balans
.pdf7. Запишем выражения парциальных давлений участников реакций в равновесной смеси согласно закону Рауля:
- для целевой реакции:
*цел |
|
|
|
х−53,42 − у |
|
|
||
Рн−С5 Н12 |
= |
|
|
|
|
|
P , |
где Р = 1 ата |
|
|
1,02 х |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Ри*−С5 Н12 |
= |
|
53,42 |
|
P |
|
|
|
1,02 х |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||
- для побочной реакции: |
|
|||||||
*поб |
|
|
|
х−53,42 − у |
|
|
||
Рн−С5 Н12 |
= |
|
|
|
|
|
P , |
где Р = 1 ата |
|
|
1,02 х |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Р* |
= |
|
|
у |
P , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С(СН3 ) 4 |
|
|
1,02 х |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
8. Парциальные давления реагентов и продуктов в состоянии равновесия подставляют в константу равновесия:
- для целевой реакции:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
53,42 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Ри*−С5 Н12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Кр |
= |
|
= |
|
|
|
1,02 х |
|
|
|
|
|
=1,95 |
||||||||
*цел |
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
||||||||
|
1 |
|
) |
1 |
|
|
x −53,42 − |
у |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
(Рн−С5 Н12 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,02 х |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
-для побочной реакции: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
у |
|
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,02 х |
|
|
|
|
||||||||
К |
р2 |
= |
РС(СН3 ) |
4 |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,125 |
||||
*поб |
|
2 |
x −53,42 − |
у |
|
|
|
|
1 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
(Рн−С5 Н12 |
) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1,02 х |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Преобразуем выражения:
61
|
53,42 |
|
=1,95 |
|
|
|
|
х−53,42 |
− у |
||
|
у |
|
|
|
|
= 0,125 |
|
|
|
||
|
х−53,42 |
− у |
|
|
|
Полученную систему уравнений решаем относительно х и
у.
х=84,23
у=3,42 , что удовлетворяет условию
84,23-53,42-3,42 > 0
9. Рассчитаем состав равновесной смеси в кмоль/час и кг/час.
Компонент |
|
|
|
n, кмоль/час |
|
n, кмоль/час |
||||
1.Технический реагент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н-С5Н12, в т.ч.: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чистый реагент н-С5Н12 |
∆n′н−С Н |
= 84,23 − 53,42 − 3,42 = |
∆m′н−С |
|
= 72 27,39 = |
|||||
|
|
Н |
||||||||
|
|
5 |
12 |
|
|
|
5 |
|
12 |
|
|
|
= 27,39 |
|
|
|
|
= 1972,08 |
|||
Примеси реагента н-С4Н10 |
nн−С |
Н |
= 0,02 84,23 = 168 |
mн−С Н |
|
= 58 1,68 = 97,44 |
||||
|
|
4 |
|
10 |
|
|
4 |
10 |
|
|
2.Целевой продукт и-С5Н12 |
|
nи*−С |
Н |
= 53,42 |
mи−С5Н12 = 72 27,39 = 1972,08 |
|||||
|
|
|
|
5 |
|
12 |
|
|
|
|
3.Побочный |
продукт |
|
|
nS |
|
= 3,42 |
mS |
= 3,42 72 = 246,24 |
||
С(СН3)4 |
|
|
|
|
||||||
10. Найдем массу чистого реагента н-С5Н12:
m′н−С5Н12 = n′н−С5 Н12 M н−С5 Н12
где n′н−С5 Н12 = х =84,23 , найденное в ходе решения системы уравнений.
