книги / Физико-химические основы технологических процессов
..pdfПобочные продукты окисления - азот. Степень абсорбции Ж )2- 98 %. Потери тепла в окружающую среду составляют 5 % от прихода тепла.
6Синтез аммиака. Азотоводородная смесь стехиометрического состава. Примеси - 1 об. % метана, 0,5 об. % С02. Производи тельность по газовой смеси 1000 м3/ч (н.у.). Степень превраще ния - 35 % при температуре 700 °С и давлении 300 атм. Темпе ратура входящих газов 560 °С. Потери тепла в окружающую среду составляют 5 % от прихода тепла.
7Окисление аммиака. В реактор поступает аммиачно-воздушная смесь с расходом 80000 м3/ч (н.у.), содержащая 10 об. % ам
миака. Селективность по оксиду азота составляет 95 %. Сте пень превращения аммиака - 99 %. Побочный продукт - азот. Температура смеси на входе в реактор 25 °С. Температура в реакторе 1100 К.
8Получение сернистого газа обжигом пирита. Расчет ведут на 1 т пирита состава (мае. %): сера - 41 , влага - 7,8. В пирите выгорает 96 % серы. Коэффициент избытка воздуха (сух.) 1,4. Влажность воздуха 55 %. Температура обжига 980 °С
9Получение сернистого газа окислением сероводорода. Состав
исходного газа (об. %): H2S - 92, Н20 - 6, N2 - 2. Средняя теп лоемкость газа 1,68 кДж/м3 К. На 1 м3 газа подается 23 м3 воз духа, в пересчете на сухой. Содержание влаги в воздухе 8 об. %. Степень окисления H2S 85 %. Температура входящей газовоздушной смеси 33°С. Температура процесса 800 °С. По тери тепла в окружающую среду - 5 % от прихода тепла.
10Производство серной кислоты контактным способом. Стадия окисления сернистого газа. Состав газовой смеси (об. %) S02- 9, <Э211, N280. Производительность по газовой смеси
2000 м3/ч (н.у.). Степень окисления - 88 %. Температура входя щего газа 460 °С, выходящих газов 580 °С. Потери тепла в окружающую среду составляют 5 % от прихода тепла.
11Производство серной кислоты. Производительность по 90 % серной кислоте, получаемой из серного колчедана, содержащего 42 % серы, составляет 5000 т/ч. Степень выгорания серы 97 %, степень каталитического окисления оксида серы (ГУ) 99 %, сте пень абсорбции оксида серы (VI) 99,5 %. Обжиговый газ содер жит 9 % оксида серы (IV). Считать, что в печь подавали осушен-
ный воздух. Рассчитать тепловой баланс контактного аппарата, если температура входящего газа составляет 520 °С, выходящих газов 600°С. Потери тепла в окружающую среду составляют 5 % от прихода тепла.
12Производство метанола. Процесс ведут непрерывно по схеме: СО + Н2 СНзОН. Состав газа (об. %): СО - 17,5; Н2 - 70; СН) - 5,2; С02 - 4,8; N2 - 2,5. Производительность по газовой смеси - 2000 м3/ч (н.у.). Процесс осуществляется при темпера
туре 365 °С и давлении 300 атм. Степень |
превращения - |
38 %. Температура входящих газов 280 °С. |
Потери тепла |
в окружающую среду составляют 5 % от прихода тепла.
13Производство этилбензола. Процесс проводят по схеме:
СбНб + С2Н* *-*■СбН5-С2Н5. В исходной газовой смеси соотноше ние QHt: С6Нб= 1:2. Расчет провести на получение 1 т этилбен зола. Селективность процесса составляет 90 %. Степень превра щения бензола 95 %. Температура исходной газовой смеси 25 °С. Определить общее количество выделившейся теплоты и рассчитать тепловой баланс процесса при температуре 130 °С.
14 Производство оксида этилена окислением этилена воздухом.
