Pobierz Zadania z technologii chemicznej z rozwiązaniami i więcej Ćwiczenia w PDF z Chemia tylko na Docsity!
ZADANIA Z TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
Wstęp
Równania reakcji chemicznych są formalnym zapisem przemiany substratów w produkty, z uwzględnieniem stosunków stechiometrycznych w jakich poszczególne substancje reagują ze sobą. Taki formalny zapis nie informuje jednak o rzeczywistym przebiegu reakcji, ani o warunkach, jakie muszą być spełnione dla jej zrealizowania. W zadaniach technologicznych reakcje chemiczne przedstawiane są jako procesy dynamiczne, zachodzące w czasie i w przestrzeni różnie zorganizowanej. Proces technologiczny polegający na przetwarzaniu substratów w produkty składa się z wielu etapów. W warunkach przemysłowych występują dwie kategorie procesów – okresowe i ciągłe. Proces przemiany substratów w produkty w konkretnej instalacji można przedstawić w postaci schematu, na którym poszczególne aparaty (reaktory, mieszalniki, wymienniki ciepła itp.) powiązane są ze sobą strumieniami przepływających reagentów o określonym składzie i natężeniu. Natężenie i skład poszczególnych strumieni wynikają z założonej wielkości produkcji oraz z zastosowania określonych substratów i sposobu prowadzenia procesu czyli wybranej technologii. Nie muszą i najczęściej nie wynikają ze stechiometrii reakcji zachodzących w poszczególnych reaktorach. Dotyczy to zwłaszcza reakcji odwracalnych, kiedy często stosuje się nadmiar jednego z substratów dla uzyskania lepszej wydajności produktu. W proponowanych do rozwiązania zadaniach technologicznych przedstawiony jest bardzo uproszczony schemat instalacji, w której zachodzi proces. Często podane są jedynie strumienie reagentów wchodzących i opuszczających całą instalację. Stawiane pytania dotyczą zależności pomiędzy składem i natężeniem poszczególnych strumieni reagentów lub zależności pomiędzy stopniem przemiany substratu uzyskiwanym w reaktorze (lub wydajnością w całej instalacji), a składem i natężeniem strumieni produktów. Metodą, która pozwala na znalezienie tych zależności, jest wykonanie bilansów masowych reagentów lub bilansu pierwiastków wprowadzanych i opuszczających instalację (reaktor) w postaci różnych związków chemicznych. Podczas sporządzania bilansu masy w procesie ciągłym jako pozycje przychodu i rozchodu stosuje się natężenia przepływu strumieni. Natężenie strumieni reagentów określane jest w jednostkach masy na jednostkę czasu (kg/h, kg/s) lub liczbie moli na jednostkę czasu (mol/h, mol/s) i oznaczane jest symbolem odpowiednio G i W z indeksem danego strumienia np. GA lub WA. Jeżeli strumień
składa się z kilku składników, to natężenie tego składnika oznaczamy symbolem tego składnika np. WA[H 2 ]. Należy przy tym pamiętać, że wszystkie pozycje przychodu i rozchodu muszą mieć jednakowe miana (np. kg/h lub kmol/h). Do wykonania bilansu konieczne jest przyjęcie podstawy bilansu. Za podstawę bilansowania przyjmuje się wielkość produkcji w danej instalacji lub natężenie strumienia wybranego reagenta. W ten sposób wszystkie obliczenia odnoszą się do tak przyjętej podstawy bilansowania. Raz przyjęta podstawa bilansowania obowiązuje dla całego rozwiązania i nie może być zmieniona w tracie obliczeń. Wykonanie bilansu musi poprzedzać wybór obszaru bilansowania. Kryterium wyboru takiego obszaru jest to, żeby granice obszaru przecinały wszystkie strumienie, które powinny być wzięte pod uwagę w równaniu bilansowym. Obszar bilansowania może obejmować całą instalację (jeżeli zależności dotyczą strumieni substratów i produktów) lub tylko określony reaktor lub węzeł w instalacji (jeżeli zależności dotyczą tego właśnie fragmentu instalacji). Wynika stąd, że dla wyznaczenia różnych zależności trzeba czasami wykonać bilanse uwzględniając różne obszary tej samej instalacji. Stopień przemiany oznaczany symbolem x jest wielkością opisującą postęp zachodzącej reakcji chemicznej. Określa on jaka część substratu wprowadzonego do reaktora uległa przemianie chemicznej. Jeżeli do reaktora doprowadzamy w sposób ciągły strumień A, w którym natężenie substratu wynosi WA[i] i z którego odbieramy strumień B, w którym
natężenie nieprzereagowanego substratu wynosi WB[i], to stopień przemiany możemy
zdefiniować jako:
WA[i]
x=WA[i]-WB[i]
gdzie: WA[i] - natężenie strumienia substratu wprowadzanego do reaktora,
WB[i] - natężenie strumienia nieprzereagowanego substratu opuszczającego reaktor.
