Основы химической технологии

Министерство по образованию и науке РФ

Бийский технологический институт

(Филиал государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования)

"Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова" (БТИ Алт ГТУ)

Кафедра ТГВ ПАХТ

Контрольная работа

по курсу "Общая химическая технология"

Выполнила:

студентка группы ХТПК – 71

Диго Т.А.

Проверил:

доцент, к. т. н. Багров Г.В.

2010

Задача 1

Составить материальный баланс нитратора, производительностью 3 т/ч нитробензола. Выход нитробензола 98% от теоретического. Состав нитрующей смеси [%(мас)]: HNO3 – 20, H2SO4 – 60, H2O – 20. Расход нитруюшей смеси 4 кг на 1 кг бензола: С6Н6+НNI3=C6H5-NO2+H2O

1 Изобразим процесс на схеме

Рисунок 1- Схема входящих и выходящих материальных потоков

Определим молекулярные массы веществ

µ(С6Н6) = 78 кг/кмоль; µ(C6H5-NO2) = 125 кг/кмоль; µ(HNO3) = 63 кг/кмоль; µ(H2O) = 18 кг/кмоль.

Составим приходную часть материального баланса

3.1 Определим количество бензола необходимого для получения 3000 кг/ч C6H5-NO2

76 – 123

х – 3000

х = G С6Н6 теор = (3000*78)/123 = 1902 кг/ч

G С6Н6 действ = С6Н6 / 0,98

G С6Н6 действ = 1902 / 0,98= 1941 кг/ч

3.2 Определим количество нитрующей смеси

Gнитр смеси = 4 * G С6Н6 действ

Gнитр смеси = 4 * 1941= 7764 кг/ч

3.3 Определим количество азотной кислоты

G HNO3 вх = 0,2 * Gнитр смеси

G HNO3 вх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч

3.4 Определим количество воды на входе

G H2O вх = 0,2 * Gнитр смеси

G H2O вх = 0,2 * 7764 = 1553 кг/ч

3.5 Определим количество серной кислоты

G H2SO4 вх = 0,6 * Gнитр смеси

G H2SO4 вх = 0,6 * 7764 = 4659 кг/ч

4 Составим расходную часть материального баланса

4.1 Определим количество бензола

G С6Н6 вых = G С6Н6 теор – G С6Н6 действ

G С6Н6 вых = 1941 – 1902 = 39 кг/ч

4.2 Определим количество азотной кислоты

G HNO3 вых = G HNO3 вх – G HNO3 хр

63 – 123

х – 3000

х = G HNO3 хр = 63 * 3000/123 = 1537 кг/ч

G HNO3 вых = 1553 – 1537 = 16 кг/ч

4.3 Определим количество воды

G Н2О вых = G Н2О вх + G Н2О хр

18 – 123

х – 3000

х = G Н2О хр = 18*3000/123 = 439 кг/ч

4.4 Определим количество серной кислоты

Серная кислота выступает в качестве водоотнимающего средства. Следовательно,

G Н2SO4 вых = G Н2SO4 вх

G Н2SO4 вых = 4659 кг/ч

5 Составим итоговую таблицу

Таблица 1 – Итоговый баланс нитратора

Потоки	Приход, кг/ч	Расход, кг/ч
С6Н6	1941	39
HNO3	1553	16
H2O	1553	1992
H2SO4	4659	4659
C6H5-NO2	-	3000
Итого	9706	9706

Задача 2

Рассчитать материальный баланс нейтрализатора для получения аммиачной селитры, производительностью 20 т/ч. В производстве применяется 47% азотная кислота HNO3 и 100% газообразный аммиак NH3. Потеря HNO3 и NH3 в производстве составляет 1% от теоретически необходимого количества, для обеспечения заданной производительности. Из нейтрализатора аммиачная селитра составляет 60% раствора NH4NO3 в воде. Определить количество влаги, испарившейся в результате экзотермической реакции нейтрализатора.

1 Изобразим процесс на схеме

Рисунок 2- Схема входящих и выходящих материальных потоков

2 Определим молекулярные массы веществ

µ(NH4NO3) = 80 кг/кмоль; µ(NH3) = 17 кг/кмоль; µ(HNO3) = 63 кг/кмоль; µ(H2O) = 18 кг/кмоль.

