Расчет материального баланса химико-технологического процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Ярославский государственный технический университет»

Кафедра «Химическая технология органических веществ»

ЯГТУ 18.03.01-015 к/р

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Контрольная работа по дисциплине:

Химическая технология органических веществ

Работу выполнил

студент гр. ЗО-40

Шарафутдинов Р.И.

Преподаватель канд. хим. наук, доцент Г. В. Рыбина

2018

Содержание

1. Задание

2. Влияние температуры 350, 375, 400 К при давлении 0,1 Мпа

3. Мольный баланс реакции

4. Расчет равновесного состава процесса при различных условиях

5. Расчет теплового эффекта и количества тепла при равновесной степени превращения при 500 К по методу Франклина

6. Расчет селективности по В и С

7. Расход А в кг/ч на получение 400кг/ч В при 400К

8. Материальный баланс

Заключение

Список использованных источников



1. Задание

Рассчитать равновесную степень превращения и равновесный состав реакционной смеси при условиях, указанных в п.1:

1) Влияние температуры 350, 375, 400 К при давлении 0,1 МПа;

2) Построить график зависимости Ni= f(Т);

3) Найти тепловой эффект реакции при превращении 1т А в смесь изомерных метилбутенолов

4) Найти селективность по В и С при всех температурах;

5) Составить таблицу материального баланса реакции при лучших условиях при получении 400 кг/ч компонента В.

2. Влияние температуры 350, 375, 400 К при давлении Р = 0,1 МПа

метилбутенол селективность изомерный материальный

Рассчитываем изменение стандартной энергии Гиббса образования веществ по методу Чермена [с. 258, 1]. В таблице 1 представлены групповые составляющие и поправки на отклонение в структуре углеводорода для вычисления ?G?Тобр.

Вещество А



Таблица 1 - Групповые составляющие и поправки на отклонение структуре углеводорода для вычисления ?G?Тобр для вещества А

Группы	Количество	А, ккал/моль	В ·102, ккал/(моль.К)
- СH3	3	-10,833	2,176
- CH2	2	-5,283	2,443
- C -	1	3,06	3,636
- ОН перв	1	-42,959	1,134
Итого:	7	-82,964	16,184

?G?обр= A+B T, (1)

где A, B - находится суммированием групповых составляющих;

T- температура, К.

По формуле (1) рассчитываем ?G?Тобр вещества А:

?G350°=-82,964+0,162·350=-26,32 ккал/моль;

?G375°=-82,964+0,162·375=-22,274 ккал/моль;

?G400°=-82,964+0,162·400=-18,228 ккал/моль.

Метод Франклина берем при 400К (ближайшее значение)

Группа	Количество	ДH	ДG
-CH3	3	-10,71	-2
-CH2	2	-5,223	4,479
-C-	1	1,07	15,00
-OH	1	-41,9	-36,6
Итого	7	83,406	-18,642

Вещество В:



Таблица 2 - Групповые составляющие и поправки на отклонение структуре углеводорода для вычисления ?G?Тобр для вещества В

Группы	Количество	А, ккал/моль	ВЧ102, ккал/моль. К
- СH3	3	-10,833	2.176
-CH2	1	-5.283	2.443
-CH = С-	1	20.273	2.306
Итого:	5	-17.509	11.277

По формуле (1) рассчитываем ?G?Тобр вещества В:

?G350°=-17.509+0,113·350=21.9605 ккал/моль;

?G375°=-17.509+0,113·375=24.7800 ккал/моль;

?G400°=-17.509+0,113·400=27.599 ккал/моль.

По методу Франклина при 400К

Группа	Количество	ДH	ДG
CH3-	3	-10,71	-2
-CH2-	1	-5,223	4,479
-C=CH-	1	20,10	28,88
Итого	5	-17,253	27,359

Вещество С:

Таблица 3 - Групповые составляющие и поправки на отклонение структуре углеводорода для вычисления ?G?Тобр для вещества С

Группы	Количество	А, ккал/моль	ВЧ102, ккал/моль.К
- СH3	2	-10,833	2,176
-CH2-	2	-5,283	2,443
CH2 = С-	1	16,823	1,864
Итого:	5	-15,409	11,102

По формуле (1) рассчитываем ?G?Тобр вещества С:

?G350°=-15,409+0,111·350=23,448 ккал/моль;

?G375°=-15,409+0,111·375=26,2235 ккал/моль;

?G400°=-15,409+0,111·400=28,999 ккал/моль.

