Итак, наша цель заполнить таблицу

4. Обратите внимание, без выполнения каких-либо расчетов, мы уже можем заполнить одну ячейку таблицы. А именно, по условиям задачи пропан является инертной примесью (в составе сырья), то есть не принимает участия в химических реакциях. Соответственно, расход/накопление этого компонента в результате химических превращений равен 0.

Очевидно, что в случае, когда в нашей системе присутствуют несколько инертных компонентов, тот же 0 ставим для каждого из них.

Поскольку по условиям изопропанола на Входе у нас нет, в соответствующую ячейку также ставим 0.

5. На данном шаге (при решении учебных задач), исходя из условия, рассчитываем:

- в том случае, если задана пропускная способность установки, то считаем массовый поток реагента (исходного вещества, принимающего участие в химической реакции) на входе в систему;

- в том случае, если задана производительность установки, то считаем массовый поток целевого продукта химического превращения на выходе из системы.

В данной задаче задана производительность установки

50 тонн в сутки пересчитываем в килограммы в час.

Массовый поток изопропанола на выходе:

Обратите внимание: при расчете в размерности кг/ч учитываем один десятичный знак! 2083, 3

Теперь надо занести результат расчета в таблицу.

Почему мы занесли величину производительности по изопропанолу именно в эту ячейку?

Приведу три формулировки, относящиеся к показателю «производительность» из разных учебников:

а) Производительность определяет количество продукта, вырабатываемого в единицу времени;

б) Производительность измеряется количеством продукта, произведенным в единицу времени;

в) Производительность – это количество продукта, производимого в единицу времени.

Любую из этих формулировок можно интерпретировать двояко – относя или ко всему количеству продукта, полученного в результате химической реакции или к тому количеству продукта, которое я назвал «товарным продуктом».

Мы принимаем, что понятие «товарный продукт» и, соответственно, понятие «производительность», относятся к тому количеству продукта химического превращения, которое может быть выделено (сконцентрировано) и использовано для дальнейшей переработки.

6. Исходя из принятой формулировки «производительности» теперь мы должны рассчитать, сколько всего образовалось изопропанола в результате химической реакции.

Очевидно, что производительность (2083,3 кг/ч) мы принимаем за 100 %, и 1 % от производительности это потери.

2083,3 кг/ч - 100 %

х - 1 %

х = 20,8 кг/ч

Заносим эту величину в таблицу материального баланса:

Рассчитываем, сколько всего образовалось изопропанола:

2083,3 + 20,8 = 2104,1 кг/ч

И заносим это значение в таблицу материального баланса.

В столбец «Выход»

И в столбец «расход/накопление в результате химической реакции»

7. На данном этапе решения мы узнали массу (массовый поток) продукта химической реакции, что позволяет нам, используя стехиометрическое массовое соотношение (см. пункт 1), рассчитать массу (массовые потоки) затраченных реагентов.

Для реакции

Составляем две пропорции:

С₃Н₆ 42 кг - С₃Н₇ОН 60 кг

С₃Н₆ х1 кг/ч - С₃Н₇ОН 2104,1 кг/ч

х1 = 1472,9 кг/час

Н₂О 18 кг - С₃Н₇ОН 60 кг

Н₂О х2 кг/ч - С₃Н₇ОН 2104,1 кг/ч

х2 = 631,2 кг/час

Заносим результаты расчета в таблицу материального баланса в столбец «расход/накопление в результате химической реакции». Знак «-», так как это реагенты, которые расходуются в ходе реакции.

8. Далее, зная, что по условиям задачи степень превращения пропилена С₃Н₆ равняется 0,22, находим массовый поток пропилена (чистого пропилена, без примесей) на Входе.

Степень превращения (обозначаем α) характеризует ту часть (долю) исходного вещества (реагента), которая вступила в химические реакции.

Если все вещество химически превращается – степень превращения равна 1, если вообще не вступает в химические реакции – тогда степень превращения равна 0. Все другие возможные варианты – между 0 и 1.

Конверсия, та же степень превращения, но выраженная не в долях 1, а в %.

