Контрольная работа по "Химии"

Министерство  образования и науки Российской Федерации

_________________________________________________________________

 

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

"Санкт-Петербургский  государственный технологический институт

(технический  университет)"

                                               

 

Кафедра       Факультет  6

Курс 4 

Группа  ____

 

 

Учебная дисциплина: Общая химическая технология    

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

 

 

Студент             _{Личная подпись}         

Руководитель       _{Личная подпись}                      .

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

 

Задание 1.

Перечислите основные составляющие теплового баланса.

 

Решение:

 

Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может  быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход энергии процесса. Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Обычно для химико-технологических процессов составляется тепловой баланс. Для аппаратов непрерывного действия тепловой баланс составляют на единицу времени, а для аппаратов периодического действия - на время цикла обработки.

Применительно к тепловому балансу закон  сохранения энергии формулируется следующим образом: приход теплоты в данном аппарате должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате.

 

ΣQприх = ΣQрасх или ΣQприх - ΣQрасх= 0, (1)

 

т.е. тепловые потоки, увеличивающие количество тепла  внутри системы, берутся со знаком плюс и относятся к статьям прихода. Соответственно тепловые потоки, которые уменьшают количество тепла внутри системы, относятся к статьям расхода. При составлении теплового баланса учитывается теплота, поступающая с потоком исходного сырья Q01; теплота химической реакции Qх.р; теплота подводимая или отводимая с помощью теплообменных устройств Qт.о; теплота, уходящая с потоком продуктов Q02; теплота фазовых переходов Qф.п; потери тепла в окружающую среду Qп; положительное или отрицательное накопление теплоты в объеме аппарата Qнак.

 

Q01 ± Qх.р ± Qт.о - Q02 ± Qф.п - Qп = Qнак (2)

 

Для стационарного  режима работы аппарата Qнак равно нулю, т.е. уравнение теплового баланса можно записать следующим образом:

 

Q01 ± Qх.р ± Qт.о - Q02 ± Qф.п - Qп = 0 (3)

 

Задание 2.

Рассчитать  материальный баланс реактора синтеза  метанола. Объемный расход конечной смеси 52000 м³/ч. В исходной смеси объёмная доля оксида углерода (2) составляет 0,14. Концентрации компонентов в конечной смеси (объёмные доли): водород 0,58; оксид углерода (2) 0,12; метанол 0,05; остальное метан. Дополнительно рассчитать теоретические расходные коэффициенты по сырью.

Рассчитать  температуру смеси на выходе из реактора, если температура входной смеси 300 С, потеря тепла в окружающую среду  составляет 3% о теплоты, поступающей с потоком исходных веществ, а с помощью теплообменных устройств отводят 80% теплоты химической реакции.

Решение:

Составим уравнение  реакции в обычном виде с учетом стехиометрических коэффициентов.

Кратко обозначим вещества латинскими буквами

М_А=28 [кг/кмоль]

М_В=2 [кг/кмоль]

М_С=32 [кг/кмоль]

Инертное вещество – метан  CH₄ – I

M_I=16 [кг/кмоль]

Объемные доли:

Z_A1=0.14

Z_B2=0.58

Z_A2=0.12

Z_C2=0.05

Z_I2=1- Z_A2 - Z_B2– Z_C2 =1-0.12-0.58-0.05=0.25

V₀₂=52000 [м³/ч]

Обозначим за Y количество вещества прореагировавшего азота

Составим балансовые уравнения  по каждому веществу и суммарное  уравнение мольных потоков.

N_A1 – Y = N_A2

N_B1 – 2Y = N_B2

N_C1 + Y = N_C2

N_I1=N_I2

Суммируем потоки

N_A1 + N_B1 + N_C1 + N_I1 -2Y = N_A2 + N_B2 + N_C2 + N_I2

Или

N₀₁ – 2Y=N₀₂

Рассчитаем  значение Y

N_A1 – Y = N_A2

Z_А1∙N₀₁ - Y = Z_А2∙N₀₂

N₀₁ – 2Y=N₀₂

N₀₁ =N₀₂ + 2Y

Z_А1∙( N₀₂ + 2Y) - Y = Z_А2∙N₀₂

Y∙ (2Z_А1 - 1)= (Z_А2 – Z_А1) ∙N₀₂

Y= N₀₂∙(Z_А2 – Z_А1)/ (2Z_А1 - 1)= V₀₂/V_m∙(Z_А2 – Z_А1)/ (2Z_А1 - 1)