m′н−С5 Н12 =84,23кмоль/ час 72кг / кмоль = 6064,56кг / час
62
11. Составим уравнение материального баланса:
тех |
′ |
mн−С5 Н12 |
= mн−С5 Н12 + mС(СН3 )4 + ∆mн−С5 Н12 + mн−С4 Н10 + mпот.н−С5 Н12 |
6064,56кг/час + 97,44кг/час = 3750кг/час + 246,24кг/час + + 1972,08кг/час + 97,44кг/час + 96,15кг/час
6162кг/час = 6161,91кг/час
12. Составим таблицу материального баланса
Приход |
|
|
Расход |
|
||
Компонент |
кг/час |
%масс |
Компонент |
кг/час |
%масс |
|
1.Технич.реагент |
6162 |
100,00 |
1. |
Целевой продукт |
3750 |
60,86 |
н-С5Н12:, вт.ч. |
|
|
и-С5Н12: |
|
|
|
чистый н-С5Н12: |
6064,56 |
98,42 |
2. |
Побочныйпродукт |
246,24 |
3,99 |
|
|
|
н-С(СН3)4 |
|
|
|
Примесь н-С4Н10: |
97,44 |
1,58 |
3. |
Непревращенный |
1972,08 |
32,00 |
|
|
|
остаток н-С5Н12 |
|
|
|
|
|
|
4. |
Примесь н-С4Н10: |
97,44 |
1,58 |
|
|
|
5. |
Потери продукта |
96,15 |
1,56 |
|
|
|
н-С5Н12 |
|
|
|
Итого |
6162 |
100,00 |
Итого |
6161,91 |
100,00 |
|
63
2.6 Расчет материального баланса процесса полимеризации
nА+mВ→−(−A−)n −(−B−)m −
Исходные данные могут быть представлены: Производительность установки по каучуку, т/сут
Состав шихты подаваемой на полимеризацию, % масс.:
Мономер А Мономер В Растворитель
Состав суспензии стабилизатора, % масс.: Стабилизатор 1 Стабилизатор 2 Растворитель
Состав каучука после полимеризации, % масс.: полимер А полимер В Стабилизатор 1 Стабилизатор 2
Конверсия мономера А, %
Потери каучука, %
64
ПR
ωмоншихта.А
ωмоншихта.В
ωшихтараств−ль
ωстабсуспензия1 ωстабсуспензия2
ωсуспензия раств−ль
ωполкаучук.А ωполкаучук.В ωстабкаучук1 ωстабкаучук2
хА
ωпотерь
1. |
|
|
|
Рассчитывают |
производительность |
установки |
||
рассчитывают в кг/час: |
|
|
||||||
m |
R |
= |
|
ПR 1000 |
|
|
||
|
|
|
24 |
|
|
|
||
2. Находят производительность с учетом потерь (m′) |
||||||||
mR – 100 - ω% потерь |
|
|
||||||
mR′ |
– 100% |
|
|
|||||
|
|
|
100% |
|
|
|||
mR '= mR |
|
|
|
|||||
100 −ω%потерь |
|
|
||||||
Определяют количество потерь каучука:
mпотерь= m’R - mR
3. Рассчитывают покомпонентный состав каучука после полимеризации, принимая массу каучука с учетом потерь за
100%:
m |
= m'R ωполАкаучук |
|
||||||
полА |
|
|
100% |
|
|
|||
m |
= m'R ωполкаучукB |
|
||||||
полВ |
|
|
100% |
|
|
|||
m |
|
= m'R ωстабкаучук1 |
|
|||||
стаб1 |
|
100% |
|
|
||||
m |
|
= m'R ωстабкаучук2 |
|
|||||
стаб2 |
|
100% |
|
|
||||
4. Масса полимера равна массе мономера, вступившего в реакцию:
mполА = mмон.В
mполВ = mмон.В
5. Масса мономера А с учетом конверсии
mмоншихта. А = mмон. А Х1
А
6. Масса непревращенного мономера А:
65
∆mмон.А= mмоншихта.А - mмон.А
7. Массу шихты находим исходя из содержания в ней мономера:
шихта |
шихта |
% |
|
mмон.А |
|
– ωмон.А |
|
m шихты |
– 100% |
|
|
m |
= mшихта 100% |
|
|
шихты |
|
мон.А ωшихта |
|
|
|
мон.А |
|
8. Находят покомпонентный состав шихты (массу второго мономера, растворителя):
mшихта = |
m |
|
ωшихта |
||||
|
шихты |
монB |
|
||||
мон.В |
|
|
|
100% |
ωшихта |
||
mшихта |
|
= |
m |
шихты |
|||
|
|
раств − ль |
|||||