Составляем пропорцию:

Степень превращения пропилена 0,22 - соответствует 1472,9 кг/час

Количество исходного пропилена 1 - х, кг/час

х = 6695,0 кг/час

Или через формулу:

Заносим полученное значение в таблицу материального баланса

9. Далее, исходя из заданного по условиям задачи состава технического пропилена, можем рассчитать количество пропана. Или, исходя из заданного по условиям задачи молярного соотношения пропилен: вода на входе в систему, рассчитать количество воды на входе.

Рассчитаем количество пропана.

Состав технического пропилена задан в %-объемных, во всех задачах, если Вы встречаете такую размерность для состава, то это газовая смесь.

Расчеты ведем исходя из того, что для газовых смесей (находящихся при любых условиях) %-объемный равен %-молярному (вспомните, что при данной температуре и давлении объем 1 моль газа одинаков для любого газа, для нормальных условий это 22,4 литра/моль).

У нас технический пропилен – это бинарная смесь пропилен + пропан, задаемся количество смеси 100 моль:

100 моль смеси пропилен + пропан

99,8 моль пропилена 0,2 моль пропана

молярная масса пропилена М_С3Н6 = 42 г/моль пропана М_С3Н8 = 44 г/моль

масса 99,8 моль пропилена m_С3Н6 = 99,8×42 = 4191,6 г масса 0,2 моль пропана m_С3Н8 = 0,2×44 = 8,8 г

массовый поток пропилена на входе 6695,0 кг/час массовый поток пропана на входе х кг/час

Итого, имеем пропорцию:

m_С3Н6 4191,6 г m_С3Н8 8,8 г

6695,0 кг/час х кг/час

х = 14,1 кг/час

Заносим полученное число в таблицу материального баланса в столбец «Вход»

И в столбец «Выход»

10. Исходя из заданного по условиям задачи молярного соотношения пропилен: вода, рассчитываем массовый поток воды на Входе.

По условиям задано молярное соотношение «вода-пропилен». К какой «точке» системы это соотношение относится?

Очевидно, что к «Входу», поэтому данное условие можно переформулировать как: молярное соотношение «вода-пропилен» на входе в систему составляет 10 моль воды на 1 моль пропилена.

Или на вход в систему подается на каждый моль пропилена 10 моль воды.

Вариантов решения несколько, но мне представляется удобным сделать переход от молярного соотношения к массовому, объединяя все действия в одну формулу:

Заносим полученное число в таблицу материального баланса.

11. Осталось рассчитать массовые потоки пропилена и воды на Выходе.

По ходу решения задачи понятно, что эти потоки рассчитываются как разница входных потоков этих веществ и количества этих веществ, израсходованного в химической реакции. На данном этапе решения задачи все необходимые значения уже занесены в таблицу материального баланса:

Соответственно массовые потоки пропилена и воды на Выходе:

Заносим полученные значения в таблицу материального баланса

Проверяем правильность расчета исходя из того, что:

А. Сумма массовых потоков на «Входе» и «Выходе» должна быть одинаковой

Б. Сумма чисел в столбце «Расход/накопление в результате химической реакции» с УЧЕТОМ ЗНАКОВ должна равняться 0.

Синим выделил числа, которые суммировал в каждом столбце.

Итого: Имеем расхождение в материальном балансе между Входом и Выходом на уровне 1,0 кг/час при потоке ~ 35 тысяч кг/час. Это порядка 0,003 %. Такая погрешность нас вполне устроит.

Тот раздел задачи, который касается составления материального баланса, выполнен.

Переходим к разделу: «Рассчитать технологические и технико – экономические показатели».

Вам требуется, используя таблицу материального баланса рассчитать несколько показателей, какие будет оговорено ниже по ходу решения задач, приводимых Вам в качестве образца.

Что мы можем рассчитать?

Перечислю:

А. Конверсию реагентов.

Б. Фактический расходный коэффициент по сырью.

(и сравнить с теоретическим расходным коэффициентом).

В. Выход целевого продукта.

А. Конверсия.

Степень превращения пропилена

Степень превращения воды

Б. Фактический расходный коэффициент по сырью.

