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 толуола 60 см³ ( — 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.

Целевая реакция:

C₆Н₅–СН₃ + Н₂ → С₆Н₆ + СН₄
Реакция с образованием ксилолов:

2C₆Н₅–СН₃ → СН₃–С₆Н₄–СН₃ + С₆Н₆

m_{1 т.} = 60 ∙ 0,876 = 52,56 г.

m_{2 т.} = 52,56(1 – 2/100) = 51,51 г.

К_т. = 100(51,51 – 31,8)/51,51 = 38,3 %.

В_б. = 100 ∙ 14,6/51,51 = 28, %.

С = 100(14,6/78)/(51,51/92) = 33,4 %.

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.

Уравнение целевой реакции (образование нитрила акриловой кислоты):

CH₂=CH–CH₃ + 1,5O₂ + NH₃ → CH₂=CH–C≡N + 3H₂O (1)
Уравнение реакции образования акролеина:
CH₂=CH–CH₃ + O₂ → + H₂O (2)

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)

CH₂=CH–CH₃ + 4,5O₂ → 3СО₂ + 3H₂O (5)

G_стех. = (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 %.

К_проп. = 100 (1254 – 161)/1254 = 87,2 %.

К_кисл. = 100 (2360 – 903)/2360 = 61,7 %.

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 .

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:

G_эт. = (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:

G_{эт. пр.} = 6 093/(0,043 ∙ 0,95) = 149 155 кг/ч,

N_эт. = 149 155/28 = 5 327 кмоль/ч.

V_эт. = 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:

V_кат. = 119 325/2000 = 60 м³.
Число реакторов:

n = 60/10 = 6.

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%.

Массовый расход этилена, необходимый для производства 6000 кг/ч полиэтилена:

G_эт. = 6000/0,125 = 48 000 кг/ч,

0,125 – конверсия этилена в долях.

V_эт. = (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: Р_{пр. эт.} = 170/5,12 = 33,20,

приведенная температура: Т_{пр. 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:

V_р. = 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.

1 Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. – М.: Химия, 1980. – 256 с.