По методу Франклина:

Группа	количество	ДН	ДG
-CH3-	2	-10,71	-2
-CH2-	2	-5,223	4,479
-CH2=C-	1	16,68	24,36
Итого	5	-15,186	29,318

Вещество Z: Н2О

Таблица 4 - Групповые составляющие и поправки на отклонение структуре углеводорода для вычисления ?G?Тобр для вещества Z

Группы	Количество	А, ккал/моль	ВЧ102, ккал/моль.К
Н2О	1	-58,676	1,154
Итого:	1	-58,676	1,154

По формуле (1) рассчитываем ?G?Тобр вещества Z:

?G350°=-58,676+0,012·350=-54,037 ккал/моль;

?G375°=-58,676+0,012·375=-53,7485 ккал/моль;

?G400°=-58,676+0,012·400=-53,46 ккал/моль.

Рассчитываем изменение энергии Гиббса химических реакций при заданных температурах по формуле:

ДGхр= ?(нi·ДGi)прод. - ?(нi·ДGi)исх., (2)

где нi - стехиометрический коэффициент;

ДGi - изменение стандартной энергии Гиббса образования вещества при данной температуре.

Рассчитываем ДGхр для реакции А В+Z при заданных температурах по формуле (2):

ДGхр350 = (21,9605 - 54,037) - (- 26,32) = -5,7565 ккал/моль;

ДGхр375 = ( 24,78- 53,7485) - (- 22,274) = -6,6945 ккал/моль;

ДGхр400 = (27,599 - 53,46) - (- 18,228) = -7,633 ккал/моль.

Рассчитываем ДGхр для реакции А С+Z при заданных температурах по формуле (2):

ДGхр350 = (-54.037+23.448) - (- 26.32) =- 4.269 ккал/моль;

ДGхр375 = (-53.7485+26.2235) - (- 22.274) = - 5.251 ккал/моль;

ДGхр400 = (-53.46+28.999) - (- 18.228) = - 6.233 ккал/моль.

Рассчитываем константу равновесия по уравнению Ван-Гоффа:

(3)

где R - универсальная газовая постоянная.

R = 1,987•10-3 ккал/(моль•град) [с.142,2]

Рассчитываем константу равновесия для первой реакции A -B+Z:

Аналогично рассчитываем константу равновесия для второй реакции A-C+Z:



3. Мольный баланс реакции

Таблица 5 - Мольный баланс

	А	В	С	Z
ni0	1	-	-	-
ni	1 - x1 - x2	x1	x2	(x1+x2)

1 - x1 - x2 + x1 + x2 + (x1+x2)= 1 + x1+ x2;

Рассчитываем равновесную степень превращения:

;. (4)

;

где - стехиометрический коэффициент вещества;

- разница стехиометрических коэффициентов;

- общее давление системы, атм.

; (5)

Решаем данную систему уравнений и находим равновесную степень превращения для первой и второй реакций при температуре 350 К:

X3501 =0.894471

X3502 =0.105302

Аналогично решаем данную систему уравнений и находим равновесную степень превращения для первой и второй реакций при температуре 375 К:

X3751 =0.873955

X3752 =0.125935

Аналогично решаем данную систему уравнений и находим равновесную степень превращения для первой и второй реакций при температуре 400 К:

X4001 =0.853342

X4002 =0.1466

Рассчитываем равновесный состав смеси при температуре 350 К:

nA=1-x1-x2=1-0.8945-0.1053=0.0002;

nВ =x1=0.8945;

nC=0.1053;



nZ=(x1+x2)=0.8945+0.1053=0.9998;

Рассчитываем равновесный состав смеси при температуре 375 К:

nA=1-x1-x2=1-0.873955-0.125935=0.00011

nВ =x1=0.873955;

nC=0.125935;

nZ=(x1+x2)=0.99989;

Рассчитываем равновесный состав смеси при температуре 400 К:

nA=1-x1-x2=1-0.853342-0.1466=0.00006;

nВ =x1=0.853342; nC=0.1466;

nZ=(x1+x2)=0.999942;

4. Расчет равновесного состава процесса при различных условиях

(6)

где - равновесная концентрация определяемого компонента.

При температуре 350К:

?ni=1+x1+x2=1+0.9998=1.9998

При температуре 375К:

?ni=1+x1+x2=1+0.873955+0.125935=1.99989

При температуре 400К:

?ni=1+x1+x2=1+0.853342+0.1466 =1.9999

Таблица 6 - Мольные доли компонентов и равновесные степени превращения при заданных температурах

Т	Х1	Х2	NA	NB	NC	NZ
350	0,8945	0,1053	0,0001	0,4473	0,0527	0,5
375	0,874	0,1259	0,00005	0,43702	0,063	0,4685
400	0,8533	0,1466	0,00005	0,4267	0,0733	0,5



В соответствии с данными таблицы 6 строим графики зависимости Ni =f (T)

Рисунок 1 - График зависимости NА =f (T).