3 Составим приходную часть материального баланса

3.1 Определим количество аммиака, необходимого для получения аммиачной селитры

17 - 80

х – 20000

х = GNH3 хр = 17*20000/80 = 4250 кг/ч

GNH3 вх = GNH3 хр/0,99 = 4293 кг/ч

3.2 Определим количество азотной кислоты

63 – 80

х – 20000

х = GHNO3 хр = 63*20000/80 = 15750 кг/ч

GHNO3 вх = GHNO3 хр/0,99 = 15909 кг/ч

3.3 Определим количество воды

15909 – 0,47

х – 0,53

х = GH2O хр = 15909*0,53/0,47 = 17740 кг/ч

4 Составим расходную часть материального баланса

4.1 Определим количество азотной кислоты

G HNO3 вых = G HNO3 вх – G HNO3 хр

G HNO3 вых = 15909 – 15750 = 159 кг/ч

4.2 Определим количество аммиака

G NH3 вых = G NH3 вх - G NH3 хр

G NH3 вых = 4293 – 4250 = 43 кг/ч

4.3 Определим количество воды

20000 – 0,6; х – 0,4; х = GH2O вх = 20000*0,4/0,6 = 13333 кг/ч

GH2O вых = GH2O хр - GH2O вх

GH2Oвых = 17740 – 13333 = 4407 кг/ч

5 Составим итоговую таблицу

Таблица 2 – Итоговый баланс нейтрализатора

Потоки	Приход, кг/ч	Расход, кг/ч
NH3	4293	43
HNO3	15909	159
H2O	17740	13333
H2Oпар	-	4407
NH4NO3	-	20000
Итого	37942	37942

Задача 3

Составить материальный баланс контактного аппарата для каталитического окисления SO2 в SO3 производительностью 10 000 м3/ч исходного газа следующего состава [%(об.)]: SO2-8,5; О2-12,5; N2-79 . Степень окисления SO2 в SO3 составляет 98%

(SO2+1/2О2 SO3).

1 Изобразим процесс на схеме

Рисунок 3 - Схема входящих и выходящих потоков в контактном аппарате

2 Определим молекулярные массы веществ

µ(SO2) = 64,06 г/моль; µ(О2) = 32 г/моль; µ(SO3) = 80,06 г/моль; µ(N2) = 28 г/моль.

3 Составим приходную часть материального баланса

3.1 Определим количество SO2 на входе

м3/ч (0,236 м3/с)

кг/ч (0,675 кг/с)

3.2 Определим количество O2 на входе

;

м3/ч (0,347 м3/с);

;

кг/ч (0,496 кг/с);

3.3 Определим количество N2 на входе

;

м3/ч (2,194 м3/с);

;

кг/ч (2,743 кг/с)

4 Составим расходную часть материального баланса

4.1 Определим количество SO2 на выходе

;

м3/ч (0,005 м3/с);

;

кг/ч (0,014 кг/с)

4.2 Определим количество SO3 на выходе

;

м3/ч (0,231 м3/с);

;

кг/ч (0,827 кг/с)

4.3 Определим количество O2 на выходе

;;

м3/ч (0,116 м3/с),

м3/ч (0,232 м3/с);

; кг/ч (0,331 кг/с)

4.4 Определим количество N2 на выходе

Так, как азот присутствует в исходном газе в качестве балласта, то его количество в ходе химической реакции не меняется.

5 Сведём данные по расчётам в таблицу:

Таблица 3 - Итоговый баланс контактного аппарата

Потоки	Приход, кг/ч	Расход, кг/ч	Приход, м3/ч	Расход, м3/ч
SO3	-	2977	-	833
SO2	2431	49	850	17
O2	1786	1191	1250	834
N2	9875	9875	7900	7900
Итого	14092	14092	10000	9584

Так, как реакция протекает с уменьшением объёма, то объёмные расходы отличаются, а массовые совпадают.

Задача 4

Добавим к предыдущей задаче следующие условия:

Температура газовой смеси на входе в аппарат , а на выходе из него . Средняя теплоёмкость смеси (условно считать постоянной) равна 2,052 .

Потери теплоты в окружающую среду составляют 5% от прихода теплоты

(SO2+1/2О2 SO3+94207 кДж)

Определить количество теплоты, отводимой от аппарата.

