задачи_poz119_0
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования
Ухтинский государственный технический университет
РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
Методические указания для выполнения практической работы
Ухта 2009
УДК 614.841.12 (076.5) П 27
Перхуткин, В.П.
Расчёт материального баланса химического реактора [Текст] : метод. указания для выполнения практической работы / В.П. Перхуткин. – Ухта : УГТУ, 2009. – 19 с.
Методические указания предназначены для выполнения практической работы по дисциплине «Охрана воздушного бассейна» для студентов специальности 270109 – ТГВ «Теплогазоснабжение и вентиляция».
Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ПБ и ООС от 20.02.09 протоколом № 7.
Рецензент: Воловик О.В., доцент кафедры ПБ и ООС Редактор: Колесник О.А., ассистент кафедры ПБ и ООС
В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.
План 2009 г., позиция 119.
Подписано в печать 27.03.2009. Компьютерный набор. Объём 19 с. Тираж 50 экз. Заказ № 229.
©Ухтинский государственный технический университет, 2009 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13. Отдел оперативной полиграфии УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
ВВЕДЕНИЕ
Химический реактор – автоматизированный аппарат для проведения химических реакций объёмом от нескольких миллилитров до десятков кубометров.
Основное назначение химических реакторов – обеспечение полностью автоматизированного, безопасного, структурированного и четкого контроля химических превращений.
Во время химической реакции можно производить нагрев, охлаждение, повышать или понижать давление, регулировать скорость подачи компонентов химической реакции, автоматически контролировать изменение состояния реагентов.
Показателями эффективности функционирования химического реактора является степень превращения исходных веществ, выход целевого продукта, селективность, производительность и интенсивность.
Цель функционирования химического реактора – получение заданного количества вещества определенного качества при соблюдении следующих основных требований:
1. Достижение высокой эффективности функционирования.
2. Создание необходимых условий проведения процессов.
3. Обеспечение устойчивости и стабильности режимов.
4. Достижение высокой надежности функционирования.
5. Простота конструкции, эксплуатации, управления и ремонта. 6. Низкие энергетические затраты.
7. Малая стоимость и материалоемкость.
8. Соответствие необходимым условиям техники безопасности.
9. Соответствие требованиям промышленной экологии и эстетики.
1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Цель практической работы – научиться проводить расчёт материального баланса химического реактора.
Для достижения поставленной цели в практической работе следует решить следующие задачи:
1.Изучить теоретические основы расчёта материального баланса химического реактора.
2.Изучить (по варианту) исходные данные к выполнению практической работе.
3.Изучить пример расчёта материального баланса химического реактора на почасовую производительность.
4.Провести расчёт (по варианту) материального баланса химического реактора.
5.Определением погрешности проверить правильность расчёта материального баланса химического реактора на почасовую производительность.
3
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЁТА МАТЕРИАЛЬНОГО
БАЛАНСА
В основе составления материального баланса химического реактора лежит закон сохранения массы вещества, который гласит, что масса всех веществ, вступивших в реакцию равна массе всех продуктов реакции. При составлении материального баланса химического реактора непрерывного действия (проточного реактора) наиболее часто используют материальный баланс на почасовую производительность по одному из участников химического превращения. Для более полного представления количественных характеристик рассматриваемого процесса и удобства расчёта помимо массовых потоков веществ в таблицах материальных балансов представляют объёмные и мольные потоки вещества, которые соотносятся между собой следующим образом:
G =V ρ , |
(1) |
где ρ – плотность вещества, кг/м3; |
|
G – массовый поток вещества, кг/ч; |
|
V – объёмный поток вещества, м3/ч. |
|
G = N MM , |
(2) |
где N – мольный поток вещества, кмоль/ч; |
|
MM – молярная масса вещества, кг/кмоль. |
|
Согласно определению, моль – это количество вещества, содержащее такое же количество структурных единиц (атомов, молекул и т.д.), которое содержится в 12 граммах изотопа С12. Следовательно, масса моля вещества численно равна его молекулярной массе.
V = N 22,4 , |
(3) |
где 22,4 м3/кмоль – величина молярного объёма для газов.
Для характеристики состава исходной и конечной смесей веществ используют понятие концентрации. Наиболее распространённой формой выражения состава газовой смеси является объёмная доля вещества. Для смеси из нескольких веществ с известными величинами объёмных потоков и известным суммарным объёмным потоком, объёмная доля i-го вещества определяется выражением
Zi =Vi /Vсум , |
(4) |
где Zi – объёмная доля i-го вещества;
Vi – объёмный поток i-го вещества, м3/ч;
Vсум – суммарный объёмный поток вещества, м3/ч.
Сумма всех объёмных долей компонентов равна единице.
