Определение основных ТЭП

Пример 1. Определите расходные коэффициенты в
производстве карбида кальция, содержащего 90%
СаС₂ если сырье — антрацит марки АК с содержанием
углерода 96%, известь (негашеная) с содержанием СaО 85%.

Решение. Карбид кальция получают по реакции
выражаемой уравнением:

СаО + ЗС = СаС₂ + СО,

Мг (СаС₂)=64; Мг (СаО)= 56в; Аг(С)=12.

По условию в 1 т продукта содержится 900 кг СаС₂.

Определим сколько оксида кальция требуется на образование 900 кг СаС₂:

Ат =

кг

С учетом чистоты СаО рассчитаем практический расходный коэффициент по извести:

Апр =

кг

Находим, сколько углерода требуется на образование
СаС₂:

Ат2 =

кг

Определяем расходный коэффициент по антрациту:

Апр2 =

кг

Пример 2. Рассчитайте теоретический расходный коэффициент 18%-ного раствора едкого натра для мер­серизации 1 т целлюлозы, содержащей 5% влаги и 4% примесей.

Решение. Процесс мерсеризации целлюлозы мож­но выразить уравнением реакции:

[C₆H₇О₂(OH)₃]n + nNaOH→[C₆H₇O₂(OH)₂OH∙NaOH]_n

М_г целлюлозы = n∙162; М_гедкого натра = 40, Найдем, сколько чистого гидроксида натрия потребуется на мер­серизацию 0,91 т целлюлозы:

Ат =

т

18%-ного раствора требуется:

0,225/0,18 = 1,248 т.

Пример 3. Рассчитайте выход этилового спирта на пропущенный этилен при условии многократной цирку­ляции этилена, если практический расходный, коэффи­циент этилена 0,69 т на 1 т этилового спирта.

Решение. Этиловый спирт получается при взаи­модействии этилена с водой:

С₂Н₄+Н₂О↔С₂Н₅ОН

Молекулярные массы:

М_г (С₂Н₄)= 28; М_г (С₂Н₅ОН)=46.

Теоретический выход этилового спирта из 690 кг этилена:

m_T=

Практическая масса этанола m_практ=1000кг. Находим практический выход этилового спирта:

ή

5.2. Расчёт материальных балансов

Пример 1. Составьте материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком на 1т нитра­та аммония, (аммиачной селитры). Концентрация азот­ной кислоты 55%, газообразного аммиака—100%, нитрата аммония—85%. Потери-аммиака и азотной кислоты—1%.

Решение. Нитрат аммония получают по реакции нейтрализации:

NH₃.+ HNO_s=NH4NO3 + Q_P.

Молекулярные массы M_r(NH3)=17, M_r(HNO3)=63, M_r(NH4NO3)=80

Рассчитываем приход. В. соответствии с уравнением 1а на 1 кмоль NH₃ образуется 1 кмоль NH₄N0₃. Масса аммиака, необходимая для производства 1 т NH₄NO₃ (100%):

A_T

С учетом потерь производства:

A_пр=212,5·1,01=214,6 (кг)

Определяем массу азотной кислоты (100%-ной), необходимой для производства 1т NH₄NO₃ (A_T):

А_Т

Определяем А_пр-массу азотной кислоты с учетом потерь производства и концентрации HNO₃:

А_пр=

С азотной кислотой поступает вода:

1446,2-795,4=640,8(кг)

Общая масса реагентов, поступивших на нейтрализацию:

214,6+1446,2=1660,8(кг)

Определяем расход 85%-ного раствора нитрата аммония, получается:

1000:0,85=1176,47(кг).

Потери HN₃ составляют:

795,-787,5=7,9(кг)

Масса испарившейся воды (соковый пар) составляет:

1660,8-(1176,47+2,1+7,9)=474,33(кг)

Результаты расчётов сведены в таблицу.

Таблица 2

Материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком

Пример 2. Составьте упрощенный материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена. Состав исходной парогазовой смеси (в % по объёму): этилен – 60, водяной пар – 40. Степень гидратации этилена – 5%.Расчет вести на 1 т этилового спирта. Побочные реакции и давление не учитывать.

Решение. Получение этилового спирта прямой гидратацией этилена осуществляется при температуре 560К и давлении 80·10⁵Па по реакции, протекающей по уравнению

CH₂=CH₂+H₂O↔C₂H₅OH+Q_р

Молекулярные массы: M_r(C2H4)=28, M_r(H2O)=18, M_r(C2H5OH)=46

Приход. Определяем теоретический расход этилена:

А_Т

Тогда практический расчёт этилена с учетом степени превращений составит:

608,7:0,05=12174(кг) или (м³).