1роцесс ведут по схеме: С2Н4 + Уг 0 2 <-> С2Н40; С2Н4 +3 0 2 «-> С02 + 2Н20. Расчет провести для получения 500 м3/ч (н.у.)
оксида этилена, селективность процесса составляет 65 %, сте пень превращения этилена 98 %. Состав газовой смеси (об. %): этилен —3; воздух - 97. Температура исходной газовой смеси 25 °С. Определить общее количество выделившейся теплоты и рассчитать тепловой баланс процесса при температуре 260 °С.
15 Производство формальдегида. Процесс ведут по схеме:
СНзОН + 0,5О2+-> СН20+Н20; СН3ОН ^ СН20 + Н2. Произво дительность реактора по формальдегиду 1,5 т/ч. Степень окис ления СН3ОН в СН20 - 0,7. Общая степень превращения мета нола с учетом побочных реакций 0,8. Содержание метанола в 1спиртово-воздушной смеси 40 об. %. В отходящих газах со
•держатся побочные продукты. Мольное соотношение побоч ]ных продуктов в выходящем газе СНООН: С02 СО: СН4 = = 1,8:1,6:0,1:0,3. Окисление протекает при температуре 600 °С. Гемпература на входе в реактор - 70 °С. Потери тепла в окру жающую среду составляют 6 % от прихода тепла.
Задание 2. Расчет равновесного состава реакционной смеси
Рассчитайте состав реакционной смеси при заданных условиях:
Вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Реакция |
|
|
N2+ 3 Н2 «-►2NH3 |
|
|
Зависимость |
|
|
|
|
|
константы |
l g ^ - l i § i _ 6)0281gr + 0,96-10-3r |
°’0222' 1°5 +6,49 |
|||
равновесия от |
|||||
температуры |
550 |
|
|
|
|
Температура, |
650 |
700 |
800 |
900 |
|
К |
|
|
|
|
|
Давление, атм |
100 |
100 |
300 |
300 |
200 |
Исходный со |
|
|
|
|
|
став газовой |
|
|
|
|
|
смеси: |
1 |
|
3 |
|
|
N2, моль |
200 |
100 |
0,5 |
||
N2, м3 (н.у.) |
3 |
12 |
2,0 |
||
Н2, моль |
600 |
|
|||
Н2) м3(н.у.) |
|
|
250 |
|
|
Вариант |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Реакция |
|
|
СО + C W СОС12 |
|
|
Зависимость |
|
|
|
о 1с 1л5 |
|
константы |
|
|
|
|
|
равновесия от |
lg ^ = |
+0,2061gr + 0,1910'3r |
’ 2 |
8,03 |
|
температуры |
|
|
550 |
600 |
650 |
Температура, |
400 |
500 |
|||
К |
1 |
100 |
1 |
50 |
100 |
Давление, атм |
|||||
Исходный со |
|
|
|
|
|
став газовой |
|
|
|
|
|
смеси: |
1 |
|
10 |
|
3 |
СО, моль |
100 |
50 |
|||
СО, м3(н.у.) |
1 |
15 |
6 |
||
С12, моль |
150 |
50 |
|||
С12, м3(н.у.) |
|
|
|
||
Вариант |
И |
12 |
13 |
14 |
15 |
Реакция |
|
с о + н 2о++ с о 2 + н 2 |
|
||
Зависимость |
|
|
|
|
|
константы |
lg * = 2485+ l,561gr |
0,066-1(Г3Г |
°’2072' 10 |
6,95 |
|
равновесия от |
|||||
температуры |
|
|
750 |
|
|
Температура, |
600 |
700 |
800 |
850 |
|
К |
|
|
|
|
|
Исходный со |
|
|
|
|
|
став газовой |
|
|
|
|
|
смеси: |
|
|
|
|
|
СО, моль |
1 |
|
2 |
|
1,5 |
СО, м3(н.у.) |
|
150 |
|
200 |
|
Н20, моль |
1 |
|
3 |
|
2,0 |
Н20, м3(н.у.) |
|
150 |
|
400 |
Т |
3. Кинетика гомогенных процессов
Знание кинетических закономерностей протекания химических реакций создает базу для расчета технологического оборудования, выбора типа химического реактора, для разработки технических ре шений по интенсификации процесса в химическом реакторе, спосо бов автоматического регулирования технологических процессов.