Отражает расход реагента (кг) на 1 кг продукта (пусть целевого, в данном примере продукт реакции всего один, он же и целевой, там, где несколько продуктов реакции разберитесь, какой именно является целевым).

Отмечу, что иногда фактический расходный коэффициент предлагают считать не на чистое вещество (реагент), а на сырье, в составе которого данный реагент подаётся в систему.

Поскольку материальный баланс всегда отражает «движение» чистого вещества, мне кажется более правильным, считать фактический расходный коэффициент на чистое вещество, а не на сырье!!!.

Рассчитываем расходный коэффициент по пропилену так:

По воде так:

Обратите внимание на то, что масса израсходованного реагента при расчете расходного коэффициента включает не только химические превращения, но и любые потери вещества.

То же самое касается и продукта реакции, для которого рассчитывается расходный коэффициент.

С РАСЧЕТОМ ТЕОРЕТИЧЕСКИИХ РАСХОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗБЕРИТЕСЬ САМИ (ПЕРВАЯ ЛЕКЦИЯ).

В. Выход целевого продукта.

Выход это отношение всего (!!! без учета потерь) фактически полученного количества продукта к максимально возможному количеству этого продукта, которое можно получить по целевой химической реакции.

КАК СЧИТАТЬ, РАЗБЕРИТЕСЬ САМИ (ПЕРВАЯ ЛЕКЦИЯ).

Пример решения задачи 2.

Задача № 2

1. Стехиометрическое массовое соотношение между реагирующими веществами и продуктами для химической реакции

мы рассчитали при решении задачи 1 (см. таблицу ниже).

2. Схематично показываем материальные потоки на входе в систему и на выходе из системы.

По условиям этой задачи у нас потери не продукта реакции, а реагента, что и отражено на схеме. Почему не превращенный пропилен обозначаем как «возвратный»? Полагаю, сумеете ответить сами.

3. Преобразуем схему в таблицу материального баланса.

Таблица 1. Материальный баланс

4. Начинаем заполнять таблицу материального баланса.

По условиям задачи:

- изопропанола на входе в систему нет;

- пропан и азот являются инертными примесями

ставим значение 0 в соответствующие ячейки

5. По условиям задачи задана пропускная способность установки по пропилену, соответственно рассчитываем массовый поток пропилена на входе в систему в размерности кг/час.

30 тонн в сутки пересчитываем в килограммы в час.

Массовый поток пропилена на входе:

Заносим в таблицу материального баланса

6. Потери пропилена составляют 0,5 %-масс. от пропускной способности,

или

1250,0 кг/час пропилена – 100 %

х кг/час пропилена – 0,5 %

х = 6,25 кг/час

Заносим в таблицу материального баланса

7. По заданному объемному составу технического пропилена рассчитываем массовый состав технического пропилена.

Напоминаю, что расчеты ведем исходя из того, что для газовых смесей (находящихся при любых условиях) %-объемный равен %-молярному (смотри решение задачи 1).

У нас технический пропилен – это трехкомпонентная смесь пропилен + пропан + азот, задаемся количество смеси 100 моль:

100 моль смеси пропилен + пропан + азот

98,0 моль пропилена 1,0 моль пропана

молярная масса пропилена М_С3Н6 = 42 г/моль молярная масса пропана М_С3Н8 = 44 г/моль

масса 98,0 моль пропилена m_С3Н6 = 98×42 = 4116 г масса 1,0 моль пропана m_С3Н8 = 1×44 = 44 г

массовый поток пропилена на входе 1250,0 кг/час массовый поток пропана на входе х₁ кг/час

1,0 моль азота

молярная масса азота M_N2 = 28 г/моль

масса 1,0 моль азота m_N2 = 1×28 = 28 г

массовый поток азота на входе х₂ кг/час

Итого, имеем 2 пропорции:

первая

m_С3Н6 4116,0 г m_С3Н8 44,0 г

1250,0 кг/час х₁ кг/час

х₁ = 13,4 кг/час

вторая

m_С3Н6 4116,0 г m_N2 = 28,0 г

1250,0 кг/час х₂ кг/час

х₂ = 8,5 кг/час

Заносим в таблицу материального баланса

8. В задаче оговаривается молярное соотношение вода: пропилен (напоминаю, что это условие относится ко «Входу» в систему) как 15 моль воды на 1 моль пропилена.

