Примеры решения задач по дисциплине

Примеры решения задач по дисциплине
«Основы технологии нефтехимического синтеза»
Задача 1 (вариант 3(33))
В
лабораторных
условиях
было
проведено
каталитическое
гидродеалкилирование толуола. Дать оценку эффективности реакции
(определить конверсию толуола, выход бензола на пропущенный толуол и
селективность), исходя из материального баланса опыта: объём пропущенного
4
толуола 60 см3 (  20 — 0,876 г/мл), масса полученного газа – 3,84 г, катализата –
47,1 г (в том числе бензола – 14,6 г; толуола – 31,8 г; ксилолов – 0,7 г), потери
толуола составили 2% масс. Привести уравнение реакции и указать состав
образовавшихся при проведении опыта газов.
Решение:
Целевая реакция:
C6Н5–СН3 + Н2 → С6Н6 + СН4
Реакция с образованием ксилолов:
2C6Н5–СН3 → СН3–С6Н4–СН3 + С6Н6
Масса пропущенного толуола:
m1 т. = 60 ∙ 0,876 = 52,56 г.
Масса пропущенного толуола за вычетом потерь:
m2 т. = 52,56(1 – 2/100) = 51,51 г.
Конверсия толуола:
Кт. = 100(51,51 – 31,8)/51,51 = 38,3 %.
Выход бензола:
Вб. = 100 ∙ 14,6/51,51 = 28, %.
Молярная селективность толуола по бензолу:
С = 100(14,6/78)/(51,51/92) = 33,4 %.
Задача 2 (вариант 4(34))
Одним из способов получения акрилонитрила (мономера для
производства волокна нитрон) является окислительный аммонолиз пропилена.
На окислительный аммонолиз поступило: 1254 кг пропилена; 2360 кг
кислорода; 516 кг аммиака и водяной пар. Получено было 1000 кг
акрилонитрила, а также некоторое количество побочных продуктов: акролеина,
синильной кислоты, ацетонитрила, метана и диоксида углерода. При этом часть
пропилена и кислорода не прореагировали — соответственно 161 кг и 903 кг.
Рассчитать выход акрилонитрила от теоретически возможного, конверсию
пропилена и кислорода. Написать уравнения целевой реакции и реакций
образования побочных продуктов.
Решение:
Уравнение целевой реакции (образование нитрила акриловой кислоты):
CH2=CH–CH3 + 1,5O2 + NH3 → CH2=CH–C≡N + 3H2O
(1)
Уравнение реакции образования акролеина:
O
CH2=CH–CH3 + O2 → CH2=CH–C
+ H2O
(2)
H
Уравнение реакции образования синильной кислоты и ацетонитрила:
CH2=CH–CH3 + 2O2 + 2NH3 → HCN + CH3–C≡N + 4H2O
(3)
Уравнение реакции образования метана и ацетонитрила:
CH2=CH–CH3 + 0,5O2 + NH3 → СН4 + CH3–C≡N + H2O
(4)
Уравнение реакции образования углекислого газа:
CH2=CH–CH3 + 4,5O2 → 3СО2 + 3H2O
(5)
В реакцию вступило 1254 – 161=1093 кг пропилена, следовательно,
стехиометрический выход акрилонитрила (по уравнению реакции 1) составляет:
Gстех. = (53/42) · 1093 = 1379 кг,
53 и 42 – молярные массы акрилонитрила и пропилена соответственно,
кг/кмоль.
Выход акрилонитрила от теоретически возможного составляет:
В = 100 · 1000/1379= 72,5 %.
Конверсия пропилена:
Кпроп. = 100 (1254 – 161)/1254 = 87,2 %.
Конверсия кислорода:
Ккисл. = 100 (2360 – 903)/2360 = 61,7 %.