В технологических расчетах различают скорость превращения вещества и скорость реакции.
Скорость превращения i-го вещества (fVj) - количество i-го ве щества, превращающегося в единицу времени в единице реакцион ного пространства:
Ж = ± - ^ 4 |
(2.42) |
dt |
К ' |
d C |
|
Если вещество образуется, то Wt = — L, если расходуется, то dt
wt = d q dt
Для реакции aA + eB = cC +dD существует следующая взаимосвязь между скоростями превращения веществ, участвующих в реакции:
К |
wc |
К |
(2.43) |
— = — = — |
= — = const = со, |
||
со - скорость реакции.
Кинетическое уравнение - зависимость скорости реакции от кон центрации. Вид кинетического уравнения определяют типом и меха низмом протекания реакции:
со = k - Q - С? |
(2.44) |
где к - константа скорости реакции; п\,п2 - частный |
порядок реак |
ции по компоненту А и В соответственно. |
|
Общий порядок реакции |
|
п - п = п\ + п2. |
(2.45) |
Порядок реакции определяют экспериментально, и он может не совпадать со стехиометрическим коэффициентом.
3.1. Скорость простых и сложных реакций
Простые реакции
Скорость необратимой реакции может быть представлена сле дующим кинетическим уравнением:
со =к-С п или оо = £*Со(1-д:)л, |
(2.46) |
где х - степень превращения.
Порядок реакции изменяет темп возрастания скорости с повыше нием концентрации. Он выше для реакций более высоких порядков.
Рассмотрим кинетические уравнения простых необратимых реак ций 1-го, 2-го порядков в дифференциальной и интегральной формах.
Реакции первого порядка А —> В. Кинетическое уравнение в дифференциальной форме имеет вид
со = —dC,А = k-C., |
(2.45) |
|
|
dt |
|
— - k - (С? -х). |
(2.47) |
|
dt |
К А |
|
После разделения переменных и интегрирования можно опреде лить константу скорости по формулам:
|
1 |
|
г° |
|
|
(2.47) |
* = -1п |
СА |
|
|
|||
|
t |
|
|
|
|
|
= |
1, |
|
с°А |
|
■ |
(2.48) |
Ы^0 |
х |
|||||
|
t |
СА |
|
|
||
Изменение концентрации компонента А и степени превращения компонента А (хА) во времени имеет вид
С |
=С° ■e~h |
> |
(2.49) |
'■'А |
'“'А е |
|
|
х - 1 - е |
|
(2.50) |
|
Реакции второго порядка. Рассмотрим случай, когда начальные концентрации компонентов А и В равны: 2А—* В. Кинетическое уравнение в дифференциальной форме будет иметь вид
dC,А _ |
(2.51) |
|
со = — |
= k - C \ |
|
dt |
|
|
dx |
(2.52) |
|
I t = k • (Сд - x)1 |
||
|
После разделения переменных и интегрирования можно опреде лить константу скорости по формулам:
f
t - 1 _ п ,
/ V^A с°
, 1Г
к = - t
л |
1 |
X |
|
|
1 |
1
п |Д
Изменение концентрации компонента А во времени:
С° с =__ Ь*___ (2.54)
А C l-kt + l
Рассмотрим случай, когда начальные концентрации реагирую щих веществ соответственно равны СА и Св.
Кинетическое уравнение реакции типа А+В —*■С имеет вид
dC±
03 = ~~~г~ ~к-Ск -Съ, (2.55) dt
^ =к-(С0А -х)-(С°в -х). |
(2.56) |
После разделения переменных и интегрирования можно опреде лить константу скорости по формулам:
, |
1 |
1 , |
САс°в |
к =---------- -In— |
|||
|
i c i - e , |
св с° |
|
* - 1 |
/ |
> |
(СГ * ) С °. |
t c l - c l |
K - x y c l |
||
(2.57)
(2.58)
Скорость обратимой реакции представляет собой разность скоростей прямой и обратной реакций.
