Инженерные расчеты в химической технологии

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Чувашский государственный университет  имени И.Н. Ульянова

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра химической технологии и охраны окружающей среды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине «Теория химико-технологических  процессов органического синтеза»

Инженерные  расчеты в химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила

 

 

 

Чебоксары 2013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

  1. Материальные расчеты
  2. Кинетические исследования
  3. Экономические расчеты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Материальные расчеты
    • Задача 1

 

 

Β

1,2

п1

1,5625

п2

5,63

   



 

 

4FeS2+11O2→8SO2+2Fe2O3

      
 

S+O2→SO2

      

Вещество

Конц.%

Молек.масса

Количества  вещ-ва

     

Кмоль

кг

Приход

        

1)Колчедан,

      

1000

в том числе:

        

FeS2

75

120

6,25

750

S

18

32

5,63

180

H2O

3

18

1,67

30

примеси

4

    

40

2)О2

  

32

27,375

876

       

1876

Расход

        

1)FeS2

  

120

7,8125

  

2)SO2

  

64

18,13

1160

3)Fe2O3

  

160

3,125

500

4)O2

  

32

4,56

146

5)примеси

      

40

6)H2O

      

30

Потери SO2

2,5

64

    
       

1876,00


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • Задача 2

 

 

C4H10→C3H6+CH4

      
 

C4H10→C2H4+C2H6

      
         

Вещество

Конц.%

Молек.масса

Количество  в-ва

 

Кмоль

кг

Приход

  

Газ,в том  числе

        
         

1)С4Н10

95

58

31,328321

1817,043

2)N2

5

28

1,648859

46,1681

       

1863,211

Расход

        

1)С4Н10

  

58

6,2656642

363,4085

2)С3Н6

100

42

23,809524

1000

3)СН4

  

16

23,809524

380,9524

4)С2Н4

  

28

1,2531328

35,08772

5)С2Н6

  

30

1,2531328

37,59398

6)N2

  

28

1,648859

46,16805

       

1863,211


 

Ха

0,8

   

Фв

0,95

Фz

0,05

п1

23,80952

п2

1,253133


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • Задача 3

 

Вещество

Конц.%

Мол.масса

Количества  вещества

  

Объем, см3

Плотность

     
     

моль

г

  

г/мл

      

Получено

                  

1)CH3COOC2H5

  

88

0,227273

20

      

п1

0,227273

2)С2Н5ОН

  

46

0,4249

19,5454545

      

п2

0,227

3)С6Н6

  

78

0,846154

66,00

          

CH3COCl

  

78,5

0,052982

4,16

          

Поглотительный  раствор:

                  

Н2О

  

18

4,671717

84,0909091

          

NaСl

  

58,5

0,227273

13,2954545

          

NaOH

  

40

0,272727

10,9090909

          

Итого

      

218,00

          

Загружено

                  

1)Бензольный  раствор 

      

88,00

100

0,88

      

бензол

75

78

0,846154

66,00

          

СH3COCl

25

78,5

0,280255

22,00

          

2)C2H5OH

  

46

0,652174

30

          

Поглотительный  раствор:

      

100

          

Н2О

80

18

4,44444

80

          

NaOH

20

40

0,50000

20

          

Итого

      

218,00

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Кинетические исследования

 

    • Задача 1

При исследовании кинетики реакции

в периодических условиях в ацетона при 80˚С проведено 7 опытов. Опыты 1-3 проведены при постоянных значениях начальных концентраций исходных реагентов, а опыты 4-7 – при разных значениях. Значения начальных концентраций реагентов представлены в таблице:

Реагенты

Начальные концентрации реагентов, моль/дм2, в опытах

1

2

3

4

5

6

7

С5Н11Br

0,3

0,3

0,3

0,4

0,2

0,2

0,2

LiCl

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

2,0

1,0


           Получены следующие зависимости  концентрации бромида лития LiBr(моль/дм3) от времени (t, мин):

Опыты 1-3

t

12

24

36

48

60

72

96

120

LiBr

Опыт 1

0,0302

0,0570

0,0806

0,098

0,121

0,131

0,171

0,193

Опыт 2

0,0298

0,0538

0,0841

0,0998

0,119

0,135

0,167

0,192

Опыт 3

0,0291

0,0541

0,0815

0,0972

0,120

0,128

0,168

0,189

Опыт 4

t

13

26

39

52

65

78

104

130

LiBr

0,0414

0,082

0,109

0,138

0,165

0,193

0,239

0,261

Опыт 5

t

12

24

36

48

60

72

96

120

LiBr

0,0196

0,0385

0,054

0,0701

0,0791

0,0954

0,108

0,131

Опыт 6

t

20

40

60

80

100

120

160

200

LiBr

0,0227

0,041

0,0588

0,0715

0,085

0,105

0,117

0,135

Опыт 7

t

45

90

135

180

225

270

360

450

LiBr

0,0245

0,0404

0,0660

0,0784

0,0904

0,101

0,122

0,142


 

 

 

  1.  Вводим данные для параллельных реакций 1-3. Задаем  концентрации реагентов, число параллельных точек и количество реагентов n1 и n2. Задаем время и результаты по реагенту Z

 

















 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Формулы для расчета концентрации реагентов СА и СУ:





 





 





 

 

3. Задаем формулу для расчета  каждого реагента. Из таблицы  выбираем формулу для линеаризации.



