Приклад

Розглянемо приклад розрахунку теплового балансу безперервного процесу окиснення етилену до оксиду етилену молекулярним киснем.

Вихідні дані: Т_ВХ = 505К; Т_Р = 543К; втрати – 2%.

Склад сировини та продуктів реакції, а також термодинамічні характеристики речовин наведено в таблицях 2, 3.

Таблиця 2

Склад сировини та її термодинамічні характеристики

Речовина	G,кг/с	СР, кДж/(кмоль·К)	H0f, кДж/кмоль
етилен	1,7785	43,6	52505
етан	0,0126	52,7	–84789
пропілен	0,0054	64,3	20247
кисень	10,2564	29,5	0
азот	33,9521	29,4	0

Таблиця 3

Склад продуктів реакції та їх термодинамічні характеристики

Речовина	G,кг/с	СР, кДж/(кмоль·К)	H0f, кДж/кмоль
етилен	0,9426	43,6	52505
оксид етилену	0,9444	48,2	–51080
СО2	0,4821	37,3	–393800
СО	0,1972	29,2	–110680
вода	0,3315	33,6	–248990
кисень	9,1551	29,5	0
азот	33,9521	29,4	0

1.Розраховуємо кількість теплоти, що вноситься із сировиною Q₁:

Q₁ = G_i··T_i = T_вх·G_i·;

Q₁ = 505·(1,7785·43,6/28 + 0,0126·52,7/30 + 0,0054·64,3/42 + 10,2564·29,5/32 + 33,9251·29,4/28) = 24191,8 кДж/с.

2.Розраховуємо кількість теплоти, що виноситься з продуктами реакції Q₄:

Q₄ = G_i··T_i = T_р·G_i·+ [С_Р^В·Т_к + r + ·(Т_Р – Т_К)]·G_В;

Q₄ = 543·(0,9426·43,6/28 + 0,9444·48,2/44 + 0,4821·37,3/44 + 0,1972·29,2/28 + 9,1551·29,5/32 + 33,9521·29,4/28) + 0,3315[(4,19·373 + 40710/18 + 33,6·(543 – 373)/18] = 27006,0 кДж/с.

3.Розрахуємо тепловий ефект реакції Q₃.

3.1. Розрахунок ентальпій утворення кожного з реагентів і продуктів при температурі реакції:

H_f = H_f298 + C_pT

H^К_f = 0 + 29,5·(543 – 298) = 7228 кДж/кмоль;

H^Е_f = 52505 + 43,6·(543 – 298) = 63187 кДж/кмоль;

H^ЕТ_f = –84789 +52,7·(543 – 298) = –71878 кДж/кмоль;

H^П_f = 20247 + 64,3·(543 – 298) = 36000 кДж/кмоль;

H^ОЕ_f = –51080 + 48,2·(543 – 298) = –39271 кДж/кмоль;

H^ВГ_f = –393800 + 37,3·(543 – 298) = –384662 кДж/кмоль;

H^СО_f = –110680 + 29,2·(543 – 298) = –103526 кДж/кмоль;

H^В_f = –248990 + 33,6·(543 – 298) = –240758 кДж/кмоль.

3.2.Розрахунок теплових ефектів окремих реакцій.

H¹_r = (–39271)·0,9444/44 – 63187·0,6010/28 + 7228·0,3434/32 = –2121,6 кДж/с;

H²_r = (–103526)·0,1972/28 + (–240758)·0,1268/18 – 63187·0,0986/28 + 7228·0,2254/32 = –2596,7 кДж/с;

H³_r = (–384662)·0,4281/44 + (–240758)·0,1751/18 – 63187·0,1362/28 + 7228·0,4670/32 = –6284,5 кДж/с;

H⁴_r = (–384662)·0,0370/44 + (–240758)·0,0227/18 – (–71878)·0,0126/30 + 7228·0,0440/32 = –587,0 кДж/с;

H⁵_r = (–384662)·0,0170/44 + (–240758)·0,0069/18 – 36000·0,0054/42 + 7228·0,0185/32 = –241,3 кДж/с.

3.3.Тепловий ефект процесу окислення етилену:

H_r = H^і_r

H_r = (–2121,6) + (–2596,7) + (–6284,5) + (–587,0) + (–241,3) = –11831,3 кДж/с.

Q₃ = –H_r = 11831,3 кДж/с.

4.Втрати теплоти в навколишнє середовище Q₅:

Q₅ = 0,02Q_вх = 0,02·( Q₁ + Q₃) = 0,02·(24191,8 + 11831,3) = 726,5 кДж/с.

5.Кількість теплоти, що її необхідно відвести (підвести) Q₂:

Q₂ = Q₄ + Q₅ – Q₁ – Q₃ = 27006,0 + 726,5 – 24191,8 – 12081,2 = –8542,5 кДж/с.

Отже, теплоту треба відводити.