Tak zdefiniowana wartość stopnia przemiany zmienia się w granicach: 0≤x≤ Analogicznie można przedstawić sprawność (wydajność) całej instalacji:
WA[i]
η =WA[i]WD[i]
gdzie: WA[i] - natężenie strumienia substratu wprowadzanego do instalacji,
WD[i] - natężenie strumienia nieprzereagowanego substratu opuszczającego instalację.
WC[CH 3 Cl] = 98 Z bilansu węgla (C) obliczamy zawartość metanu w strumieniu C: WA[CH 4 ] = WC[CH 4 ] + WC[CH 3 Cl] WC[CH 4 ] = 98 - 98 = 98(1-) Z bilansu wodoru obliczamy natężenie strumienia HCl w gazach po reakcji. 4 WA[CH 4 ] = 4 WC[CH 4 ] + 3WC[CH 3 Cl] + WC[HCl] WC[HCl] = 4 WA[CH 4 ] - 4 WC[CH 4 ] - 3WC[CH 3 Cl] WC[HCl] = 98 Zawartość chloru w strumieniu A obliczamy na podstawie bilansu chloru: 2WA[Cl 2 ] = WC[CH 3 Cl] + WC[HCl] WA[Cl 2 ] = 98 Ponieważ azot nie bierze udziału w reakcji natężenie strumienia WA[N 2 ] jest identyczne jak w strumieniu C: WA[N 2 ] = WC[N 2 ] Bilans reaktora przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Bilans masy
Przychód, kmol/h Rozchód, kmol/h CH 4 98 CH 4 98 (1 – ) N 2 2 N 2 2 Cl 2 98 CH 3 Cl 98 HCl 98 100 + 98 = WC
Ułamek molowy chlorku metylu w strumieniu C obliczamy ze wzoru:
C CH Cl C^3 W a W[CHCl] 3
100 98 η a (^) CHCl^98 η 3
0,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,
0,
0,
0,
0,
0,
wydajność, %
ułamek molowy CH
Cl 3
Wartość η może zmieniać się od 0 do 1. Jeżeli η = 0, ułamek molowy chlorku metylu w strumieniu C wynosi 0. Ze wzrostem wydajności rośnie ułamek molowy chlorku metylu w strumieniu C. Dla maksymalnej wydajności (η = 1) wynosi on 0,495.
Przykład 2 Chlorek potasu otrzymuje się z wodnego roztworu sylwinitu (sól, w której potas występuje w postaci minerału - sylwinu) zawierającego 35 % mas. KCl. W procesie krystalizacji otrzymuje się czysty KCl oraz roztwór pokrystalizacyjny zawierający a % mas. KCl. Oblicz zależność wydajności krystalizacji od stężenia KCl w roztworze pokrystalizacyjnym.
= f( a )
= GG [KCl][KCl] A
B
Obliczenia prowadź zakładając, że w ciągu 1 godziny przerabia się 1000 kg roztworu sylwinitu (GA = 1000 kg/h).