раств − ль |
|
|
|
100% |
|
||
|
|
|
|
|
|
||
9. Рассчитывают массу непревращенного остатка второго мономера (мономер В):
∆mмон.В= mмоншихта.В - mмон.В
10. Исходя из массы стабилизатора и процентного содержания его в составе суспензии находят массу суспензии:
mстаб1 – ωстабсуспензия1 % m суспензии – 100%
= 100%
mсуспензии mстаб1 ωстабсуспензия1
11. Находят покомпонентный состав суспензии :
mсуспензии |
|
– 100% |
|
mраств−ль |
– ωсуспензияраств−ль % |
||
mсуспензия |
= |
m |
ωсуспензия |
суспензии |
раств − ль |
||
раств − ль |
|
100% |
|
или
66
mсуспензияраств−ль = mсуспензии −(mстаб1 + mстаб2 )
12. Составляют схему материальных потоков:
1.Шихта: Мономер А
Мономер В Растворитель 2.Суспензия
стабилизатора: 
Стабилизатор 1 Стабилизатор 2 Растворитель
Р е а к т о р
1.Каучук
2.Непревращенный мономер А
3.Непревращенный мономер В
4.Растворитель из состава шихты
5.Растворитель из состава суспензии стабилизатора
6.Потери каучука
13. Составляют таблицу материального баланса:
Приход |
Расход |
|
|
|
Компонент |
кг/ч |
Компонент |
|
кг/ч |
1.Шихта |
mшихты |
1. Каучук |
mR |
|
|
|
2.Непревращенный |
∆mмон.А |
|
в том числе: |
mмон.А |
мономер А |
||
мономер А |
3.Непревращенный |
|
|
|
мономер В |
mмон.В |
мономер В |
∆mмон.В |
|
растворитель |
mшихта |
4.Растворитель из состава |
m |
шихта |
|
раств−ль |
шихты |
|
раств−ль |
|
|
5.Растворитель из состава |
m |
суспензия |
2.Суспензия |
mсуспензии |
суспензии стабилизатора |
|
раств−ль |
|
|
|||
стабилизатора |
|
6.Потери каучука |
mпотерь |
|
|
|
|||
|
|
|
||
в том числе: |
|
|
|
|
стабилизатор 1 |
mстаб1 |
|
|
|
стабилизатор 2 |
mстаб2 |
|
|
|
растворитель |
суспензия |
|
|
|
|
m раств−ль |
|
∑m |
|
Итого: |
∑m = mшихты |
Итого: |
1−6 |
|
|
|
|||
|
+ mсуспензии |
|
|
|
|
|
67 |
|
|
Пример 6. Расчет материального баланса процесса полимеризации
n CH2 = C – CH = CH2 → ( CH2 – C = CH – CH2 )n
CH3 CH3
Исходные данные могут быть представлены:
Производительность установки по каучуку, т/сут
Состав шихты подаваемой на полимеризацию, % масс.:
изопрен изопентан(растворитель)
Состав суспензии стабилизатора, % масс.: ДФФД Неозон-Д
Вода(растворитель)
Состав каучука после полимеризации, % масс.: полимер изопрена
Пк-ка=130т/сут
ωизопреншихта = 21%
ωизопентаншихта = 79%
ωсуспензияДФФД =1,5%
ωнеозонсуспензия−Д =1,5%
ωводасуспензия =97%
ωполкаучук.изопрена =98%
ДФФД |
|
|
|
|
|
ωДФФДкаучук |
=1% |
Неозон-Д |
|
|
|
|
ωнеозонДкаучук |
=1% |
|
Конверсия мономера изопрена, % |
|
хизопрена =87% |
|||||
Потери каучука, % |
|
|
|
ωпотерь |
= 2% |
||
1. Рассчитаем производительность установки в кг/час: |
|||||||
m |
= |
Пкаучук 1000 |
= |
130т/ сут 1000 |
= 5416,67кг/ час |
||
24 |
|
24 |
|||||
каучук |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
68 |
|
|
2. Найдем производительность с учетом потерь (m′каучук)
′ |
100% |
100% |
|
||
mкаучук |
=mкаучук |
|
=5416,67кг/час |
|
=5527,21кг/час |
100%−ω |
100%−2% |
||||
|
|
потерь,% |
|
|
|
Определяем количество потерь каучука:
mпотерь = mкаучук′ −mкаучук =5527,21кг/час−5416,67кг/час =110,54кг/час
3. Рассчитываем покомпонентный состав каучука после полимеризации, принимая массу каучука с учетом потерь за
100%:
m |
|
|
|
= |
m'каучук ωполкаучук.изопрен |
= |
5527,21кг/час 98% |
=5416,67кг/час |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
пол.изопрен |
|
|
|
100% |
|
|
|
|
100% |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
m |
|
|
|
m'каучук ω |
ДФФДкаучук |
5527,21кг/час |
1% |
=55,27кг/час |
|||||||
ДФФД |
= |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|||||
|
|
100% |
|
|
100% |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
m |
|
|
= |
m'каучук ωнеазонкаучук− Д |
|
= 5527,21кг/час 1% =55,27кг/час |
|||||||||
|
|
|
|||||||||||||
неозон− Д |
|
|
|
100% |
|
|
|
|
100% |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4. Масса полимера равна массе мономера, вступившего в реакцию:
mпол.изопрена = mмон.изопрена=5416,67кг/час
5. Масса мономера изопрена с учетом конверсии
mшихта |
= m |
|
|
1 |
= 5416,67кг / час |
1 |
= |
|
хизопрена |
|
|||||
мон.изопрена |
|
мон.изопрена |
|
|
0,87 |
|
= 6226,06кг / час.
6. Масса непревращенного остатка мономера изопрена:
∆mмон.изопрена =mмоншихта.изопрена −mмон.изопрена =6226,06кг/ час−5416,67кг/ час =
= 809,39кг/ час.
7. Массу шихты находим исходя из содержания в ней мономера:
69
m |
= mшихта |
100% |
= 6226,06кг / час |
100% |
= 29647,90кг / час |
||||
|
|
|
|
||||||
шихты |
|
|
мон.изопрена ωмоншихта.изопрена |
21% |
|
||||
8. Рассчитаем покомпонентный состав шихты: |
|||||||||
mшихта |
|
= |
mшихты ωизопентаншихта |
= 29647,90кг/час 79% = 23421,84кг/час |
|||||
|
|
||||||||
изопентан |
|
|
100% |
|
100% |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
9. Исходя из массы стабилизатора и процентного содержания его в составе суспензии найдем массу суспензии:
m |
= m |
|
|
|
100% |
|
|
= 55,27кг / час |
100% |
= 3684,67кг / час |
||||
ДФФД |
|
суспензия |
||||||||||||
суспензии |
|
|
|
|
1,5% |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
ωДФФД |
|
|
|
|
|
|
||
10. Найдем покомпонентный состав суспензии : |
||||||||||||||
|
|
m |
|
|
ωсуспензия |
= 3684,67кг/час 97% |
|
|||||||
mсуспензия |
= |
суспензии |
|
вода |
|
|
=3574,13кг/час |
|||||||
вода |
|
|
100% |
|
|
|
|
100% |
|
|
|
|||
11. Составляем схему материальных потоков: |
||||||||||||||
1.Шихта: |
|
|
|
|
|
|
|
1.Изопреновый каучук |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Мономер изопрен |
|
|
|
|
2.Непревращенный |
мономер |
||||||||
Изопентан |
|
|
|
ор |
|
изопрен |
|
|||||||
(растворитель) |
|
|
|
|
|
|
3. Растворитель из состава шихты |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
(изопентан) |
|
||||
2.Суспензия |
|
|
|
а к |
|
|
|
4.Растворитель из состава суспензии |
||||||
стабилизатора: |
|
|
|
|
е |
|
|
|
||||||
ДФФД |
|
|
|
|
Р |
|
(вода) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Неозон-Д |
|
|
|
|
|
|
|
5.Потери каучука |
|
|||||
Вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70