Задачі

1. У процесі отримання ацетилену карбідним способом 85% теплоти, що виділяється в результаті хімічної реакції, знімається за рахунок випаровування води. Визначити тепловий ефект реакції та об’ємну витрату води на випаровування в генераторі продуктивністю 500 м³/год ацетилену. Теплота утворення (кДж/моль): карбіду кальцію - 62,7; води - 241,8; оксиду кальцію - 635,1; ацетилену - 226,7. Теплота випаровування води 2289 кДж/кг.

2. У генератор системи “вода на карбід” подають 2000 кг/год технічного карбіду кальцію з вмістом СаС₂ - 70% і СаО - 20%. За рахунок випаровування води знімається 85% виділеної теплоти. Конверсія сировини - 98%; теплові ефекти реакцій: розкладу карбіду кальцію - 127.1 кДж/моль; гасіння оксиду кальцію - 63,6 кДж/моль. Визначити витрату теплоти і масову витрату води на випаровування. Теплота випаровування води 2289 кДж/кг.

3. У генератор системи “вода на карбід” подають 3000 кг/год технічного

карбіду кальцію, літраж якого дорівнює 242 л/кг. Загальна кількість теплоти, що виділяється, становить 6900 кДж/кг ацетилену. За рахунок випаровування води знімається 80% теплоти. Визначити масове співвідношення реагентів, якщо на випаровування витрачається 60% води, що подається в генератор. Теплота випаровування води 2289 кДж/кг.

4. У генератор системи “вода на карбід” подають технічний карбід кальцію з вмістом СаО - 20% і СаС₂ - 70%, і воду в масовому співвідношенні 1/1,35. Визначити продуктивність генератора за ацетиленом, якщо на випаровування надлишку води витрачається 900 кВт. Теплота випаровування води 2289 кДж/кг.

5. У генератор системи “карбід в воду” при 15⁰С подають воду і 580 кг/год технічного карбіду кальцію. Масова частка СаС₂ в карбіді кальцію становить 0,75. За рахунок хімічних реакцій виділяється 6240 кДж/м³ утвореного ацетилену. Визначити масову витрату води на відведення теплоти і масове співвідношення води і технічного карбіду, якщо на нагрівання води (від 15 до 70⁰С) витрачається 231 кДж/кг, а на хімічну взаємодію з 1 кг технічного карбіду кальцію витрачається 0,47 кг води.

6.Споживана потужність реактора електрокрекінгу метану становить 7200 кВт. На утворення ацетилену витрачається 40% теплоти. Вихід ацетилену в розрахунку на вихідну сировину становить 45%; теплота утворення ацетилену - 376 кДж/моль. Визначити витрату (у м³/год) природного газу, в якому об’ємна частка метану становить 0,98.

7.У трубчасту піч, що працює в “пропіленовому” режимі, двома потоками надходить 5400 кг/год пропанової фракції з масовим вмістом пропану - 90%. Конверсія пропану становить 75%, селективність за етиленом - 35,8%, за пропіленом - 27,7%. Визначити кількість теплоти, необхідної для компенсації ендотермічного ефекту реакцій дегідрування пропану (117 кДж/моль пропілену) і його деструкції (65 кДж/моль етилену).

8.За енергією розриву зв’язків С–Н, С–С, С=С і Н–Н визначити теплові ефекти реакцій:

C₃H₈  C₂H₄+СН₄

С₃Н₈  С₃Н₆+Н₂

C₄H₁₀  2С₂Н₄+H₂

С₄Н₁₀  С₃Н₆+СН₄.

Енергія розриву зв’язків дорівнює (кДж/моль): для С–Н - 412, для С–С - 339, для С=С - 613 і для Н–Н - 433.

9.У трубчасту піч надходить 115 тис. м³/год пропану. Визначити витрату (у м³/год) паливного газу на компенсацію ендотермічного ефекту дегідрування (117 кДж/моль), якщо конверсія пропану становить 70%, селективність за пропіленом - 27,5%, а теплота згорання паливного газу - 33000 кДж/м³.

9.У кульовому реакторі на стаціонарному шарі каталізатора здійснюють дегідрування ізопентенів до ізопрену. Витрата теплоти для компенсації ендотермічного ефекту реакції дегідрування складає 1820 кВт. Визначити масу каталізатора у реакторі, якщо тепловий ефект реакції дегідрування становить 1870 кДж/кг ізопрену, конверсія ізопентенів – 40,5%, селективність за ізопреном - 76%, продуктивність каталізатора складає 620 кг/(т(год) ізопентену.

10.У кульовому реакторі на стаціонарному шарі каталізатора проводять дегідрування ізопентенів до ізопрену. Визначити витрату (у м³/год) паливного газу для компенсації ендотермічного ефекту реакції дегідрування, якщо на установку подають 40210 кг/год ізопентенів, конверсія ізопентенів становить 40,8%, селективність за ізопреном - 75,3%, теплота згорання газу - 33000 кДж/м³, тепловий ефект реакції дегідрування - 1870 кДж/кг ізопрену.