Для обратимой реакции первого порядка типа А<->В кинетиче ское уравнение в дифференциальной форме имеет вид
“ ' ■ f = v (c ° |
<259) |
Если принять, что Сд = Cg = 1, то
dx
При равновесии со = — = кх• (1 - х) - к2• (1 - х)
х |
или |
(2.61) |
|
где К - константа равновесия реакции, значение которой можно оп ределить из термодинамических расчетов.
Преобразуем выражение (2.61) к виду
со = — = (кх+ к2) |
- x |
(2.62) |
|
dt |
V 1 2J |
\ ki+ ki |
|
Обозначив ---- -— = L, |
разделим переменные и проинтегрируем |
||
К + К |
|
|
|
полученное выражение: |
|
|
|
) - r h = ( ki +k2)'!dt |
(2.63) |
||
о ^ |
л |
о |
|
Уравнение в интегральной форме принимает вид |
|
||
In——— = (к, + к2) ■t . |
(2.64) |
||
|
L - x |
|
|
Определим изменение степени превращения компонента А во времени. После преобразований получим:
(2'65>
Скорость обратимой реакции второго порядка типа А + B<-*C+D представляет собой oi =kr CA-CB~k2-Cc -CD.
Кинетические уравнения в дифференциальной форме при усло вии, что Са = Св имеет вид
со= — = V ( l - * ) 2- * 2 - ( l - * ) 2 |
(2.66) |
dt |
|
Сложные реакции
Параллельные реакции:
А— >В
А—Ь->С
Кинетическое уравнение параллельной реакции первого порядка имеет вид
dC
_Z—A — kx-CA k2CA.
со =
dt
Скорость превращения компонента А:
dC
*— СА(*,+*,). dt
Изменение компонента А во времени имеет вид
С = С° • e~^k]+kl^
Скорость превращения компонента В:
dC,
в = *,СА= *,С° .e-{k'+k'-)l
dt
Изменение компонента В во времени имеет вид
Сп = к, С°(1-е~(*'+*г)').
вкх+к2 А
Скорость превращения компонента С:
dCc _
=k2CA =k2C l e ~ ^ ‘
dt
(2.67)
(2.68)
(2.69)
(2.70)
(2.71)
(2.72)
Изменение компонента С во времени имеет вид
к,
|
Сс - 1~ Г ]Г С* (1 - е |
|
|
|||
|
К + К |
|
|
|||
Селективность реакции по компонент В: |
|
|||||
S -• |
В__ |
_ |
|
К |
(2.74) |
|
WB + WC |
ktCA+k2CA |
ki+ k2 |
||||
|
|
|||||
Последовательные реакции. Пусть протекает последовательная |
||||||
реакция первого порядка |
|
|
|
|
||
|
А — |
>В— >С |
|
(2.75) |
||
Если k \» k 2 , то скорость реакции определяется скоростью пре
вращения компонента В со = —dCz dt
Если k2» k i , то скорость реакции определяется скоростью пре
вращения компонента А со = dC, dt
Если k]~k2, то в системе накапливается компонент В.
Пусть исходные концентрации компонентов А, В и С соответст
венно равны СА = С°А моль/л, Св = С'с= 0, х - степень превращения А,
у - степень превращения В.
Скорость превращения компонента А |
|
|||||
W |
А |
= |
д |
=kC |
dx =К(С°А -х). |
(2.76) |
" |
|
/С|'-/А> |
dt |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
После интегрирования получим |
|
|
||||
|
СА = С°А ■е~к'' или |
х =С° (1 - е~к'’). |
(2.77) |
|||
Скорость превращения компонента В: |
|
|||||
|
|
|
WB=WA -W c =klCA - k 1CB. |
(2.78) |
||
dCa
Скорость превращения компонента С - Wc - — - = к2Св или dt