A
B
C
KRYSTALIZATOR KCl
roztwór sylwinitu (KCl, NaCl, H 2 O)
roztwór pokrystaliczny a % KCl
(^00 5 10 15 20 25 30 )
20
40
60
80
100
Wydajność, %
% mas. KCl
Wydajność krystalizacji może zmieniać się od 0 do 100 %. 35 % KCl w strumieniu C oznacza, że wydajność procesu wynosi 0 (KCl nie wykrystalizował). W tym przypadku skład strumienia C jest taki sam jak strumienia A. Wartość wzrasta do 100 % gdy w strumieniu C nie występuje KCl.
Przykład 3 Stężony kwas siarkowy (95 % mas.) otrzymuje się przez absorpcję SO 3 w wieży
zasilanej H 2 SO 4 o stężeniu b % (strumień C). Strumień C powstaje przez zmieszanie strumienia A (90% H 2 SO 4 ) ze strumieniem D zawierającym kwas siarkowy (90%). Stosunek natężenia strumienia zawracanego D do natężenia strumienia B wynosi n (GD/GB = n, kg/h/kg/h). Przyjmując za podstawę bilansu 100 kg 95 % H 2 SO 4 /h (GB = 100 kg/h) znajdź zależność pomiędzy stężeniem b % kwasu siarkowego zasilającego wieżę (b % mas.) i n (b = f(n)). Masy molowe: H 2 SO 4 – 98 kg/kmol H 2 O – 18 kg/kmol
A
B
C
D
90% H 2 SO 4
b% H 2 SO 4 SO 2 , O 2 , N 2
95% H 2 SO 4
SO 3 , SO 2 O 2 , N 2
95% H 2 SO 4
Rozwiązanie Wodór w strumieniu B pochodzi wyłącznie ze strumienia A (z wody i kwasu). Na podstawie bilansu wodoru (w kg/h) w obszarze zewnętrznym można obliczyć wielkość strumienia A. 0,9GA^2 / 98 + 0,1GA^2 / 18 = 0,95GB^2 / 98 + 0,05GB^2 / 18 czyli: GA = 84,62 kg/h W obszarze 1, w którym mieszają się strumienie A i D, w wyniku czego powstaje kwas siarkowy o stężeniu b % (strumień C), przeprowadzamy bilans wodoru: 0,1GA^2 / 18 +0,9GA 2 / 98 +0,05GD^2 / 18 +0,95GD 2 / 98 = (GA+GD)0,01b^2 / 98 +(GA+GD)(1- 0,01b)^2 / 18 Z definicji n wynika, że: GD = GB n Ponieważ GB = 100 kg/h (przyjęta podstawa bilansu) a zatem GD = 100n Po podstawieniu GA = 84,62 kg/h i GD = 100 n otrzymujemy: b = (76,158 + 95n)/ (0,8462 + n)
ZADANIE 2
W przedstawionej poniżej schematycznie instalacji prowadzi się proces katalitycznego utleniania aldehydu octowego do kwasu octowego tlenem z powietrza. Stosunek natężenia strumienia powietrza do strumienia aldehydu wynosi z (WB/WA = z, z > 2,25). Przyjmując za podstawę bilansu WA = 1 kmol/h aldehydu oblicz ułamek molowy aldehydu w gazach po reakcji (strumień K) w zależności od z (a = f( z )). Wydajność procesu
η = W [CHCHO]^0 ,^90
W[CHCOOH]
A 3
P 3
Uproszczony skład powietrza: 20 % tlenu i 80 % azotu.