Находим объём водяного пара в парогазовой смеси:

(м³) или (кг)

Расход. Определяем, сколько водяного пара израсходовано на гидратацию:

9739,3·0,05=486,97(м³)

Находим избыток водяного пара (проскок):

6492,8-486,97=6005,8 (м³) или (кг)

Рассчитываем массу непрореагировавшего этилена:

12174-608,7=11565,3 (кг) или (м³).

Полученный данные сводим в таблицу.

Таблица 3

Материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена

5.3.Расчёт тепловых балансов

Пример 1. Один из методов получения ацетилена – термоокислительный крекинг (пиролиз) метана. Вычислите стандартную теплоту этой реакции при температуре 298К.

Решение. Схема реакции термоокислительного пиролиза метана:

11CH₄+5O₂→2C₂H₂+6CO+18H₂+CO₂+2H₂O

Рассчитаем ΔН реакции пиролиза. Энтальпию образования вещества, участвующих в реакции, найдём в таблицах.

ΔН^○ кДж/моль: CH₄-(-74,85); C₂H₂-226,75; CO – (-110,5); CO₂-(-393,51); H₂O - (-241,84); O₂ – 0; H₂ – 0.

ΔН _р= 2 • 226,75+6 (—110,5) + (—393,51) + 2(—241,84)—11(—74,85)=

= -263,34 (кДж/Моль).

Так как ΔН= - Q_р , Q_р=263,34 кДж/моль.

Пример 2. Рассчитайте теплоту, выделяющуюся при образовании 100 кг метилового спирта из СО и Н₂. Энтальпия образования (в кДж/кмоль) составляет: СО - 110 583; Н₂ — 0, метилового спирта — 201 456.

Решение. Образование метилового спирта из СО и Н₂ протекает по реакции, выражаемой уравнением:

СО + 2H₂↔СН₃ОН + Q_р,

где Q_p — тепловой эффект реакции.

Так как Q_P= -ΔН,

где ΔН — энтальпия реакции синтеза метанола, рассчи­таем ΔН:

ΔН = -201455- (- 110683) = -90772 (кДж/кмоль).

Таким образом, Q_p=90772 кДж/кмоль.

Рассчитаем теплоту, выделяющуюся при образова­нии 100 кг метилового спирта:

Q= (кДж)

Где 32 – молекулярная масса метилового спирта в кг.

Составьте тепловой баланс реактора син­теза этилового спирта, где протекает реакция

СН₂=СН₂ + Н₂О↔ С₂Н₅ОН + Q_p (Q_p=46090 кДж/кмоль),

если исходный газ имеет состав: 40%. Н₂О и 60% С₂Н₄, скорость его подачи в реактор-гидрататор 2000 м³/ч, температура на входе 563K, а на выходе из реактора 614К, конверсия за проход этилена 5%. Теп­лоемкость продуктов на входе и выходе одинакова и равна 27,1 кДж/кмоль. Побочные процессы и продукты не учитывать. Потери теплоты в окружающую среду принимаем 3% от прихода теплоты.

Решение. Находим состав исходного газа:

V(C₂H₄)=2000*0,6= 1200 м³;

V(H₂О)=800-1200*0,05=740 м³;

Определяем состав газа на выходе из реактора:

V(C₂H₄)=1200-1200*0,05= 1140 м³;

V(H₂О)=800-1200*0,05=740 м³;

V(C₂H₅ОН)= 1200*0,05=60 м³.

Находим суммарный объем газа (на выходе из реакто­ра):

V= 1140+740+60=1940 м³.

Тепловой баланс: Q₁+Q₂=Q₃+Q₄

Рассчитываем приход теплоты. Физическая теплота
газа:

Q₁=2000/22,4*27,1*290 = 701696,5 кДж.

Теплота реакции:

Q₂=2000/22,4*0,6*46090*0,05=123460 кДж.

___________

Всего: ∑Q_{прихода}=825156,5 кДж.

Определяем расход теплоты. Теплота, уносимая отходящими газами:

Q₃=1940/22,4*27,1*341 = 800345,4 кДж.

Q₄=825156,5*0,03 = 24754,7 кДж.

___________

Всего: ∑Q_{расхода}=825100,1 кДж.

Процесс идет с небольшим выделением теплоты.