4
Производительность по каждому конкретному веществу рассчитывается как разность между конечным и начальным потоками вещества
|
NRi = NKi −NNi , |
(5) |
где NRi – мольная производительность по i-му веществу, кмоль/ч; |
|
|
NNi |
– мольный поток i-го вещества на входе в реактор, кмоль/ч; |
|
NKi |
– мольный поток i-го вещества на выходе из реактора, кмоль/ч. |
|
|
VRi =VKi −VNi , |
(6) |
где VRi – объёмная производительность по i-му веществу, м3/ч; |
|
|
VNi |
– объёмный поток i-го вещества на входе в реактор, м3/ч; |
|
VKi |
– объёмный поток i-го вещества на выходе из реактора, м3/ч. |
|
|
GRi = GKi −GNi , |
(7) |
где GRi – массовая производительность по i-му веществу, кг/ч; |
|
|
GNi |
– массовый поток i-го вещества на входе в реактор, кг/ч; |
|
GKi |
– массовый поток i-го вещества на выходе из реактора, кг/ч. |
|
|
Следует обратить внимание, что производительность для продуктов реакции – |
|
величина положительная, а для исходных веществ – отрицательная. |
|
|
|
Степень превращения – это отношение количества вещества, вступившего в |
|
реакцию к начальному количеству вещества: |
|
|
|
Xi = −VRi /VNi , |
(8) |
|
Xi = −NRi / NNi , |
(9) |
|
Xi = −GRi / GNi , |
(10) |
где Xi – степень превращения i-го исходного реагента, доли. |
|
|
|
Степень превращения может изменяться в интервале от нуля до единицы. |
|
5
3 ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Таблица 1 – Варианты выполнения практической работы
Две последние |
Номер варианта |
Две последние |
Номер варианта |
цифры шифра |
практической |
цифра шифры |
практической |
студенческого билета |
задачи |
студенческого билета |
задачи |
|
|
|
|
01, 51 |
01 |
26, 76 |
26 |
02, 52 |
02 |
27, 77 |
27 |
03, 53 |
03 |
28, 78 |
28 |
04, 54 |
04 |
29, 79 |
29 |
05, 55 |
05 |
30, 80 |
30 |
06, 56 |
06 |
31, 81 |
31 |
07, 57 |
07 |
32, 82 |
32 |
08, 58 |
08 |
33, 83 |
33 |
09, 59 |
09 |
34, 84 |
34 |
10, 60 |
10 |
35, 85 |
35 |
11, 61 |
11 |
36, 86 |
36 |
12, 62 |
12 |
37, 87 |
37 |
13, 63 |
13 |
38, 88 |
38 |
14, 64 |
14 |
39, 89 |
39 |
15, 65 |
15 |
40, 90 |
40 |
16, 66 |
16 |
41, 91 |
41 |
17, 67 |
17 |
42, 92 |
42 |
18, 68 |
18 |
43, 93 |
43 |
19, 69 |
19 |
44, 94 |
44 |
20, 70 |
20 |
45, 95 |
45 |
21, 71 |
21 |
46, 96 |
46 |
22, 72 |
22 |
47, 97 |
47 |
23, 73 |
23 |
48, 98 |
48 |
24, 74 |
24 |
49, 99 |
49 |
25, 75 |
25 |
50, 00 |
50 |
6
Вариант 1. Составить материальный баланс реактора для окисления диоксида серы на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 40000 м3/ч.
3.Состав исходной газовой смеси (объёмные доли): диоксид серы – 0,13; кислород 0,1; остальное – азот.
4.Степень превращения диоксида серы – 0,9.
Вариант 2. Составить материальный баланс реактора для окисления азота на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход кислорода 6500 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): оксид азота – 0,12; остальное – сухой воздух: кислород 0,21, азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,97.
Вариант 3. Составить материальный баланс реактора для окисления диоксида серы на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Производительность по триоксиду серы 8000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): диоксид серы – 0,1; кислород 0,1; триоксид серы – 0,01; остальное – азот.
4.Степень превращения диоксида серы – 0,92.
Вариант 4. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход монооксида углерода 2500 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,07; кисло-
род 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,9.
Вариант 5. Составить материальный баланс реактора для окисления диоксида серы на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 22000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): диоксид серы – 0,1; кислород 0,12; остальное – азот.
4.Степень превращения диоксида серы – 0,88.
7
Вариант 6. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход кислорода 5000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,06; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
Вариант 7. Составить материальный баланс реактора для окисления оксида азота на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 20000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): оксид азота – 0,12; диоксид азота – 0,01; остальное – сухой воздух (объёмные доли): кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,85.
Вариант 8. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Производительность по диоксиду углерода 1500 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,07; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
Вариант 9. Составить материальный баланс реактора для окисления оксида азота на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход оксида азота 5000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): оксид азота – 0,1; остальное – сухой воздух : кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,95.
Вариант 10. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 25000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,07; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
8
Вариант 11. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход кислорода 4000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,06; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
Вариант 12. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Производительность по диоксиду углерода 1300 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,07; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
Вариант 13. Составить материальный баланс реактора для окисления оксида азота на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 25000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): оксид азота – 0,12; диоксид азота – 0,01; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,9.
Вариант 14. Составить материальный баланс реактора для окисления диоксида серы на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 50000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): диоксид серы – 0,12; кислород – 0,1; остальное – азот.
4.Степень превращения диоксида серы – 0,95.
Вариант 15. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход кислорода 3000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,06; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
9
Вариант 16. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 15000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,07; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения монооксида углерода – 0,95.
Вариант 17. Составить материальный баланс реактора для окисления диоксида серы на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 25000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): диоксид серы – 0,12; кислород – 0,1; остальное – азот.
4.Степень превращения оксида азота – 0,95.
Вариант 18. Составить материальный баланс реактора для окисления оксида азота на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Расход исходной газовой смеси 25000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): оксид азота – 0,12; диоксид азота – 0,01; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,88.
Вариант 19. Составить материальный баланс реактора для окисления монооксида углерода на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход кислорода 25000 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): монооксид углерода – 0,06; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,9.
Вариант 20. Составить материальный баланс реактора для окисления оксида азота на часовую производительность по следующим исходным данным:
1.Все газы считать идеальными.
2.Начальный расход кислорода 3500 м3/ч.
3.Состав исходной смеси (объёмные доли): оксид азота – 0,12; остальное – сухой воздух: кислород – 0,21; азот – 0,79.
4.Степень превращения оксида азота – 0,94.
10