A
B
K
P
CH 3 CHO
powietrze (20% O 2 , 80% N 2 )
CH 3 CHO, O2, N 2
CH 3 COOH
R
ZADANIE 3
Chlorobenzen otrzymuje się przez chlorowanie benzenu chlorem w instalacji, w której stosuje się nadmiar benzenu. C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 Cl + HCl
Do reaktora wprowadza się benzen zawierający domieszkę azotu
K
W [CH ]
W [N ]
A 6 6
A^2. Z
reaktora odprowadza się chlorobenzen, chlorowodór oraz nieprzereagowany benzen i azot. Zawartość azotu w strumieniu WC wynosi b % molowych. Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmoli/h chloru (WB = 100 kmoli/h) oblicz zależność b = (, K), gdzie (wydajność
procesu) =WW[C[CHHCl]] A 6 6
P 6 5
ZADANIE 4
Konwersję metanu parą wodną prowadzi się stosując katalizator niklowy. Substratami są: metan (strumień A) i para wodna (strumień B), a produktami: tlenek węgla i wodór (strumień C). Strumień C zawiera również nieprzereagowaną parę wodną.
B REAKTOR
A
C
CH 4
H 2 O (^) CO, H 2 , H 2 O
Stosunek molowy strumienia pary wodnej do strumienia metanu W W y;^ y^1
B A
Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmol/h metanu oblicz zależność ułamka molowego wodoru w strumieniu WC od stosunku strumienia WB do WA. b = f(y) Wszystkie strumienie podane są w kmol/h.
ZADANIE 5 Chlorek metylu otrzymuje się w procesie chlorowania metanu gazowym chlorem (strumień WB). Strumień WA oprócz metanu zawiera 2 % molowe azotu.
REAKTOR
A B
C
P D
C 6 H 6 , N 2
C 6 H 5 Cl
C 6 H 6 , N 2
HCl
Cl 2
W
W = Z,
A B
gdzie WA i WB - natężenia strumienia odpowiednio A i B w kmol/h.
i WW[N[H ]]=N, 2
2 P
P gdzie
WP[H2] - natężenie strumienia wodoru w strumieniu produktów, [kmol/h],
WP[N2] - natężenie strumienia azotu w strumieniu produktów, [kmol /h],
znaleźć N = f(x, Z). Stopień przemiany:
x = xCOCO2 =W [CO] + W [CO]W [CO ]P^2 = W [CO] + W [CO] - W [CO]W [CO] + W [CO] , A B
A B P A B
gdzie: WA[CO], WB[CO] i WP[CO] - zawartość CO odpowiednio w strumieniu A, B i P [kmol /h]. WP[CO 2 ] - zawartość CO 2 w strumieniu P, [kmol/h].
Obliczenia należy prowadzić przyjmując za podstawę bilansu natężenie strumienia B: WB = 100 kmol/h. Przedstawić na wykresie zależność N = f (Z) dla x = 0; x = 0,5 i x = 1. ZADANIE 7 W wyniku spalania siarki w powietrzu (przy zastosowaniu nadmiaru powietrza) otrzymuje się gaz zawierający dwutlenek siarki, azot oraz tlen. Zawartość dwutlenku siarki w gazach opuszczających piec do spalania zależy od stosunku natężeń strumieni powietrza i siarki. Przyjmując, że spalaniu poddaje się 1 kmol siarki na jednostkę czasu podać zależność pomiędzy stężeniem SO 2 w strumieniu P (b % molowych) a molowym stosunkiem natężeń strumieni powietrza i siarki (N). W jakich granicach może zmieniać się stężenie SO 2 w strumieniu P i jaka musi być najmniejsza wartość parametru N? Za podstawę obliczeń należy przyjąć 1 kmol/h siarki (WB).
A
B do spalaniapiec P
S
powietrze N 2 - 80%
O 2 - 20%
SO 2 (b% mol), N 2 , O 2
WW =N
B
A
b = f(N)
ZADANIE 8
Prażąc blendę cynkową ZnS w strumieniu powietrza otrzymuje się gazy zawierające SO 2 , O 2 i N 2 oraz wypałki ZnO. Schemat instalacji przedstawia rysunek. Przyjmując, że ułamek molowy SO 2 w strumieniu P wynosi aSO 2 , a ułamek molowy tlenu aO 2 znajdź
zależność:
aSO 2 = f( aO 2 )
i przedstaw ją graficznie. Obliczenia prowadź przyjmując za podstawę bilansu wielkość strumienia P 1 kmol/h. Uproszczony skład powietrza: 20 % tlenu i 80 % azotu.
