Пример 1.

Определить плотность синтез-газа при 300 °С и 10 МПа, если объемное соотношение оксида углерода и водорода равно 2:1. Для решения воспользоваться уравнением Беатти — Бриджмена. Постоянные для СО: А₀= 1,3445, а=0,02617, В₀ = 0,05046, 6 = — 0,00691, с = 420000; для Н₂: А₀ = 0,1975, а = —0,00506, В₀= 0,02096, b = —0,04359, с=504.

Решение. Мольные доли в смеси: для СО 0,67, для Н₂ 0,33. Постоянные для смеси:

= 0,8530

а_см = 0,67 · 0,02617 — 0,33 · 0,00506 = 0,01586

B = 0,67 · 0,05046 + 0,33 · 0,02096 = 0,04073

b_см= —0,67 · 0,00691 —0,33 · 0,04359 = —0,01901

с_см = 0,67 · 420000 + 0,33 · 504 = 281566,32

Подставляя значения параметров и постоянных в уравнение, по­лучим:

Решение этого уравнения методом подбора дает V=0,515 м³/кмоль.

Средняя мольная масса смеси:

М_сР = 0,67 · 28 + 0,33 · 2 = 19,42 кг/кмоль

Плотность смеси:

= 19,42 : 0,515 = 37,71 кг/м³

Для сравнения: плотность жидкого водорода при 20 К равна 71 кг/м³, а плотность жидкого оксида углерода при 80 К равна 803 кг/м³.

Основные показатели стадии химического превращения

Пример 2.

Пиролизу подвергли 1500 м³ метана. Степень кон­версии метана равна 60%, масса ацетилена в продуктах пиролиза составляет 400 кг. Определить селективность процесса.

Решение. Уравнение реакции:

2СН₄ → С₂Н₂ + 3 Н₂

2·22,4 м³ 26 кг 3·2 кг

Объем превращенного метана:

1500 · 0,6 = 900 м³

Теоретически возможную массу ацетилена (в расчете на превра­щенный метан) определяют, исходя из стехиометрических соотно­шений по пропорции:

2·22,4 м³ СН₄ — 26 кг С₂Н₂

900 м³ СН₄ — m кг С₂Н₂

Откуда

кг С₂Н₂

Селективность процесса:

400 : 522 = 0,766 или 76,6%

Пример3.

Выход этилхлорида, получаемого гидрохлорированием этилена, составляет 90% от теоретического. Определить объем этиленовой фракции, если объемная доля этилена в ней равна 90%, необходимый для получения 810 кг этилхлорида.

Решение. Уравнение реакции:

С₂Н₄ + НС1→C₂H₅Cl

22,4 м⁸ 36,5 кг 64,5 кг

Максимально возможную (теоретическую) массу этилхлорида определяют с учетом выхода продукта:

810 : 0,9 = 900 кг С₂Н₆С1

Объем этилена исходя из стехиометрических соотношений:

22,4 · 900 : 64,5=312,6 м³ С₂Н₄

Объем этиленовой фракции:

312,6 : 0,9 = 347,3 м³

ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Пример 4.

Производительность реактора дегидрирования н-бутана до н-бутенов составляет 17400 кг целевого продукта в час. Процесс проводят при 600 °С, и в этих условиях степень конверсии н-бутана равна 30%, а селективность по н-бутенам составляет 75%. Определить вместимость реактора, приняв для расчета константы скорости формулу:

Решение. Уравнение реакции:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ ↔ СН₂=СН-СН₂-СН₃ + Н₂

58 кг (22,4 м³) 56 кг 2 кг

Расход н-бутана для проведения процесса:

теоретический (17400·22,4)/56 = 6960 м³/ч

фактический (( 6960·100)/30)·(100/75) = 30933 м³/ч,

или 30933 : 3600 = 8,6 м³/с

Константа скорости:

Предполагая, что дегидрирование н-бутана протекает по уравнению первого порядка, определим время пребывания реагирующих газов в зоне контакта:

Вместимость реактора:

Пример 5.