Рисунок 2 - График зависимости NB=f (T).



Рисунок 3 - График зависимости NС =f (T).

Рисунок 4 - График зависимости Nz =f (T).

5. Расчет теплового эффекта реакции при превращения 1 т А в смесь изомерных метилбутенолов методу Франклина на 400К [с.248,1]

Энтальпия

2,2-бутанола (А) равна -83,406 ккал/моль

2-метил 2-пентена (В) равна -17,253 ккал/моль

2-метил пентена (С) равна -15,186 ккал/моль

Рассчитываем тепловой эффект реакций по формулам (7) и (8):

ДHхP1= HB - HA (7)

ДHхP2= HC - HA (8)

ДHх.р.1= -17,253 - ( -83,406 )=66,153 ккал/моль;

ДHх.р.2= -15,186 - ( -83,406 )= 68,22 ккал/моль.

Обе реакции протекают в одном реакторе. Необходимо найти суммарный тепловой эффект по формуле (9):

(9)

Д?Hх.р.= 66,153 • 0,4267 + 68,22 •0,0733 =28,2275 + 5,0005 =33,228ккал/моль.

М (В или С)= 84г/моль; 1т=1000кг;

1000кг / 84г/моль =11,905кмоль;

Тепловой баланс равен 11,905 • 33,228=395579,34 ккал/кмоль

6. Расчет селективности по В и С веществам

Для расчета селективности, необходимо рассчитать конверсию вещества А по формуле (10):

(10)

X350=;

X375=;

X400=.

Селективность определяется по формуле (11):

(11)

;

;

;

;

.

7. Расход А в кг/ч на получение 400кг/ч В при 400К

На 1 моль реагента (А) получается 0,853342 моль продукта (В), отсюда, приняв за Х составим пропорцию :

468,745кг реагента (А) необходимо для получения 400кг продукта (В).



8. Составить таблицу материального баланса на 400кг продукта (В) в лучших условиях

Компонент	Моль. масса	Взято	Получено
		масса	Мас. доля	Моли	Мол. доли	масса	Масс. доля	моли	Мол. доли
С6H12OH	102	569,211	1	5,5805	1	0,0612	0,00011	0,0006	0,00005
C6H12(B)	84	-	-	-	-	400	0,703	4,7619	0,4267
C6H12(C)	84	-	-	-	-	68,712	0,121	0,818	0,0733
H2O	18	-	-	-	-	100,44	0,1765	5,58	0,5
Итого		569,211	1	5,5805	1	569,2132	1	11,605	1

Мольные доли взяты из расчёта.

n==4.7619кмоль

n==5.58кмоль

n==0.818 кмоль

n==0.0006 кмоль

?n =4.7619+5.58+0.818+0.0006=11.605кмоль

m(A)=0.0006*102=0.0612кг

m (С)= 0,818*84=68,712кг

m (Z)=5,58*18=100,44кг

?m = 0.0612+68.712+100.44+400=569.2132кг

Мас.доля А=0,0612/569,2132=0,00011

Мас.доля В=400/569,2132= 0,703

Мас.доля С=68,712/569,2132=0,121

Мас.доля Z =100,44/569,2132 = 0,1765

?мас.доли =0,00011+0,703+0,121+0,1765=1,000



Заключение

1. Исследовано влияние температуры на сложную реакцию получения продуктов: 2-метил 2-пентена, 2-метил пентена и воды из 2,2-диметилбутанола. Показано, что с повышением температуры равновесие реакции смещается в сторону продуктов реакции, о чем свидетельствует увеличение равновесной степени превращения и увеличение энергии Гиббса.

2. Тепловой баланс при превращении 1 т. реагента А в смесь продуктов составляет 395579,34 ккал/кмоль. Общая энтальпия реакции, в соответствии с расчетами,-положительная, значит реакция эндотермическая, и проходит с поглощением тепла.

3. С ростом температуры также наблюдается падение селективности продукта В и рост селективности С. Отсюда, если целевой продукт-продукт В, то повышение температуры не рекомендуется.

4. В ходе расчетов составлена таблица материального баланса на получение 400кг реагента 2-метил 2-пентена (В).



Список использованных источников

1. Казанская А.С. Расчеты химических равновесий / А.С. Казанская, В.А. Скобло : Учебное пособие для вузов под редакцией Г.М. Панченкова - М.: «Высшая школа», 1974. - 288 с.

2. Сталл Д. Химическая термодинамика органических соединений / Д. Сталл, Э. Вестрам, Г. Зинке. М.: Издательство «Мир», 1971. - 472с.

Размещено на Allbest.ru

...