ZADANIE 9
W reaktorze do utleniania SO 2 do SO 3 , stanowiącym fragment instalacji do produkcji kwasu siarkowego, uzyskuje się stopień przemiany SO 2 w SO 3 wynoszący x. Nieprzereagowany SO 2 nie ulega absorpcji i w całości odprowadzany jest do komina, powodując zagrożenie dla środowiska. Stężenie SO 2 w gazach poreakcyjnych (po reaktorze - strumień B), które zawierają ponadto O 2 , SO 3 i N 2 wynosi a % mol. Należy:
- ustalić, jak będzie zmieniało się stężenie SO 2 w gazach poreakcyjnych w zależności od stopnia przemiany x osiąganego w reaktorze. a = f(x)
- obliczyć, jaki powinien być minimalny stopień przemiany SO 2 w SO 3 , aby stężenie SO 2 w gazach kominowych (strumień R), po całkowitej absorpcji SO 3 nie przekraczało b = 0,1 % mol. x dla b = 0,1 % Stopień przemiany SO 2 w SO 3 definiujemy jako stosunek molowy natężenia strumienia SO 3 (WB[SO 3 ]) do sumy natężeń strumienia SO 2 (WB[SO 2 ]) i SO 3 (WB[SO 3 ]) za reaktorem. Należy pamiętać, że z bilansu siarki wynika, że WA[SO 2 ] = WB[SO 2 ] + WB[SO 3 ].
W [SO ]
=W[SO ]
W [SO ]+W[SO ]
x= W [SO ] A 2
B 3 B 3 B 2
B 3
C
A
P B
ZnS
ZnO
SO 2 , N 2 , O 2 pow.
filtrze. W kolejnych sekcjach filtra osad odmywa się wodą dla uniknięcia strat kwasu
fosforowego. Należy tak dobrać ilość wody myjącej w stosunku do ilości szlamu, żeby
uzyskać założony stopień odmycia osadu, a jednocześnie nie obniżać nadmiernie stężenia
produkowanego kwasu.
Przyjmując, że w szlamie doprowadzanym na filtry zawarte jest 40 % mas. suchej
masy (CaSO 4. 2 H 2 O), a resztę stanowi 30 % mas. kwas fosforowy, oraz że zawartość H 3 PO 4
w osadzie pofiltracyjnym wynosi 1 % mas. a zawartość wilgoci (H 2 O) – 19 % mas. obliczyć
zależność pomiędzy stężeniem wyprodukowanego kwasu fosforowego a % mas. a stosunkiem
wagowym użytej wody do szlamu. Za podstawę obliczeń należy przyjąć 100 kg/h szlamu (WB
= 100 kg/h).
kg/h
kg/h W
K=W [H O]
B
A 2
A
B P
H 2 O szlam kwas fosforowyo stężeniu a%
osad pofiltracyjny
o stężeniu 30% - 60%kwas fosforowy
.
CaSO 4. 2 H 2 O- 40%
HH 23 OPO^4
CaSO 4. 2 H 2 O
ZADANIE 12
Kwas fosforowy produkuje się rozkładając rudy fosforanowe zawierające ortofosforan wapnia stężonym kwasem siarkowym. Wytworzony kwas fosforowy oddziela się na filtrach
od powstającego w procesie CaSO 4. 2H 2 O. Mimo przemywania osadu traci się część kwasu
wraz z oddzielonym CaSO 4. 2H 2 O. Przyjmując, że stosunek wagowy straconego kwasu do
osadu CaSO 4. 2H 2 O wynosi S, należy obliczyć S = f(η) gdzie
kg/h , kg/h G [CaSO 2 HO]
S= G [HPO ]
G 4 2
G 3 4
a wydajność procesu η definiuje się:
W [HPO ] η W[HPO] A 3 4
P^34
WP[H 3 PO 4 ] - natężenie strumienia kwasu fosforowego w strumieniu produktu P [kmol/h] WA[H 3 PO 4 ] - natężenie strumienia fosforu w strumieniu wprowadzanej rudy fosforanowej A [kmol/h]
A
B
P
H 2 O
CaSO 4 2 H 2 O G .