Как и при решении задачи 1 выводим общую формулу:

Заносим в таблицу материального баланса

9. По условиям задачи нам дана степень превращения воды, которая позволяет нам рассчитать количество воды вступившей в химическую реакцию.

Как видно, масса превращенной воды составляет

Заносим в таблицу материального баланса

Рассчитываем массовый поток воды на выходе

И заносим полученное значение в таблицу материального баланса

10. На данном этапе решения мы узнали массу (массовый поток) реагента (воды), вступившего в химическую реакцию, что позволяет нам, используя стехиометрическое массовое соотношение, рассчитать массу (массовые потоки) затраченного пропилена и образовавшегося изопропанола.

Для реакции

Составляем две пропорции:

Н₂О 18 кг - С₃Н₆ 42 кг

Н₂О 401,8 кг/ч - С₃Н₆ х₁ кг/ч

х₁ = 937,5 кг/час

Н₂О 18 кг - С₃Н₇ОН 60 кг

Н₂О 401,8 кг/ч - С₃Н₇ОН х₂ кг/ч

х₂ = 1339,3 кг/час

Заносим полученные значения в таблицу материального баланса

11. Рассчитываем количество непревращенного (не вступившего в химическую реакцию) пропилена как

И количество возвратного пропилена как

Заносим полученные значения в таблицу материального баланса

Проверяем правильность расчета исходя из того, что:

А. Сумма массовых потоков на «Входе» и «Выходе» должна быть одинаковой

Б. Сумма чисел в столбце «Расход/накопление в результате химической реакции» с УЧЕТОМ ЗНАКОВ должна равняться 0.

Синим выделил числа, которые суммировал в каждом столбце.

Итого: Имеем расхождение в материальном балансе между Входом и Выходом 0,0 кг/час. Тот раздел задачи, который касается составления материального баланса, выполнен.

Переходим к разделу: «Рассчитать технологические и технико – экономические показатели».

Вам требуется, используя таблицу материального баланса рассчитать несколько показателей, какие будет оговорено ниже по ходу решения задач, приводимых Вам в качестве образца.

Что мы можем рассчитать?

Перечислю:

А. Конверсию реагентов.

Б. Фактический расходный коэффициент по сырью.

(и сравнить с теоретическим расходным коэффициентом).

В. Выход целевого продукта.

А. Конверсия.

Степень превращения пропилена

Степень превращения воды

Б. Фактический расходный коэффициент по сырью.

Отражает расход реагента (кг) на 1 кг продукта (пусть целевого, в данном примере продукт реакции всего один, он же и целевой, там, где несколько продуктов реакции разберитесь, какой именно является целевым).

Отмечу, что иногда фактический расходный коэффициент предлагают считать не чистое вещество (реагент), а на сырье, в составе которого данный реагент подаётся в систему.

Поскольку материальный баланс всегда отражает «движение» чистого вещества, мне кажется более правильным, считать фактический расходный коэффициент на чистое вещество, а не на сырье!!!.

Рассчитываем расходный коэффициент по пропилену так:

По воде так:

Обратите внимание на то, что масса израсходованного реагента при расчете расходного коэффициента включает не только химические превращения, но и любые потери вещества.

То же самое касается и продукта реакции, для которого рассчитывается расходный коэффициент.

С РАСЧЕТОМ ТЕОРЕТИЧЕСКИИХ РАСХОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗБЕРИТЕСЬ САМИ (ПЕРВАЯ ЛЕКЦИЯ).

В. Выход целевого продукта.

Выход это отношение всего (!!! без учета потерь) фактически полученного количества продукта к максимально возможному количеству этого продукта, которое можно получить по целевой химической реакции.

КАК СЧИТАТЬ, РАЗБЕРИТЕСЬ САМИ (ПЕРВАЯ ЛЕКЦИЯ).