 

 

 



 

 

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Проверяем прямолинейность  функции. Строим график

5. Объединяем экспериментальные  данные опытов 1-3.





 

 

6. Рассчитываем константу  скорости реакции:



 

 

7. Проводим статистическую  обработку полученных результатов.

 

а) среднее значение концентрации реагента А:

 



 

 

 

б) расчет функции Yr



 

 

в) среднее отклонение концентрации реагента А



 

 

г) среднее отклонение функции:



 

 

 

д) расчет дисперсии воспроизводства  функции:



 

 

 

 



е) расчет дисперсии адекватности:

 

 

 

 

 

 

 

ж)расчет критерии Фишера



 

 

 

значение критерия Фишера:





 

 

 

 

8. Расчет доверительного  интервала средняя квадратичная  ошибка в константе:

а) расчет среднего квадратичной ошибки в константе:



 

 

 

 

б) расчет критерии Стьюдента:



 

 

доверительный интервал:



   

 

9. Расчет коэффициента корреляции:



 

 

10. Константа скорости:





 

 

 

 

11. Расчет константы скорости для 4 опыта:

 



 



Задаем параметры стадии:

 

 



 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы для расчета  концентрации реагентов СА и СУ:





 

 

 

 



Задаем уравнение

 

 

 



И рассчитываем константу скорости k4:

 

Константа скорости k4 находится  в доверительном интервале.

 

12. Расчет константы скорости для 5 опыта:

Задаем параметры стадии: начальные концентрации, время и  результаты по реагенту А:





 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы для расчета  концентрации реагентов СА и СУ





 

 

 

 



Задаем уравнение

 

 



И рассчитываем константу  скорости k5

 

 

Константа скорости k5 находится  в доверительном интервале.

 

 

13. Расчет константы скорости для опыта 6:



Задаем параметры стадии





 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы для расчета концентрации реагентов СА и СУ:



 



 

 



Задаем уравнение:

 

 



И рассчитываем константу скорости k6:

 

Константа скорости k6 находится  в доверительном интервале.

14. Расчет константы скорости для 7 опыта:

Задаем параметры стадии:



 



 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы для расчета  концентрации реагентов СА и СУ:



 



 

 

Задаем уравнение:



 

 

 

 

 

И рассчитываем константу  скорости k7:

 



 

 

Константа скорости k7 находится  в доверительном интервале

15.











 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод:

реакция протекает по нуклеофильному замещению SN2(одностадийная реакция).  Кинетическое уравнение:

r = (k±∆k)CA CY    

r=(0,00294±0,00002) САСY моль/дм3*с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • Задача 2

 

 

4НСl+O2↔2Cl2+2H2O

            
                 

Вещество

∆Н˚,кДж/моль

S˚, Дж/(моль*К)

а

в*10 ^3

с*10^5

Tкр

    

НСl

-92,3

186,7

26,53

4,6

1,09

324,6

    

О2

0

205,03

31,46

3,39

-3,77

154,8

    

Сl2

0

223

36,69

1,05

-2,52

417,2

    

H2O

-241,84

188,74

30

10,71

0,33

647,4

    

Реакция

-114,48

-128,35

-4,2

1,73

-4,97

      
                 
                 
         

Ркр

t

p

γ

t(К)

1060

      

81,5

3,266

0,736

1,009

р(Па)

6

60

    

50,1

6,848

1,198

1,015

β(y)

1,05

      

76,1

2,541

0,788

1,002

         

218,3

1,637

0,275

0,987

 

M0

0,549

            
 

M1

0,274

            
 

M-2

0,291

    

Р1

9,692

    
 

∆G

25045,73

    

Р2

28,013

    
 

lnKa

-2,8420

    

Р3

11,148

    
 

Ка

0,0583

    

Р4

11,148

    
 

Kγ

0,93

      

60,000

    
 

Kp

0,0627

    

N

1,8758

    
 

Ха

0,697

            

 


                
                 
                 
                 
                 
                 
                 
                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • Задача 2

 

Целевой продукт реакции  В получают по реакции второго  порядка при взаимодействии реагентов  А и Y. Параллельно протекает реакция второго порядка, в ходе которой образуется продукт D.

A+Y→B+…

A+Y→D+…

Исходные реагенты взяты  в эквимолекулярном соотношении  с начальными концентрациями СА0=СY0=0,5 моль/л.

В периодических условиях получены следующие экспериментальные  данные:

t, мин

3,5

7

10,5

14

17,5

21

28

35

СА

0,452

0,408

0,367

0,328

0,297

0,264

0,218

0,173

СВ

0,033

0,062

0,089

0,114

0,134

0,157

0,187

0,217


 

1.Рассчитать константы  скорости целевой и побочной  реакции.