Рассчитываем Y:

Y= 52000/22,4∙(0,12 – 0,14)/ (2∙0,14-1)=64,486 кмоль/ч

Определим суммарный  поток исходной смеси

N₀₁ =N₀₂ + 2Y

N₀₁ = 52000/22.4 + 2∙64,486 = 2450,401 кмоль/ч

N₀₂ = 52000/22.4 = 2321,429 кмоль/ч

Находим количество молей каждого вещества в конечной и исходной смеси

N_A2 = Z_A2∙N₀₂ = 0.12∙2321,429 =278,57 кмоль/ч

N_В2 = Z_В2∙N₀₂ = 0.58∙2321,429 =1346,429 кмоль/ч

N_С2 = Z_С2∙N₀₂ = 0.05∙2321,429 = 116,071 кмоль/ч

N_А1 = N_А2 + Y = 278,57 + 64,486 = 343,056 кмоль/ч

N_В1 = N_B2 + 2Y = 1346,429 + 2*64,486 = 1475,401 кмоль/ч

N_C1 = N_C2 - Y = 116,071 - 64,486 = 51,585 кмоль/ч

N_I2 = Z_I2∙N₀₂ = 0.25∙2321,429 = 580,359 кмоль/ч

N_I2=N_I1=580,359 кмоль/ч

Теперь известны количества всех веществ в начальной  и конечной смеси.

Рассчитаем  массы, объемы и мольные доли и  запишем в таблицу полученные данные.

G_i = M_i ∙N_i

V_i = V_m ∙ N_i

  Z_i = N_i / N₀

Материальный  баланс

	Приход				Расход
Вещества	N, (кмоль/ч)	G,   кг/ч	V,  м3/ч	Z	N, (кмоль/ч)	G,   кг/ч	V,  м3/ч	Z
СО (A)	343,056	9605,568	7684,454	0,14	278,57	7799,96	6239,968	0,12
H2 (B)	1475,401	2950,802	33048,98	0,60	1346,429	2692,858	30160,01	0,58
СH3OH(C)	51,585	1650,72	1155,504	0,02	116,071	3714,272	2599,990	0,05
CH4 (I)	580,359	9285,744	13000,04	0,24	580,359	9285,744	13000,042	0,25
Итого	2450,401	23492,83	54888,98	1	2321,429	23492,83	52000	1

 

Теоретический расходный коэффициент азота:

Теоретический расходный коэффициент водорода

Для определения  количества теплоты, которое нужно  отвести от реактора, найдем в справочнике  теплоемкости и энтальпии всех компонентов смеси.

Вещества	Сp, Дж/(мольК)	ΔH, кДж/моль
CO (A)	29,14	-110,53
H2 (B)	28,83	0
CH3OH(C)	44.13	-201.00
CH4 (I)	35,71	-74,85

 

Определим теплоту, поступающую с потоком сырья  и уходящую с продуктами.

Для этого необходимо рассчитать количество теплоты, вносимое каждым компонентом

Q_i=C_Pi∙N_i∙T₁

Для того, чтобы  соблюсти размерность, переводим температуру  в К, а кмоль в моль.

Результаты  записываем в таблицу

T₁=273+T⁰С = 273+300=573К

Вещества	Qi, Дж (поступающая с потоком)
СО (A)	5730000
H2 (B)	24370000
CH3OH (C)	1304000
CH4 (I)	11880000
Итого	43284000

 

Рассчитаем  теплоту потерь:

Q_п = 0,03∙Q₀₁ = 0,03∙43284000=1298500 Дж

Определим теплоту  химической реакции

ΔH=ΔH_C – 2∙ΔH_B – ΔH_A =-201.00-(-110,53) = -90.47 кДж/моль =

=-90470Дж/моль

Реакция экзотермическая.

Q_х.р. = - ΔH∙Y = 90470∙64,486 =5830000 Дж

Q_то= 0,8*Q_х.р. =0,8*58,3 = 4667200  Дж

Q₀₂ = Q₀₁₊ Q_х.р.- Q_то = 43284000+5830000-4667200= 44446800 Дж

С_р2 = 29,14*0,12+28,83*0,58+44,13*0,05+35,71*0,25 = 31,35Дж/моль*К

Т₂ = Q₀₂/N₀₂*Cр2 = 44446800/ 2321,429*31,35 = 610К или 337С

Задача 3.

