расчеты химико-технологических процессов

Печатается по решению редакционно-издательского совета Вятского государственного университета

УДК 66.011(07) А 95

Рецензенты: кандидат технических наук, доцент кафедры химии Вятского государственного гуманитарного университета В.М. Тимонюк, кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности Вятского государственного университета Н.Н. Загоскин

Ахмаров Ф.И. Расчеты химико-технологических процессов: учебное пособие / Ф.И. Ахмаров, К.О. Камалов. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2009.- 60 с.

В учебном пособии приведены все типы расчетных задач, отражающих основные разделы программы курса общей химической технологии. Большое внимание уделено материальным расчетам, основанным на технологических критериях эффективности химического производства. Приведены задачи на расчет реакторов, определение концентраций в технологических процессах, расчеты в сырьевой подсистеме химико-технологических систем. Предназначено для сту-

дентов специальностей 240901, 240302, 240501, 240502, 280201, 280202 дневного и заочного отделений.

Текст напечатан с оригинала-макета, представленного авторами.

610000, г. Киров, ул.Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ

©Ф.И. Ахмаров, К.О. Камалов, 2008.

©Вятский государственный университет, 2008.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие содержит расчётные задачи применительно к курсу общей химической технологии. Для их решения требуются знания химизма процессов,

основных законов химии и важнейших технологических операций. Учебное посо-

бие состоит из глав, в которых представлены все типы задач, отражающие основ-

ные разделы программы курса общей химической технологии для студентов хи-

мического, биологического факультетов и факультета строительства и архитекту-

ры Вятского государственного университета, изучающих данную дисциплину.

Химико-технологические расчёты составляют главную, наиболее трудоём-

кую часть проекта любого химического производства, они же являются завер-

шающей стадией лабораторного технологического исследования и выполняются также при обследовании работающих цехов и установок. Целью расчётов может быть определение оптимальных параметров производства или же вычисление ре-

акционных объёмов и основных размеров химических реакторов.

Основой технологических расчётов являются материальные и тепловые рас-

чёты. Материальные расчёты основываются на технологических критериях эф-

фективности химического производства: на степени превращения исходного реа-

гента, селективности, выходе целевого продукта, расходных коэффициентах по сырью. Только определив материальные потоки, можно произвести конструктив-

ные расчёты производственного оборудования и коммуникаций, оценить эконо-

мическую эффективность и целесообразность процесса. Составление материаль-

ного баланса необходимо как при проектировании нового, так и при анализе ра-

боты действующего производства. На основе сравнительного технико-

экономического анализа действующих производств можно выбрать наиболее ра-

циональную технологическую схему, оптимальные конструкции аппаратов и ус-

ловия осуществления процесса.

5

1. КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Предположим, что взаимодействие идёт по уравнению С2Н4 + Н2 → С2Н6

Определить степень превращения этилена и водорода, если они берутся:

а) в стехиометрическом соотношении - на 1 моль этилена берётся 1 моль во-

дорода;

б) на 1 моль этилена - 2 моля водорода;

в) на 1 моль этилена - 1,5 моля водорода;

г) на 1 моль этилена - 3 моля водорода;

д) на 2 моля этилена - 5 молей водорода.

В случаях а-в реагирует половина подведённого этилена, в случаях г, д 40 % под-

ведённого этилена.

В каком случае степени превращения этилена и водорода будут равны?

1.2. Определить состав конечной смеси и степень превращения вещества В для реакции

А + 2В → 2R + S,

если степени превращения вещества А - ХА, а начальные концентрации веществ А и В - СА0 и СВ0 моль/л.

1.3. При обжиге 1 т известняка образуется «Х» м3 оксида углерода (IV). Содер-

жание СаСО3 в известняке «Y» %. Определить степень диссоциации известняка.

6

1.4. Рассчитайте полную селективность, если при проведении параллельных ре-

акций

А→ R + M (целевая),

А→ S + N (побочная)

получено «CR» молей продукта R и «СS» молей продукта S.