2.Рассчитать оптимальную  степень конверсии, стоимость  продукта В, начальный мольный  поток FA0, мольный поток побочного продукта D-FD, а также объемы реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения, если процесс проводят без рецикла, а побочный продукт реализуется.

3.Рассчитать оптимальную  степень конверсии, стоимость  продукта В, начальные мольные  потоки  FA00 и FY0 , возвратный мольный поток  FA, и мольный поток побочного продукта D-FD, а также объемы реакторы идеального смешения и реактора идеального вытеснения, если процесс проводится с выделением и рециркуляцией реагента А, а побочный продукт не используется.

 

Поток целевого продукта В, кмоль/ч

5

Стоимость реагента А, руб/кмоль

2

Стоимость реагента Y, руб/кмоль

0,8

Стоимость продукта D, руб/кмоль

0,2

Затраты на амортизацию  оборудования, SRV, руб*м-3*ч-1

0,01

Затраты на выделение  и рециркуляцию непревращенного  реагента А, руб/кмоль

0,1

Начальные концентрации реагентов СА0=СY0, моль/л

0,5


 

 

 

 

 

 

 

 

С рециклом

 




 




 

1.Вносим данные 











 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Концентрация побочного  продукта



 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Проверка линейности соотношения СВ и СD, график:

4.Расчет константы  скорости:

4.1 объединение векторов:





 

 

 

 

4.2 константа отношения



 



4.3 прямолинейность функции







 

 

 

 

 

4.4.Константа суммарная:





 

 

4.5 Константа скорости:

 



 

 

 

 





 

 



5. Вводим данные для  процесса без рецикла:







 









 

 

6. Расчет селективности:

 



 

 

 

 

7. Расчет степени конверсии:



 

 

 





 

 



 

 



 

 

8. Начальный мольный поток:



 

 

 

9. Мольный поток побочного  продукта:



 

 

 

10. Себестоимость продукта  В:



 

 

11. Объем РИВ:

 

12. Объем РИС:



 

 

 

13. Вводим данные для процесса с рециклом:















 



 

 

14. Расчет степени конверсии:



 

 





 

 

 

 

 



 

15.Возвратный мольный  поток:

 



 

 

16. Начальные мольные  потоки FA00 и FY0:



 



 

 

17.Мольный продукт  побочного продукта:



 

 

18. Себестоимость продукта В:



 

 

19. Объем  РИС:

 



 

 

 

 

 

20. Объем РИВ:



 

 

 

 

 

Вывод: степень конверсии, себестоимость и объемы реакторов  при процессе без рецикла больше, чем в процессе с рециклом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Экономические расчеты

 

    • Задача 1

Хлорпентан  получают в условиях работы № 6  в РИС. Реагенты подаются в реактор с одинаковой объемной скоростью.

Рассчитать оптимальную  степень конверсии бромпентана, стоимость процесса, себестоимость  хлорпентана, объем РИС, объемную скорость, мольные потоки реагентов на входе  и выходе из реактора, если процесс проводят без рецикла и с рециклом непревращенного бромпентана. Производительность по хлорпентану FB=6 моль/ч. начальные концентрации бромпентана- 10 кмоль/м3, хлорида лития-30 кмоль/м3. Стоимость реагентов: бромпентан-5 руб/кмоль; хлорид лития – 1 руб/кмоль. Переменные затраты на оборудование составляет 0,3руб/(м3 *ч). Стоимость рецикла- 0,5 руб/кмоль. Значение константы скорости реакции взять из работы №6.

 

1.Вносим  данные для  процесса с рециклом:









 





 



 



 

 

2. Расчет оптимальной  степени конверсии бромпентана:









 

 

 

 

 

3. Себестоимость хлорпентана:

 



 

 

4.  Расчет мольных  потоков реагентов А и Y на входе и на выходе из реактора:









 

 

 

 

5. Расчет объемной  скорости реагентов A и Y:





 

 

 

6. Расчет объема РИС:



 

 

 

7. Расчет стоимости  процесса:



 

 

8. Данные для процесса  без рецикла:













 

 



 

 

9.Оптимальная степень  конверсии бромпентана:










 

 

 

 

 

 

 

10. Себестоимость хлорпентана 



 

 

 

11. Расчет мольных потоков  реагентов А и Y на входе и на выходе из реактора:





 



 



 

 

 

12. Расчет объемной  скорости реагентов A и Y:





 

 

 

13. Расчет объема РИС:



 

 

 

 

14. Стоимость процесса:



 

 

 

Вывод: При проведении процессов без рецикла себестоимость, степень конверсии, объем РИС  больше чем с рециклом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Инженерные расчеты в химической технологии 📙 Курсовая → 🆔 89140

Инженерные расчеты в химической технологии 📙 Курсовая → 🆔 89140