Рассчитать  материальный баланс реактора окисления  оксида серы(IV). Производительность 9500 м³/ч оксида серы (6). Объёмный расход исходной смеси 110000 м³/ч. Концентрации компонентов в исходной смеси: оксид серы (4) 0,11; оксид серы (6) 0,01; остальное азот. Концентрации компонентов в конечной смеси: азот 0,83; остальное оксид серы (4); оксид серы (6); кислород. Дополнительно рассчитать степень превращения диоксида серы.

Рассчитать  количество теплоты, которое необходимо отвести из реактора, чтобы температура на выходе составляла 650С. Температура входной смеси 480С, потери тепла в окружающую среду составляют 5% от теплоты, поступающейс потоком исходных веществ.

 

Решение:

Составим уравнение  реакции в обычном виде с учетом стехиометрических коэффициентов.

Кратко обозначим  вещества латинскими буквами

М_А=64 [кг/кмоль]

М_В=32 [кг/кмоль]

М_С=80 [кг/кмоль]

Инертное вещество – азот N₂ – I

M_I=28 [кг/кмоль]

Объемные доли:

Z_A1=0.11

Z_С1=0.01

Z_I2=0.83

V₀₁=110000 [м³/ч]

П=9500 [м³/ч]

 

V_c1= V₀₁*Z _c1 = 1100 м³/ч

V_c2= П+ V_c1= 9500+1100 = 10600 м³/ч

 

N_{C1 =} V_c1 /22,4 =49,107 кмоль/ч

N_{C2 =} V_c2 /22,4 =473,214 кмоль/ч

 

Составим балансовые уравнения по каждому веществу и  суммарное уравнение мольных потоков.

N_A1 – Y = N_A2

N_B1 – 0,5Y = N_B2

N_C1 + Y = N_C2

N_I1=N_I2

Суммируем потоки

N_A1 + N_B1 + N_C1 + N_I1 – 0,5Y = N_A2 + N_B2 + N_C2 + N_I2

Или

N₀₁ –0,5Y=N₀₂

Рассчитаем  значение Y:

Y= N_С2- N_С1 = 424,107 кмоль.ч

Определим суммарный  поток исходной смеси

N₀₁=110000/22,4 = 4910,714 кмоль/ч

N₀₂= N₀₁ – 0,5 Y = 4910,714-0,5*424,107 = 4698,661 кмоль/ч

Находим количество молей каждого вещества в конечной и исходной смеси

N_A1 =N₀₁∙Z_A1 = 4910,714 ∙0.11=540,179  кмоль/ч

N_I2 = Z_I2* N₀₂ = 0,83*4698,661 = 3899,889 кмоль/ч

N_A2 = N_A1-Y= 540,179-424,107 = 116,072 кмоль.ч

N_B2 = N₀₂ – N_A2 - N_B2 - N_C2 - N_I2 = 209,486 кмоль.ч

N_B1 = N_B2 + 0,5Y = 421,540 кмоль/ч

N_I1 = N₀₁ – N_A1 - N_B1 - N_C1 =3899,889 кмоль/ч

 

Теперь известны количества всех веществ в начальной  и конечной смеси.

Рассчитаем массы, объемы и мольные доли и запишем в таблицу полученные данные.

G_i = M_i ∙N_i

V_i = V_m ∙ N_i

  Z_i = N_i / N₀

 

 

 

 

 

Материальный  баланс

	Приход				Расход
Вещества	N, (кмоль/ч)	G,   кг/ч	V,  м3/ч	Z	N, (кмоль/ч)	G,   кг/ч	V,  м3/ч	Z
SO2 (A)	540,179	34571,46	12100,01	0,11	116,072	7428,608	2600,013	0,02
O2 (B)	421,540	13489,28	9442,496	0,09	209,486	6703,552	4692,486	0,05
SO3 (C)	49,107	3928,56	1099,997	0,01	473,214	37857,12	10599,99	0,10
N2 (I)	3899,889	109196,9	87357,51	0,79	3899,889	109196,9	87357,51	0,83
Итого	4910,714	161186,2	110000	1	4698,661	161186,2	105250	1