11.У двоступінчастий адіабатичний реактор на дегідрування до стиролу надходить 125270 кг/год паро-сировинної суміші водяна пара/етилбензол у масовому співвідношенні 3/1. Після першого ступеню дегідрування контактний газ з вмістом стиролу 6,4%, нагрівають в міжступінчастому підігрівачі на 62 К перегрітою водяною парою. Визначити секундну витрату пари, якщо конверсія етилбензолу за один прохід через каталізатор після першого ступеню реактора становить 30%, селективність процесу за - стиролом - 85,5%, питома теплоємність контактного газу 2,74 кДж/(кг·К). Ентальпія пари в процесі теплообміну змінюється на 230 кДж/кг.

12.Стирол одержують дегідруванням етилбензолу в двоступінчастому адіабатичному реакторі продуктивністю 15400 кг/год стиролу. В реактор надходить суміш водяна пара/етилбензол у мольному співвідношенні 17,5/1. Конверсія етилбензолу за один прохід становить 60%, а селективність процесу - 86%. Визначити різницю температур між верхнім і нижнім шарами каталізатора першого ступеня реактора, якщо тут утворюється 48% усього стиролу. Теплоємність паро-газової суміші - 2,45 кДж/(кг·К), тепловий ефект процесу - 1185 кДж/кг перетвореного етилбензолу. Тепловтратами в реакторі знехтувати.

13.Стирол одержують дегідруванням етилбензолу в двоступінчастому адіабатичному реакторі з продуктивністю 15600 кг/год стиролу. У процесі дегідрування вихід стиролу складає 51% у розрахунку на етилбензол. Перед надходженням у перший ступінь реактора етилбензол змішують з водяною парою, яка вносить 55% від загальної кількості теплоти, необхідної для нагрівання етилбензолу на 61 К, випаровування при 409,2 К (теплота випаровування 339 кДж/кг) і перегрівання парів до 438 К. Визначити поверхню теплообміну випарника, якщо питома теплоємність рідкого етилбензолу - 2 кДж/(кг·К), його перегрітої пари - 1,7 кДж/(кг·К). Коефіцієнт теплопередачі - 59 Вт/(м²·К), середній температурний напір - 61К.

14.У двоступінчастий адіабатичний реактор отримання стиролу надходить на дегідрування 125800 кг/год суміші водяна пара/етилбензол у масовому співвідношенні 3/1. У процесі дегідрування при конверсії етилбензолу за один прохід 59,5% і селективності 86,5%, утворюється контактний газ з вмістом стиролу 10,5%. Теплоту контактного газу використовують у котлі-утилізаторі, де отримують водяну пару з тиском 0,65 МПа і теплотою пароутворення 2066 кДж/кг. Визначити добову кількість утвореної водяної пари, якщо контактний газ охолоджується на 415 К, а його середня питома теплоємність становить 1,73 кДж/(кг·К).

15.Продуктивність шахтного адіабатичного реактора дегідрування ізопропілбензолу складає 650 кг/год α-метилстиролу. У реактор надходить суміш водяна пара/ізопропілбензол у масовому співвідношенні 3,2/1. Селективність ізопропілбензолу за α-метилстиролом становить 83,5%. Визначити конверсію ізопропілбензолу за один прохід через реактор, якщо тепловий ефект процесу 1010 кДж/кг перетвореного ізопропілбензолу, питома теплоємність паро-сировинної суміші становить 2,85 кДж/(кг·К), а різниця температур між верхнім і нижнім шарами каталізатора в реакторі 38К.

16.У шахтний адіабатичний реактор продуктивністю 685 кг/год α-метилстиролу, надходять 2000 кг/год ізопропілбензолу і водяна пара у масовому співвідношенні до ізопропілбензолу 3:1. У результаті реакцій поглинається 1010 кДж/кг перетвореного ізопропілбензолу, що визначає різницю температур між верхнім і нижнім шарами каталізатора в реакторі 36 К. Визначити селективність процесу за α-метилстиролом, якщо питома теплоємність паро-сировинної суміші становить 2,81 кДж/(кг·К).

17.Дегідрування діетилбензолу здійснюють на установці продуктивністю 4500 кг/год дивінілбензолу. Перед дегідруванням діетилбензол нагрівають на 74 К, випаровують (теплота випаровування 356 кДж/кг) і перегрівають від 453 К до 873 К за рахунок спалювання паливного газу в міжтрубному просторі випарника. Теплота згорання газу 46·10³ кДж/м³, к.к.д. топки 0,7. Визначити годинну об’ємну витрату паливного газу, якщо вихід дивінілбензолу становить 52%, а питомі теплоємності (кДж/(кг·К)): рідкого діетилбензолу - 1,88, його перегрітої пари - 2,6.