1 Изобразим процесс на схеме:

Q1 – теплота, вносимая в контактный аппарат реакционной смесью; Q2 – теплота химической реакции; Q3 – теплота, выводимая из контактного аппарата реакционной смесью; Q4-потери теплоты в окружающую среду; Q5- количество теплоты, отводимое в аппарате

Рисунок 4 - Схема входящих и выходящих потоков в контактном аппарате

2 Определим Q1

;

кВт

3 Определим Q2

где n-число молей полученного SO3

973 кВт

4 Определим Q3

;

3168 кВт

5 Определим Q4

;

180 кВт

6 Определим Q5:

;

кВт

7 Сведём данные по расчётам в таблицу

Таблица 4 – Приход теплоты в контактном аппарате

Потоки	кВт	%
Q1	2622	73
Q2	973	27
Итого	3595	100

Таблица 5 – Расход теплоты в контактном аппарате

Потоки	кВт	%
Q3	3168	88
Q4	180	5
Q5	247	7
Итого	3595	100

Задача 5

В реакторе протекает реакция: : А+В R . Определить степень превращения ХА и ХВ, при условии А и В взяты в стехиометрическом соотношении; если вещества В в 2 раза больше ( то есть 2 моля вещества на 1 моль вещества А); если вещества В в 3 раза больше.

1 Определим степень превращения, если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении

Принимаем: моль, моль

По условию известно, что

Можно определить степень превращения вещества А:

;

Поскольку вещества А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то ,

Можно определить степень превращения вещества В:

;

2 Определим если в 2 раза больше

По условию известно, что ,

Можно определить степень превращения вещества А:

Поскольку реагирует половина вещества А, то

Можно определить степень превращения вещества В:

3 Определим если в 3 раза больше

По условию известно, что ,

Можно определить степень превращения вещества А:

Поскольку реагирует половина вещества А, то

Можно определить степень превращения вещества В:

Задача 6

Определить состав смеси и степень превращения для реакции: А+2В 2R+S. Если ;;. Определить

1 Степень превращения реагента В можно определить следующим образом:

;

2 Концентрацию реагента А можно определить следующим образом:

3 Концентрацию реагента В можно определить следующим образом:

4 Из стехиометрических коэффициентов определим :

Задача 7

Определить Х SO2 в реакции 2SO2 + O2 → 2SO3, если реакционная смесь имеет состав в начале процесса [% (об.)]: С SO2-7,5; С O2-10,3; С N2-82,2. Содержание SO2 в конце процесса равна 2,5% об.

Замечание:

реакция протекает с уменьшением объема, следовательно, необходимо учитывать - относительное изменение объема реакционной смеси.

формализуем задачу, т.е. переведем ее в привычные понятия:

аА+вВrR,

где а=2 в=1 r=2

СА.0=7,5% об. СА.е=2,5% об. СВ.0=10,3% об.

реагенты взяты не в стехиометрическом соотношении, т.е. О2 в избытке.

в реакционной смеси присутствует балластный азот, т.е. для окисления используется О2 воздуха.

1 Определим относительные изменения объема

где - первоначальный объем смеси

- объем смеси в конце реакции.

Отношение определим по формуле [2,с.22]:

где β – доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси.

В нашем случае

2 Определим равновесные степени превращения по формуле [2, с.22]:

;

Задача 8

В реакторе протекает реакция: А+2В 2R+S. Начальные количества ; . В реакционной смеси, выходящей из реактора . Известно, что в равновесной смеси содержится . Определить выход продукта .

1 Выход продукта можно определить из следующего соотношения:

2 Степень превращения реагента А можно определить следующим образом:

;

3 Равновесную степень превращения реагента А можно определить из выражения:

;

4 Определим выход продукта:

Задача 9

Определить необходимое время пребывания τ в РИС-П для достижения ХА = 0,9.В реакторе проводится изотермическая необратимая реакция второго порядка, реактор заполнен частично веществом А, мольная масса 110кг/кмоль, плотность исходного раствора и продукта 1100кг/м3 и1320кг/м3, константа химической реакции К =0,8м3/моль ч.

Задачу решаем двумя способами без учета плотности и с учетом плотности.

1 Определим τрис-п без учета изменений плотности:

1.1 Изобразим схему расчета: