Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ ПО ОХТ № 5
Расчет материального баланса сложно-последовательных
(консекутивных) реакций
Сложно-последовательным называется процесс, описываемый следующей системой уравнений:
А + В С + D
С + R G
или
А + В S + D
S + R C
C целевой продукт;
S промежуточный продукт;
D, G побочные продукты.
При составлении материального баланса сложно-последовательного процесса проводят расчет по уравнению всех реакций в строго определенной последовательности. Существует два алгоритма расчета:
1) Исходя из заданной пропускной способности установки (т.е. при известном количестве реагентов) сначала проводят расчет по первой реакции, а затем, определив количество вещества, участвующего во второй реакции - расчет по уравнению второй реакции;
2) Исходя из заданной производительности (т.е. при известном количестве продуктов) расчет начинают со второй реакции, а затем, определив количество вещества, образовавшегося в первой реакции, проводят расчет по уравнению первой реакции.
З А Д А Ч А
Рассмотрим процесс получения кальцинированной соды аммиачным способом. В основе процесса лежат следующие реакции:
1) NaCl + NН3 + H2O + CO2 NaHCO3 + NH4Cl
58,5 17 18 44 84 53,5
2) 2 NaHCO3 Na2СO3 + CO2 + H2O
84 106 44 18
Производительность установки по получению кальцинированной соды равна 100 т/сут. Рассол, подаваемый в реактор, содержит в % масс.:
NaCl 25 %, NН3 6,8 %, H2O 68,2 %
Состав углекислоты, % об.: CO2 68 %, N2 32 %
СО2 = 65 % NН3 = 100 %
5 % масс. от образовавшегося NaHCO3 отправляется на склад. Потери CO2 составляют 5 % масс. от поданного количества. Составить материальный баланс процесса и рассчитать ТЭП.
Р Е Ш Е Н И Е
В задаче дается производительность установки, тогда расчет начинают со второй реакции, а затем, определив количество вещества, образовавшегося в первой реакции, проводят расчет по уравнению первой реакции
Составим схему материальных потоков:
Переводим производительность установки из т/сут в кг/ч:
ПNa2CO3 = 100 т/сут = 100 000кг / 24 ч = 4 166,67 кг/ч
2 реакция:
Na2CO3 = mNa2CO3 / МNa2CO3 = 4 166,67 / 106 = 39,3082 кмоль
Na2CO3 = NaНCO3 (2) = СO2 ПРОДУКТ (2) = Н2О ПРОДУКТ (2)
При определении mNaHCO3 (2) необходимо умножить на стехиометрический коэффициент 2 (!!!).
mNaHCO3 (2) = 2 NaНCO3 (2) МNaНCO3 = 2 39,3082 84 = 6 603,78 кг/ч
mCO2 ПРОДУКТ (2) = CO2 (2) МCO2 = 39,3082 44 = 1 729,56 кг/ч
mH2O ПРОДУКТ (2) = Н2O ПРОДУКТ (2) МН2O = 39,3082 18 = 707,55 кг/ч
1 реакция:
6 603,78 кг —— 95 % мас.
mNaHCO3 НА СКЛАД —— 5 % мас. mNaHCO3 НА СКЛАД = 347,57 кг/ч
mNaHCO3 (1) = 6 603,78 кг + 347,57 кг = 6 951,35 кг/ч (произведено по 1 реакции)
NaНCO3 (1) = mNaНCO3 (1) / МNaНCO3 = 6 951,35 / 84 = 82,7542 кмоль
NaНCO3 (1) = NН4Cl = NaCl = NН3 = СO2 (1) = Н2О (1)
mNH4Cl = NН4Cl МNН4Cl = 82,7542 53,5 = 4 427,35 кг/ч
mNaCl = NaCl МNaCl = 82,7542 58,5 = 4 841,12 кг/ч
mNH3 = NН3 МNН3 = 82,7542 17 = 1 406,82 кг/ч
mCO2 (1) = CO2 (1) МCO2 = 82,7542 44 = 3 641,18 кг/ч
mH2O (1) = Н2O (1) МН2O = 82,7542 18 = 1 489,58 кг/ч
СО2 = 65 %
3 641,18 кг CO2 ПРЕВРАЩ. —— 65 %
mCO2 ПОДАН. —— 100 % mCO2 ПОДАН. = 5 601,82 кг/ч
Потери CO2 5 % мас. от поданного количества:
5 601,82 кг CO2 ПОДАН. —— 100 %
mCO2 ПОТЕРИ —— 5 % mCO2 ПОТЕРИ = 280,09 кг/ч
mCO2 НЕПРЕВ. = mCO2 ПОДАН. mCO2 ПРЕВРАЩ. mCO2 ПОТЕРИ = 5 601,82 кг 3 641,18 кг 280,09 = 1 680,55 кг/ч
Расчет углекислоты: Для газов % об. = % моль
CO2 ПОДАН. = mCO2 ПОДАН. / МCO2 = 5 601,82 / 44 = 127,3141 кмоль
127,3141 кмоль —— 68 % моль
N2 —— 32 % моль N2 = 59,9125 кмоль
mN2 = N2 МN2 = 59,9125 28 = 1 677,55 кг/ч
Расчет рассола: NН3 = 100 % Весь поданный NH3 вступил в реакцию.
1 406,82 кг NH3 —— 6,8 % масс.
mNaCl ПОДАН. —— 25 % масс. mNaCl ПОДАН. = 5 172,13 кг/ч
mH2O ПОДАН. —— 68,2 % масс. mH2O ПОДАН. = 14 109,58 кг/ч
mNaCl НЕПРЕВ. = mNaCl ПОДАН. mNaCl ПРЕВ. = 5 172,13 4 841,12 = 331,01 кг/ч
mH2O НЕПРЕВ. = mН2О ПОДАН. mН2О ПРЕВ. = 14 109,58 1 489,58 = 12 620 кг/ч
Составим материальный баланс процесса.
Таблица – Материальный баланс процесса получения кальцинированной соды аммиачным методом
|
ПРИХОД |
РАСХОД |
||||||
|
№ |
Компонен-ты |
m, |
Ci, |
№ |
Компоненты |
m, |
Ci, |
|
1 |
Рассол: |
20 688,53 |
73,97 |
1 |
Na2CO3 |
4 166,67 |
14,90 |
|
а) NaCl |
5 172,13 |
18,49 |
2 |
NaHCO3 |
347,57 |
1,24 |
|
|
б) NH3 |
1 406,82 |
5,03 |
3 |
NH4Cl |
4 427,35 |
15,83 |
|
|
в) Н2О |
14 109,58 |
50,45 |
4 |
СO2 ПРОДУКТ |
1 729,56 |
6,18 |
|
|
2 |
Углекис- |
5 |
Н2ОПРОДУКТ |
707,55 |
2,53 |
||
|
лота: |
7 279,37 |
26,03 |
6 |
NaClНЕПРЕВ. |
331,01 |
1,18 |
|
|
a) CO2 |
5 601,82 |
20,03 |
7 |
Н2ОНЕПРЕВ. |
12 620,0 |
45,12 |
|
|
б) N2 |
1 677,55 |
6,00 |
8 |
СО2 НЕПРЕВ. |
1 680,55 |
6,01 |
|
|
9 |
N2 |
1 677,55 |
6,00 |
||||
|
10 |
CO2 ПОТЕРИ |
280,09 |
1,00 |
||||
|
ИТОГО: |
27 967,90 |
100 |
ИТОГО: |
27 967,9 |
100 |
На основании таблицы материального баланса рассчитать:
— Конверсию NaCl;
— Селективность процесса;
— Выход целевого продукта на поданный и превращенный NaCl;
— Расходные коэффициенты по всем видам сырья.
Для упрощения расчета ТЭП умножим все компоненты 1 реакции на 2 и сложим реагенты и продукты 1 и 2 реакции:
1) NaCl + NН3 + H2O + CO2 NaHCO3 + NH4Cl 2
2) 2 NaHCO3 Na2СO3 + CO2 + H2O
_______________________________________________________________________________________________________________________
2 NaCl + 2 NH3 + H2O + CO2 2 NH4Cl + Na2CO3
58,5 17 18 44 53,5 106
Рассчитаем ТЭП:
1) Конверсия () – степень превращения сырья, характеризует глубину протекания процесса, показывает полноту использования сырья. Конверсия определяется отношением превращенного сырья к его исходному количеству или поданному на установку сырья.