1.5. С установки получают «Х» т 100 %-ной серной кислоты при обжиге«Y» т

серного колчедана с содержанием серы«Z» %. Сера из колчедана выгорает пол-

ностью. Рассчитать выход по отношению к теоретическому серной кислоты.

1.6. Из 1 т серного колчедана, содержащего «Х» % серы, получается «Y» т оле-

ума, содержащего 20 % SO3 свободного. Определить выход продукта по отноше-

нию к теоретическому количеству в расчёте на моногидрат.

7

1.7.Протекают последовательные реакции

А→ 2R;

2R → S.

Целевым продуктом является вещество R. Определить выход целевого продукта,

степень превращения вещества А и полную селективность по целевому продукту,

если известен конечный состав реакционной смеси «СА», «CR», «СS», кмоль/м3.

1.8. Протекают параллельные реакции

2А → R;

А → 3S.

Целевым продуктом является вещество R. Определить выход целевого продукта,

степень превращения реагента А и полную селективность по целевому продукту,

если на выходе из реактора концентрации веществ составляют «СА», «CR» , «СS», кмоль/м3.

1.9. Определить расходные коэффициенты в производстве карбида кальция(тех-

нического), имеющего по анализу следующий состав (% масс.): СаС2 - «Х»; СаО - «Y»; C – «Z»; остальное - примеси. Известь содержит 90 % СаО. Содержание в коксе золы – 4 %, летучих 3 %, влаги 3 %. Расчёт вести на 1 т технического про-

дукта.

8

1.10. Определить расход технического карбида кальция, содержащего «Х» %

масс. СаС2, и расход воды для получения 1 м3 ацетилена, если степень разложения карбида кальция составляет «Y», а вода берётся в «Z»-кратном избытке.

1.11. Рассчитать расходные коэффициенты по сырью на производство1 т «Х»

% ацетальдегида, если степень превращения ацетилена составляет «Y». Потери ацетальдегида в производстве составляют «Z» %. Соотношение исходных реаген-

тов – стехиометрическое.

1.12. Рассчитать расходные коэффициенты по сырью на производство 1 т ледяной уксусной кислоты, если степень окисления технического (98 %) ацетальдегида со-

ставляет «Х» %, потери уксусной кислоты «Y» %. Состав воздуха принять 21 %

об. кислорода и 79 % об. азота.

9

1.13. Рассчитать расходные коэффициенты по сырью на производство1 т техни-

ческого «Х»%-ного этилового спирта методом прямой гидратации этилена, если степень превращения этилена составляет «Y» % по открытой схеме, а по цикли-

ческой схеме «Z» %. Сравнить расходные коэффициенты для циклического про-

цесса и процесса с открытой цепью.

1.14. Рассчитать расход «Х»%-ного этилового спирта на производство1 т диви-

нила по методу Лебедева, если степень превращения этанола в дивинил составля-

ет «Y». Побочными реакциями пренебречь.

1.15. Рассчитать расход бутана на получение«Х»%-ного дивинила методом де-

гидрирования бутана, если степень дегидрирования «Y», а содержание бутана в исходном газе - «Z» %, остальное - азот. Расчёт вести на 1 т «Х»%-ного дивинила.

10

1.16. Рассчитать расходные коэффициенты по сырью на производство1 т фенола методом гидролиза хлорбензола, если исходные вещества берутся в соотношении С6Н5СI : Н2О = «Х», степень превращения «Y».

1.17. Формальдегид получают по реакции СН3ОН + 0,5О2 → НСОН + Н2О

После абсорбции газа получается формалин, содержащий «Х» % формальдегида.

Рассчитать расходные коэффициенты по сырью, если известно, что степень пре-

вращения метанола «Y» %. Состав воздуха принять 21 % об. кислорода и 79 % об.

азота. Расчёт вести на 1 т «Х»%-ного формалина (раствор формальдегида в воде называется формалином).

1.18. Рассчитать расходные коэффициенты по сырью на производство1 т серной кислоты, если в производстве используется серный колчедан, содержащий «Х» %

серы, степень выгорания серы из колчедана «Y» %, коэффициент избытка воздуха

«Z».