H 3 PO 4 rozc.
Ca 3 (PO 4 ) 2
H 2 SO 4 stęż.
H 3 PO 4 rozc.
W obliczeniach należy pominąć zanieczyszczenia w rudzie i przyjąć, że w jej skład wchodzi tylko Ca 3 (PO 4 ) 2. Za podstawę bilansu należy przyjąć 1 kmol/h ortofosforanu wapnia. W bilansie nie należy uwzględniać wody wprowadzonej z kwasem siarkowym i do przemywania ani odprowadzanej z kwasem fosforowym i osadem.
ZADANIE 13
x (^) H NH W [H ]A^ W [H ]^2 W [H ]B^2 2 ^3 A 2
ZADANIE 15
Syntezę amoniaku prowadzi się w instalacji, którą przedstawiono na rysunku. Do instalacji doprowadza się gaz syntezowy zawierający wodór i azot. Gaz syntezowy zanieczyszczony jest metanem, którego zawartość wynosi a % mol strumienia A. Stosunek molowy wodoru do azotu w strumieniu A wynosi 3 (WA[H 2 ]: WA[N 2 ] = 3). Z instalacji odprowadza się produkt (strumień P) zawierający tylko NH 3 oraz gaz resztkowy (strumień R) zawierający H 2 , N 2 i CH 4. Wydajność instalacji definiuje się jako stosunek natężeń strumienia wodoru odprowadzanego z instalacji w postaci amoniaku, do strumienia wodoru wprowadzanego do instalacji
2 W [H ]
=^3 W [NH]
A 2
η P^3
Przyjmując, że w jednostce czasu odprowadza się z instalacji 1 kmol NH 3 , oblicz wydajność instalacji jako funkcję natężenia strumienia gazów resztkowych WR i stężenia metanu w gazie syntezowym - η = f(WR, a).
ZADANIE 16 Syntezę amoniaku prowadzi się w instalacji cyrkulacyjnej przedstawionej na rysunku.
N 2 , H 2 , CH 4 N 2 , H 2 , CH 4
NH 3
A
P
R
A (^) 4%mol NHH^2 , N^2 R B 3
H 2 , N 2 a%mol NH 3
NH 3
N 2 , H 2 , argon
argon
N 2 , H 2 ,
4% argonu
N 2 , H 2 ,
Reaktor Separator
R
A C D
P
B
Gaz syntezowy (strumień A) zawiera 4 % mol. argonu. Stosunek molowy wodoru do azotu w strumieniu A wynosi 3 (WA[H 2 ]/WA[N 2 ] = 3). Stosunek strumienia zawracanego B do strumienia A wynosi m (WB/WA = m ). Wydajność procesu obliczana jako stosunek 32 [[ ]] 0 , 95 2
W H
W NH
A
P
Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmoli/h strumienia A obliczyć zależność m od stopnia przemiany wodoru w reaktorze ( m = f( x )).
ZADANIE 17 Synteza amoniaku przebiega zgodnie ze schematem. Gaz do syntezy (strumień A) zawiera (w % molowych) 73 % wodoru, 25 % azotu i 2 % argonu. Przed reaktorem strumień A miesza się z gazem obiegowym (strumień D). Stopień przemiany wodoru w reaktorze wynosi x. Gazy po reakcji przechodzą przez skraplacz, gdzie następuje całkowite wykroplenie amoniaku (strumień B). Część nieprzereagowanego gazu odprowadza się na zewnątrz instalacji (strumień R), a reszta jest zawracana do reaktora. Przyjmując, że stosunek molowy strumieni WD/WA wynosi y, wyznacz zależność y = f(x). Obliczenia przeprowadź przyjmując wielkość strumienia WA = 100 kmol/h i WR[H 2 ] / WA[H 2 ] = 0,05.