2) Селективность процесса (S) по ценному реагенту NH3 – какая часть от превращенного NH3 пошла на получение целевого продукта.
2 17 кг NH3 —— 106 кг Na2CO3
mNH3Na2CO3 —— 4 166,67 кг Na2CO3 mNH3Na2CO3 = 1 336,48 кг/ч
3) Выход целевого продукта () – отношение фактического выхода продукта к теоретическому. Фактический выход – это реально полученное количество целевого продукта. Теоретический выход – это максимальное количество продукта, которое можно получить по данному уравнению реакции:
Выход Na2CO3 на поданное и превращенное количество NaCl. Определим максимальное количество Na2CO3, которое могло бы образоваться при mNaCl ПОДАН. = 5 172,13 кг/ч.
2 58,5 кг NaCl —— 106 кг Na2CO3
5 172,13 кг NaCl —— mmax Na2CO3 mmax Na2CO3 = 4 685,86 кг/ч
Фактически было получено 4 166,67 кг/ч Na2CO3.
Определим максимальное количество Na2CO3, которое могло бы образоваться при mNaCl ПРЕВ. = 4 841,12 кг/ч.
2 58,5 кг NaCl —— 106 кг Na2CO3
4 841,12 кг NaCl —— mmax Na2CO3 mmax Na2CO3 = 4 385,97 кг/ч
Фактически было получено 4 166,67 кг/ч Na2CO3.
3) Расходные коэффициенты по сырью () – это масса сырья, которая расходуется на получение единицы массы целевого продукта.
, (г/г, кг/кг, т/т)
Различают теоретический iт и фактический iф расходные коэффициенты. Теоретический расходный коэффициент рассчитывают из уравнения реакции. Фактический расходный коэффициент рассчитывают на основании материального баланса. Фактический расходный коэффициент считают по сырью, которое поступает на переработку, в нем присутствуют реагенты и примеси, а также степень превращения сырья, конверсия чаще всего 100 %. Поэтому фактический расходный коэффициент всегда выше теоретического расходного коэффициента из-за потерь и примесей. Чем ближе значение фактического расходного коэффициента к теоретическому расходному коэффициенту, тем совершеннее производство.
Фактические расходные коэффициенты рассчитываем по данным МБ:
4) Пропускная способность установки – количество сырья, перерабатываемого реактором в единицу времени (кг/ч, т/сут, тыс. т/г):
ПСРАССОЛ = 20 688,53 кг/ч
ПСУГЛЕКИСЛОТА = 7 279,37 кг/ч
5) Интенсивность процесса – количество целевого продукта, производимого в единицу времени с единицы объема реактора или с единицы поверхности катализатора.
,
VP = 10 м3
Интенсивность процесса очень важный показатель для технолога.
6
Na2CO3
NaHCO3
NH4Cl
СO2 продукт
Н2О продукт
aCl непрев.
Рассол
20 688,53 кг/ч
NaCl 25 % мас.
5 172,13 кг/ч
Н2О 68,2 % мас.
14 109,58 кг/ч
Углекислота
7 279,37 кг/ч
СО2 68 % об.
5 601,82 кг/ч
Р
Е
А
К
Т
О
Р
N2 32 %об.
1 677,55 кг/ч
4 166,67 кг/ч
347,57 кг/ч
4 427,35 кг/ч
1 729,56 кг/ч
707,55 кг/ч
331,01 кг/ч
масса исходной смеси
ПРИХОД: 27 967,90 кг/ч
масса реакционной смеси
РАСХОД: 27 967,90 кг/ч
Н2О непрев.
12 620,00 кг/ч
NH3 6,8 % мас.
1 406,82 кг/ч
СО2 непрев.
N2
CO2 потери
1 677,55 кг/ч
1 680,55 кг/ч
280,09 кг/ч