Акрилонитрил получают окислительным аммонолизом пропилена в псевдоожиженном слое катализатора. В реактор, производительность которого по целевому продукту равна 5600 кг/ч, поступает газовая смесь, объемная доля пропилена в которой 8%. При 450°С степень конверсии пропилена равна 60%, а селективность по акрилонитрилу составляет 75%. Определить объем катализатора в реакторе, приняв для расчета константы скорости такую формулу:

Решение. Уравнение реакции:

СН₂ =СН—СН₃ + NH₃ + 1,5 О₂ → СН₂ = CHCN + 3 Н₂0

42 кг (22,4 м³) 17 кг 15·32 кг 53 кг 3·18 кг

Расход пропилена на проведение процесса:

Теоретический 5600

Фактический

Объемный расход газовой смеси на входе в реактор:

Определение константы скорости:

k = 2,8 · 10⁵ · 2,72^{-80000//8,314(450+273)} =

= 2,8·105 ·2,72^13,3=2,8· 10⁵·0,2 · 10^-5 = 0,56 с^-1

где R=8,314 кДж/(моль·К), а е=2,72.

При соотношении исходных веществ С₃Н₆ : NН₃ : О₂ : Н₂0, равном 1:0,7:1,7:3, реакция окислительного аммонолиза имеет первый порядок по пропилену, а по кислороду и аммиаку — нулевой.

Формула для расчета времени прерывания веществ в реакцион­ной зоне:

Объем катализатора в реакторе:

18,3·1,65 = 30 м³

Пример 6.

Время пребывания углеводородов при получении аце­тилена электрокрекингом равно 0,001 с, объемный расход газов пиролиза равен 25500 м³/ч, скорость газов в реакционной камере составляет 900 м/с. Определить площадь сечения, высоту и объем реакционной камеры электродугового реактора.

Решение. Секундная объемная производительность реактора (по газам электрокрекинга):

25500:3600 = 7,08 м³/с

Объем реакционной камеры:

7,08·0,001= 0,0071 м³

Площадь сечения реакционной камеры:

7,08 : 900 = 0,0079 м²

Высота реакционной камеры:

0,0071 : 0,0079 = 0,9 м или 900 · 0,001 = 0,9 м

Пример 7.

Объемная скорость подачи этилена в реактор пря­мой гидратации равна 1900 ч^-1, а объемный расход этилена состав­ляет 22000 м³/ч. Определить объем катализатора, необходимый для проведения процесса.

Решение. Объем катализатора:

22 000 : 1900 = 11,6 м³

Пример 8.

Производительность реактора окисления метанола составляет 3500 кг формалина в час; массовая доля формальдегида в нем равна 37%. Диаметр сечения аппарата 1,4 м, высота слоя контактной массы 75 мм. Определить производительность 1 кг и 1 л контактной массы. Насыпная плотность катализатора равна 300 кг/к³.

Решение. Производительность реактора по целевому продукту — формальдегиду:

3500·0,37 = 1295 кг/ч

Объем катализатора в реакторе

0,785 (1,4)² *0,075 = 0,115 м³ или 115 л

Производительность 1 л катализатора:

1295 : 115 = 11,3 кг/(л·ч)

Масса катализатора в реакторе:

0,115·600 = 69 кг

Производительность 1 кг катализатора:

1295:69=18,8 кг/(кг·ч)

ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Пример 9.

Производительность реактора газофазной гидратации ацетилена равна 35000кг ацетальдегида в час. Определить тепловой эффект реакции и массовый расход водного конденсата, даваемого в межтрубное пространство реактора для снятия выделяющегося тепла за счет испарения воды. Теплота парообразования воды равна 2262 кДж/кг. Теплоты образования реагентов и продуктов реакции: для ацетилена — 226,75 кДж/моль, для воды 241,84 кДж/моль, для ацетальдегида 166,0 кДж/моль.

Решение. Уравнение реакции:

СН СН + Н₂0→СН₃–СНО + Q

Тепловой эффект реакции:

—∆Н°₂₉₈ = 166- (-226,75+ 241,84) = 150,9 кДж/моль

Количество выделяющейся теплоты в расчете на секундную производительность реактора (тепловой поток):

Массовый расход водного конденсата:

33300 : 2262 = 14,7 кг/с или 14,7·3600 = 52920 кг/ч