18.На установку дегідрування діетилбензолу до дивінілбензолу надходить 24000 кг/год паро-сировинної суміші. Перед дегідруванням діетилбензол нагрівають на 75 К, випаровують його при температурі кипіння (теплота випаровування 355 кДж/кг) і перегрівають від 453 К до 873 К. На це витрачають 320 м³/год паливного газу. Теплота згорання газу - 45·10³ кДж/кг, к.к.д. топки - 0,73. Визначити мольне співвідношення водяна пара/діетилбензол у паро-сировинній суміші на вході, якщо питомі теплоємності (кДж/(кг·К)): рідкого діетилбензолу 1,9, його перегрітої пари - 2.62.

19.Дивінілбензол одержують дегідруванням діетилбензолу в шахтному адіабатичному реакторі. На дегідрування надходить 6500 кг/год суміші діетилбензол/водяна пара у масовому співвідношенні 1/3. Конверсія діетилбензолу реактор становить 43%. У результаті реакцій різниця температур між верхнім і нижнім шарами каталізатора досягає 38 К. Визначити тепловий ефект реакцій (в кДж/кг перетвореного діетилбензолу), якщо питома теплоємність паро-сировинної суміші становить 3,4 кДж/(кг·К).

20.Тепловий ефект реакції алкілування бензолу етиленом становить 106 кДж/моль. На відведення 55% виділеної теплоти, витрачається 48% бензолу, що подається в реактор. Визначити масову витрату бензолу на установці продуктивністю 4 т/год етилбензолу, якщо його теплота випаровування - 30,6 кДж/моль.

21.У реактор алкілування ізобутану подають 36 м³/год рідкої бутан-бутенової фракції з вмістом бутенів 30% і густиною 605 кг/м³. Тепловий ефект реакції алкілування ізобутану бутенами дорівнює 77 кДж/моль бутенів. На відведення виділеної теплоти витрачається 20% циркуляційного ізобутану. Визначити масове співвідношення циркуляційного ізобутану і рідкої бутан-бутенової фракції, якщо теплота випаровування ізобутану дорівнює 330 кДж/кг.

22.У каскадний реактор сірчанокислого алкілування ізобутану надходить 23700 кг/год рідкої бутан-бутенової фракції з вмістом бутенів 29.5%. Алкілування здійснюють при мольному співвідношенні ізобутан/бутени 7/1, а витрата бутенів складає 0.5 т/т алкілату. Визначити частку ізобутану (у % від циркуляційного), необхідного для відведення теплоти реакції (77 кДж/моль алкілату в розрахунку на ізооктан), якщо теплота випаровування ізобутану складає 331 кДж/кг.

23.У реактор отримання етилбензолу в присутності хлориду алюмінію надходить 12000 кг/год бензолу. В процесі алкілування виділяється 106 кДж/моль етилбензолу теплоти, 50% якої знімається за рахунок випаровування непрореагованого бензолу. Визначити кількість бензолу в рідкому алкілаті, що безперервно виходить з реактора, якщо теплота випаровування бензолу 380 становить кДж/кг, його конверсія - 33%, а селективність за етилбензолом - 84,6%.

24.У реакторі гідродеметилювання толуолу виділяється 1870 кВт теплоти, яку відводять циркуляційним воденьвмісним газом (об’ємна частка водню 0,90). Визначити об’ємну витрату цього газу, якщо конверсія толуолу становить 93%, селективність за бензолом - 81.5%, мольне співвідношення водень/толуол 5/1, а тепловий ефект процесу складає 641 кДж/кг бензолу.

25.Установка термічного деметилювання толуолу з двома послідовними реакторами має продуктивність 10100 кг/год бензолу. Суміш водень/толуол надходить у мольному співвідношенні 4,7/1 при 650⁰С; питома теплоємність такої суміші становить 4,61 кДж/(кг•К). Деалкілування відбувається автотермічно, якщо кількість теплоти, що виділяється (тепловий ефект процесу 50 кДж/моль) складає не менше, ніж 9% від теплового потоку газосировинної суміші на вході. Визначити кількість теплоти (у % від теплового потоку газо-сировинної суміші на вході), що витрачається на ведення реакції, якщо конверсія толуолу в бензол становить 85%, а масова частка водню в воденьвмісному газі - 25,4%.

26.Продуктивність установки термічного гідродеметилювання толуолу складає 248 т/д бензолу. Газо-сировинна суміш (воденьвмісний газ з вмістом водню 35% і толуол) надходить у реактори у мольному співвідношенні водень/толуол 5/1. Конверсія толуолу в бензол досягає 93%. Продукти реакції при 720⁰С надходять в котел-утилізатор, де за рахунок їх охолодження до 250⁰С утворюється водяна пара з тиском 4 МПа і теплотою пароутворення 1712 кДж/кг. Визначити кількість утвореної водяної пари, якщо теплоємність газо-продуктової суміші при середній температурі 485⁰С складає 3,46 кДж/(кг(К), а ступінь використання теплоти 72%.

27.Газофазну ізомеризацію н-пентану до ізопентану здійснюють у присутності хлориду алюмінію в трубчастому реакторі, у міжтрубному просторі якого циркулює 7.0 м³/год масла. Теплота реакції (92 кДж/моль) знімається за рахунок нагрівання масла на 30 К. Визначити масову витрату н-пентану на вході в реактор, якщо конверсія н-пентану становить 49%, питома теплоємність масла - 1,77 кДж/(кг•К), а його густина - 856 кг/м³.

28.Визначити теплові ефекти утворення метилхлориду і метиленхлориду, якщо енергії зв’язків становлять (кДж/моль) для: С–Н - 412, Сl–Cl - 239, C–Сl - 327, Н–Сl - 427.

29.Визначити теплові ефекти утворення трихлорметану і тетрахлорметану, якщо енергії зв’язків становлять (кДж/моль) для: C–Н - 412, Сl–Cl - 239, Н–Сl - 427, C–Сl - 327.

30.Визначити кількість теплоти, виділеної при отриманні 1800 кг/год реакційного газу з масовими частками компонентів: метилхлориду 0,45, метиленхлориду 0,30, трихлорметану 0,15, тетрахлорметану 0,10. Теплові ефекти відповідно (кДж/моль): 103, 206, 309, 412.

31.Визначити тепловий ефект реакцій:

СН₂=СНСН₃+ Сl₂  СН₃=СНСН₂Сl+НСl;

СН₂=СНСН₃+ 2Сl₂  СНСl=СНСН₂Сl+2НСl;

СН₂=СНСН₃+Сl₂  СН₂=ССlСН₃+НСl.

Енергія розриву зв’язків становить (кДж/моль) для: С–Н - 412, Сl–Сl - 239, Н–Сl - 427, С–Сl - 327.

32.Визначити тепловий ефект реакції:

С₂Н₄+Cl₂  C₂H₄Cl₂;

С₂Н₄+HCl +0.5 O₂  C₂H₄Cl₂+H₂O.

Енергія розриву зв’язків становить (кДж/моль) для: С–Н - 412, С–Сl - 327, С=С - 613, Сl–Сl - 239, Н–Сl - 427, О=О - 491, С–С - 339, С–Сl - 460.

33.Визначити кількість виділеної теплоти при отриманні 2160 кг/год алілхлориду-сирцю, що містить 82% алілхлориду, 2% 2-хлоропрену-1 і 16% 1,3-дихлоропрену-1, якщо тепловий ефект реакцій утворення становить: для алілхлориду і 2-хлоропрену-1 - 103 кДж/моль, для 1,3-дихлоропрену-1 - 206 кДж/моль.

34.Продуктивність установки отримання етилхлориду рідиннофазним гідрохлоруванням етилену становить 260 кг/год. Тепловий ефект процесу складає 56,2 кДж/моль етилхлориду. Визначити об’ємну витрату теплоносія для відведення виділеної теплоти, якщо теплоємність теплоносія становить 2,86 кДж/(кг·К), густина теплоносія - 1250 кг/м³, а температура теплоносія в процесі теплообміну збільшується на 10 К.

35.Визначити витрату тетрахлоретану, необхідного для відведення теплоти реакції, що виділяється в реакторах-хлораторах при отриманні 5500 кг/год тетрахлоретану, якщо тетрахлоретан нагрівається з 298 К до 358 К, а його питома теплоємність становить 1,49 кДж/(кг•К).

36.У процесі хлорування бензолу на відведення виділеної теплоти витрачається 1,8 т бензолу в розрахунку на 1 т хлорбензолу. Визначити продуктивність установки за хлорбензолом, якщо кількість теплоти, що виноситься з парами бензолу, становить 800 кВт, а теплота його випаровування дорівнює 30,6 кДж/моль.

37.Визначити масову витрату бензолу на установці продуктивністю 3600 кг/год хлорбензолу, якщо масові частки компонентів реакційної маси становлять: бензол - 0,665, хлорбензол - 0,312. Селективність за хлорбензолом становить 94%, кількість теплоти, що виноситься з парами бензолу - 700 кВт, а теплота випаровування бензолу - 391,3 кДж/кг.

38.На установку хлорування подають 18850 кг/год бензолу. Визначити продуктивність установки за хлорбензолом, якщо кількість бензолу в реакційній суміші становить 8700 кг/год, а селективність за хлорбензолом 94%. Кількість теплоти, що виноситься з парами бензолу дорівнює 780 кВт, а теплота випаровування бензолу становить 31 кДж/моль.

39.На установку продуктивністю 3600 кг/год хлорбензолу подають 17,5 т/год бензолу. Визначити селективність за хлорбензолом, якщо кількість бензолу в реакційній суміші 8420 кг/год, кількість теплоти, що знімається бензолом, який випаровується, становить 700 кВт, а теплота випаровування бензолу - 392 кДж/кг.

40.Визначити тепловий ефект хлорування бензолу до хлорбензолу і на підставі отриманих даних розрахувати кількість теплоти, що виділяється при отриманні 3800 кг/год хлорбензолу-сирцю (масова частка хлорбензолу - 0,31), і кількість випаруваного бензолу, якщо теплота випаровування бензолу становить 30,5 кДж/моль. Енергія зв’язків (кДж/моль): для С–Н - 412, для С–Сl - 327, для Н–Сl - 427, для Сl–Сl - 239.

41.У колону синтезу метанолу надходить 150000 м³/год синтез-газу. З колони, при конверсії синтезгазу в метанол 7,42%, виходить газова суміш, з масовою часткою метанолу 0,099. У холодильнику-конденсаторі газова суміш охолоджується від 403 К до 308 К, а пари метанолу конденсуються. Визначити масову витрату води у холодильнику-конденсаторі, якщо температура води зростає на 35 К. Питомі теплоємність газової суміші та води становлять 2,86 кДж/(кг•К) і 4,18 кДж/(кг•К) відповідно, а теплота конденсації парів метанолу 1171 кДж/кг.

42.У насадкову колону синтезу метанолу надходить 170000 м³/год синтез-газу, конверсія якого в метанол складає 7,5%. З колони виходить газова суміш з вмістом метанолу 8%. На виході з каталізаторної коробки 20% від масової витрати газової суміші спрямовують у котел-утилізатор, де вона охолоджується з 663 К до 403 К за рахунок перетворення водяного конденсату в пару з тиском 18,7 МПа. Визначити кількість утвореної водяної пари, якщо теплота пароутворення - 722,6 кДж/кг, а питома теплоємність газової маси - 3,12 кДж/(кг•К).

43.Продуктивність реактора за метанолом складає 408 т/добу. Теплоту, що виділяється (110 кДж/моль), знімають шляхом подачі холодного (байпасного) синтез-газу в реакційну зону. Газ при цьому нагрівається з 328 К до 543 К. Визначити частку байпасного синтез-газу (у % від загальної витрати на вході), якщо питома теплоємність синтез-газу при середній температурі 435,5 К становить 3,14 кДж/(кг•К), а його конверсія в метанол 4,8%.

44.В процесі синтезу метанолу на низькотемпературному каталізаторі виділяється 17•10³ кВт теплоти, яку знімають, подаючи холодний синтезгаз в реакційну зону в кількості 25% від масової витрати синтезгазу на вході в реактор. Визначити добову продуктивність реактора за метанолом, якщо холодний синтезгаз, питома теплоємність якого 3.15 кДж/(кг•К), нагрівається на 212 К, а конверсія до метанолу складає 4.7%.

45.У реактор прямої гідратації етилену до етанолу надходить 12,5 кг/с паро-етиленової суміші, тепловміст якої 830 кДж/кг. У результаті гідратації тепловміст реакційної суміші збільшується до 873 кДж/кг. Визначити продуктивність реактора за етанолом, якщо тепловий ефект процесу 44 кДж/моль. Тепловтратами в апараті знехтувати

46.Об’ємна витрата етилену в реакторі прямої гідратації становить 30000 м³/год, а конверсія етилену за один прохід складає 4,3%. Визначити тепловий ефект і кількість виділеної теплоти якщо теплота утворення етилену - 52,3 кДж/моль, води - 241,84 кДж/моль, етанолу - 235,3 кДж/моль.

47.Продуктивність реактора прямої гідратації етилену 4000 кг/год етанолу. При масовому співвідношенні етилену і водяної пари 2,55/1, конверсія етилену до спирту досягає 4,1%. Утворений газ при 438 К надходить в котел-утилізатор, де за рахунок охолодження паро-газової суміші до 413 К генерується водяна пара з тиском 0,5 МПа. На це витрачається 80% теплового навантаження. Визначити кількість утвореної в котлі-утилізаторі водяної пари, якщо питома теплоємність реакційного газу 2 кДж/(кг•К), а теплота пароутворення 2108,4 кДж/кг.

48.Ізопропанол одержують прямою гідратацією пропілену в реакторі поличкового типу, заповненому сульфокатіонітом. З реактора виходить 8500 кг/год розчину з вмістом ізопропанолу 15%. Процес здійснюють при мольному співвідношенні води і пропілену 15/1, а теплоту, що виділяється (51,5 кДж/моль), відводять шляхом подачі води між шарами каталізатора. Визначити частку води для відведення теплоти (у відсотках від її загальної витрати), якщо конверсія пропілену становить 76%, а селективність процесу за ізопропанолом - 94%. Вода нагрівається на 50К, а її питома теплоємність становить 4,187 кДж/(кг•К).

49.У трубчастий реактор гідрування кротонового альдегіду до н-бутанолу надходить 2300 м³/год водню. При мольному співвідношенні водень/альдегід 11/1 вихід н-бутанолу складає 96,7% у розрахунку на кротоновий альдегід. Теплоту, що виділяється (1840 кДж/кг н-бутанолу), відводять за рахунок перетворення в пару частини (6% від масової витрати) водяного конденсату, що циркулює в міжтрубному просторі реактора. Визначити об’ємну витрату конденсату, якщо теплота його пароутворення становить 2089 кДж/кг, а густина - 907 кг/м³.

50.Гідрування 2-етилгексеналю проводять у рідиннофазному реакторі продуктивністю 3000 кг/год 2-етилгексанолу. В результаті реакції виділяється 180 кДж/моль теплоти, 35% якої відводять за рахунок подачі частини холодного циркуляційного водню на вхід у реактор і в простір між полицями. Холодний водень, об’ємна теплоємність якого складає 1.35 кДж/(м³•К), нагрівається на 180К. Визначити частку холодного водню (у % від його загальної об’ємної витрати), якщо селективність за альдегідом становить 94%, а мольне співвідношення водень/альдегід - 30/1.

51.Гідрування 2-етилгексеналю до 2-етилгексанола здійснюють в газовій фазі в трубчастому реакторі при 0.15 МПа і мольному співвідношенні водень/альдегід - 1,15/1. Теплоту, що виділяється (1385 кДж/кг 2-етилгексанолу), знімають водою, що циркулює в міжтрубному просторі реактора. Витрата води 8 м³/год. У процесі теплообміну температура води підвищується на 50К. Визначити об’ємну витрату водню на вході у реактор, якщо селективність за альдегідом становить 94%. Питома теплоємність води - 4,18 кДж/(кг•К), а - густина - 995 кг/м³.

52.При отриманні гліцерину з епіхлоргідрину і карбонату натрію продуктивність гідролізера першої ступені за гліцерином складає 1100 кг/год. Епіхлоргідрин і карбонат натрію надходять у масовому співвідношенні 1,6/1. Масова частка карбонату натрію в розчині становить 0,13, а селективність гліцерину за епіхлоргідрином складає 70%. Визначити масову витрату водяної пари (теплота пароутворення 2249 кДж/кг) для нагрівання води у гідролізері на 15К та на її випаровування, якщо теплота випаровування води становить 2321 кДж/кг, а її питома теплоємність 4.19 кДж/(кг•К). Прийняти, що вся вода, що надходить з розчином карбонату натрію, випаровується.

53.На установку для виробництва оксиду пропілену надходить 4000 кг/год пропілену в мольному співвідношенні до гідропероксиду етилбензолу 4,1/1. При епоксидуванні виділяється 3612 кДж/кг оксиду пропілену. Теплоту відводять водою, що циркулює у змійовиках реактора, і нагрівається на 30К. Визначити об’ємну витрату води охолодження, якщо її мольна теплоємність становить 75.35 Дж/(моль•К), густина - 997 кг/м³. Конверсія гідропероксиду етилбензолу в першому реакторі складає 40%.

54.Окиснення метанолу до формальдегіду здійснюють на залізо-молібденовому каталізаторі у комбінованому реакторі, що складається з послідовно розташованих трубної частини і адіабатичної секції. В реактор надходить 30560 м³/год газової суміші з об’ємним вмістом метанолу 6,8%. Теплоту, що виділяється (5200 кДж/кг формальдегіду), на 67% використовують для отримання водяної пари у котлі-утилізаторі (теплота пароутворення 1889 кДж/кг) за рахунок циркуляції теплоносія. Визначити кількість утвореної в котлі-утилізаторі водяної пари, якщо конверсія метанолу до формальдегіду становить 96,1%.

55.Тепловий режим роботи реактора підтримують шляхом подачі - водного конденсату [теплоємність 4,18 кДж/(кг•К), теплота випаровування 2260 кДж/кг] у простір між полицями. За рахунок нагрівання конденсату на 45К і наступного його випаровування знімається 29% від загальної кількості виділеної теплоти. Визначити масову витрату конденсату, якщо кількість теплоти, що виділяється в результаті реакції (4255 кДж/кг ацетальдегіду), складає 20% від загального приходу.

56.Ацетальдегід одержують одностадійним рідиннофазним окисненням етилену в барботажному реакторі продуктивністю 8750 кг/год. Визначити об’ємне співвідношення етилен/кисень у суміші на вході в реактор, якщо конверсія етилену за один прохід через реактор становить 40,6%, селективність за ацетальдегідом у розрахунку на етилен становить 95%, а в розрахунку на кисень - 92,5%.

57.Масляні альдегіди одержують оксосинтезом з пропілену за нафтенатно-випарною схемою. Теплоту, що виділяється (1735 кДж/кг альдегідів), знімають з допомогою подвійних трубок (трубки Фільда), у яких циркулює паровий конденсат (12,5 кг/c). У процесі теплообміну температура конденсату зростає на 60К. Визначити об’ємну витрату синтез-газу на вході в колону, якщо він надходить у трикратному надлишку від теоретичного. Питома теплоємність парового конденсату - 4,18 кДж/(кг•К).