Задача 3 (вариант 10(40))
Этанол получают прямой гидратацией этилена на установке суточной
производительностью 260 тонн технического этанола (массовая доля спирта
составляет 0,924). Определить число реакторов-гидрататоров с объемом 10 м3
катализатора в каждом для обеспечения этой производительности, если степень
конверсии этилена за один проход через катализатор составляет 4,3 %,
селективность по этанолу — 95 %. Объёмная скорость подачи этилена —
2000 ч –1 .
Решение:
Производительность установки в расчёте на 100 %-ный этанол:
G = 260 ∙ 0,924 = 240,24 т/сутки = 10 010 кг/ч.
Массовый расход этилена (по уравнению реакции), необходимый для
производства 10 010 кг/ч этанола:
Gэт. = (10 010 ∙ 28)/46 = 6 093 кг/ч,
28 и 46 – молярные массы этилена и этанола соответственно, кг/кмоль.
Учитывая, что превращению подвергается 4,3 % этилена, а селективность
по этанолу составляет 95 %, практический расход этилена равен:
Gэт. пр. = 6 093/(0,043 ∙ 0,95) = 149 155 кг/ч,
следовательно, молярный расход этилена составит:
Nэт. = 149 155/28 = 5 327 кмоль/ч.
Объёмный расход этилена при нормальных условиях:
Vэт. = 5 327 ∙ 22,4 = 119 325 м3/ч,
22,4 – объём 1 кмоль газа при нормальных условиях, м3/кмоль.
Если объёмная скорость подачи этилена при нормальных условиях
составляет 2000 ч –1, то требуемый объём катализатора равен:
Vкат. = 119 325/2000 = 60 м3.
Число реакторов:
n = 60/10 = 6.
Задача 4 (вариант 30(60))
Производительность трубчатого реактора полимеризации этилена при
170 МПа равна 6000 кг полиэтилена в час. Реактор имеет диаметр 0,06 м и
длину 1000 м. Определить объемную скорость подачи этилена (при указанном
давлении и температуре газа 190 °С), если конверсия этилена равна 12,5%.
Решение:
Массовый расход этилена, необходимый для производства 6000 кг/ч
полиэтилена:
Gэт. = 6000/0,125 = 48 000 кг/ч,
0,125 – конверсия этилена в долях.
Объёмный расход этилена при давлении 170 МПа и температуре 190 °С:
Vэт. = (48 000 ∙ 22,4 ∙ 463 ∙ 0,101 ∙ 2,5)/(28 ∙ 273 ∙ 170) = 96,7 м3/ч,
22,4 – молярный объём газа при нормальных условиях, м3/кмоль;
463 = 190 + 273 – температура этилена, °К;
0,101 и 273 – давление (МПа) и температура (°С), соответствующие
нормальным условиям;
2,5 – коэффициент сжимаемости этилена при 170 МПа и 190 °С;
28 – молярная масса этилена, кг/кмоль.
Коэффициент сжимаемости найден по рисунку 7 (с. 21, [1]) при значениях
приведенных параметров, равных 33,2 (приведенное давление) и 1,64
(приведенная температура).
Приведенное давление: Рпр. эт. = 170/5,12 = 33,20,
приведенная температура: Тпр. эт. = 463/282,7 = 1,64.
5,12 – критическое давление этилена, МПа [2, приложение 15];
282,7 – критическая температура этилена, °К [2, приложение 15].
Объём реактора:
Vр. = 3,14(0,06/2)2 ∙ 1000 = 2,83 м3,
0,06 – внутренний диаметр трубчатого реактора, м.
Объёмная скорость подачи этилена:
w = 96,7 / 2,83 = 34,2 ч –1.
Литературные источники:
1 Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии
переработки нефти и газа. – М.: Химия, 1980. – 256 с.
2 Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии
нефти и газа. – Минск: Вышэйшая школа, 1989. – 122 с.
Условия задач взяты из методических указаний к выполнению
контрольной работы по дисциплине «Основы технологии нефтехимического
синтеза» (2012 г.; составитель — зав. кафедрой химической технологии
топлива и углеродных материалов, канд. пед. наук Бурая И.В.).