 ↔ н-С5Н12
1·72 1·72
н-С5Н12 ↔ С(СН3)4
1·72 1·72
Проводим проверку правильности расчета:
58
а1 Мн−С5 Н12 = r Мн−С5 Н12
1·72 кг/кмоль = 1·72 кг/кмоль
а2 Мн−С5 Н12 = s МС(СН3 )4
1·72 кг/кмоль = 1·72 кг/кмоль
2. Рассчитаем производительность установки по целевому продукту и-С5Н12 в кг/час.
mи−С5 Н12 |
= |
Пи−С5 |
Н12 1000 |
= |
90т/ сут 1000 |
=3750кг/ час |
||||||||||||
|
24 |
|
|
|
|
|
24 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
3. Рассчитаем производительность установки с учетом |
|||||||||||||||||
потерь: |
|
|
|
mи−С5Н12 |
|
|
|
|
|
|
|
3750кг/ час |
|
|||||
m |
* |
= |
|
|
|
|
|
|
|
100% = |
100% = 3846,15кг/ час |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
и−С5Н12 |
|
100% −ωпот.и−С5Н12 , % |
|
|
|
100% −2,5% |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Находим массу потерь продукта и-С5Н12: |
|||||||||||||||||
m |
Н15 |
=m* |
|
−m |
−С5 Н12 |
=3846,15кг/ час−3750кг/ час=96,15кг/ час |
||||||||||||
|
пот.и−С5 |
и−С5 Н12 |
и |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
4.Рассчитаем количество продукта в кмоль/час: |
|||||||||||||||||
|
|
|
* |
|
|
mи*−С5 Н12 |
|
3846,15кг |
/ час |
|
|
|||||||
|
|
nи |
−С5 Н12 |
= |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
=53,42кмоль/ час |
|||
|
|
M и−С5 Н12 |
72кг/ кмоль |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
5.Согласно стехиометрии на образование целевого |
|||||||||||||||||
продукта и-С5Н12 количеством |
nи*−С5 Н12 |
израсходовано: |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
nнцел−С5 Н12 |
= |
а1 |
nи*−С5 |
Н12 |
=1 53,42кмоль/ час. |
||||||||
|
|
|
|
|
r |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
6.Предположим, что в состоянии равновесия на процесс было подано х кмоль/час чистого реагента н-С5Н12, из которого в целевую реакцию вступило реагента н-С5Н12, количеством
59
nнцел−С5 Н12 (кмоль/час), а на побочную реакцию, т.е. на образование побочного продукта С(СН3)4, количеством у кмоль/час,
вступило аs2 у кмоль/час, тогда равновесный состав смеси:
Компонент |
Начальный момент |
В момент равновесия |
|
n, кмоль/час |
n, кмоль/час |
1.Технический реагент |
|
|
н-С5Н12, в т.ч.: |
|
|
чистый реагент |
х |
х−53,42 −1 у |
н-С5Н12 |
|
1 |
|
|
|
Примесь реагента |
0,02 х |
0,02 х |
н-С5Н12 |
|
|
н-С4Н10 |
|
|
2.Целевой продукт |
0 |
53,42 |
и-С5Н12 |
0 |
у |
3.Побочный продукт |
||
С(СН3)4 |
|
|
Итого |
Σn =1,02х |
Σn* =1,02х |
- где примесь из состава технического реагента н-С5Н12 рассчитаем, зная процентное содержание (об.) компонентов:
n |
н−С4 |
Н10 |
= |
ωн−С4 Н10 |
х = |
2% |
х = 0,02 |
х |
|
ωн−С5 Н12 |
98% |
||||||||
|
|
|
|
|
Σn = х+0,02 х
Σn* = х−53,42 = у+0,02 х+53,42 + у =1,02 х
60