58.Масляні альдегіди одержують оксосинтезом з пропілену за нафтенатно-випарною схемою при 403 К у колоні, де 80% виділеної теплоти (1740 кДж/кг альдегідів) знімають шляхом циркуляції продуктів реакції через зовнішній теплообмінник. У колону надходить 8000 м³/год синтез-газу, що в 1000 раз перевищує об’ємну витрату рідкого пропілену (густина 500 кг/м³) на вході. Визначити кількість циркулюючої реакційної суміші, якщо конверсія пропілену в альдегіди становить 80%, а питома теплоємність рециркуляту, що надходить при 318 К складає 3,46 кДж/(кг•К).

59.Оцтову кислоту одержують рідиннофазним окисненням н-бутану в реакторі, де виділена теплота (20900 кДж/кг перетвореного н-бутану) відводиться перегрітою водою, яка циркулює у вбудованих змійовиках. У процесі теплообміну вода - [витрата 90 м³/год, питома теплоємність 4,3 кДж/(кг•К), густина 922 кг/м³], нагрівається на 45К. Визначити об’ємну витрату повітря на вході в реактор, якщо на 1 кг н-бутану подають 4.5 кг повітря, а конверсія н-бутану за один прохід становить 38,4%.

60.Оцтову кислоту одержують карбонілюванням метанолу при 523 К у колоні продуктивністю 1250 кг/год. Частину виділеної теплоти (55%) знімають за рахунок циркуляції реакційної рідини, питома теплоємність якої становить 3 кДж/(кг•К), а початкова температура 333 К. Визначити конверсію метанолу за один прохід через реактор, якщо масова частка метанолу в циркулюючій рідині становить 0,135, тепловий ефект процесу - 4160 кДж/кг перетвореного метанолу, а селективність за оцтовою кислотою в розрахунку на метанол становить 90%.

61.В реактор для рiдиннофазного окиснення надходить 9670 кг/год п-ксилолу. Процес здійснюють при 403 К. Частину виділеної теплоти (12%) відводять шляхом циркуляції 80 м³/год реакційної суміші (густина 1035 кг/м³). Конверсія п-ксилолу в терефталеву кислоту становить 92%. Визначити початкову температуру циркулюючої суміші, якщо в процесі окиснення на 1 кг утвореної терефталевої кислоти виділяється 12470 кДж теплоти, а питома теплоємність циркулюючої суміші становить - 2,65 кДж/(кг•К).

62.Малеїновий ангідрид одержують окисненням н-бутенів у реакторі з псевдозрідженим шаром каталізатора. Частину виділеної теплоти (90%) знімають шляхом випаровування водного конденсату у вбудованих в реактор змійовиках і утворення водяної пари з тиском 10 МПа і теплотою пароутворення 2724,4 кДж/кг. Визначити об’ємну частку бутенів у бутену-повітряній суміші, якщо вихід малеїнового ангідриду за н-бутенами становить 56%, а за киснем - 38%. Тепловий ефект процесу дорівнює 14860 кДж/кг малеїнового ангідриду, кількість утвореної водяної пари - 446 т/добу.

63.Фталевий ангідрид одержують окисненням нафталіну в трубчастому реакторі. На окиснення надходить 13000 м³/год нафталіно-повітряної суміші з мольним співвідношенням кисень/нафталін 27/1. Частину виділеної теплоти (47% від теплового ефекту реакції) знімають за рахунок циркуляції розплаву солі у міжтрубному просторі реактора. Питома теплоємність розплаву становить 1,56 кДж/(кг•К), густина - 1695 кг/м³. Визначити об’ємну витрату розплаву, якщо вихід фталевого ангідриду за нафталіном складає 86%, тепловий ефект процесу - 14800 кДж/кг фталевого ангідриду, а температура розплаву в процесі теплообміну підвищується на 50К.

64.У трубчастий реактор на окиснення о-ксисолу до фталевого ангідриду надходить ксилоло-повітряна суміш з розрахунку 23,5 м³ повітря на 1 кг о-ксилолу. Газоподібні продукти реакції [мольна теплоємність 32,75 Дж/(моль•К), об’ємна частка кисню 0,18] охолоджуються у теплообміннику на 180К пароповітряною сумішшю, що надходить в реактор. Визначити добову продуктивність реактора за фталевим ангідридом, якщо конверсія кисню повітря становить 15,5%, селективність за фталевим ангідридом - 77,5%, а теплове навантаження теплообмінника для охолодження продуктів реакції 8800 кВт.

65.Вінілацетат одержують окиснювальною етерифікацією етилену в трубчастому реакторі. Частину виділеної теплоти (33% від теплового ефекту процесу) знімають у міжтрубному просторі реактора шляхом перетворення 980 кг/год конденсату в водяну пару (теплота пароутворення 2021 кДж/кг). Визначити масову продуктивність реактора за вінілацетатом, якщо тепловий ефект процесу становить 4877 кДж/кг прореагованої оцтовій кислоти, а селективність за вінілацетатом 91%.