Podstawy zadań technologicznych

ZADANIA Z TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
Zadanie 1
Chlorek metylu otrzymuje się w procesie chlorowania metanu gazowym chlorem
(strumień WB). Strumień WA oprócz metanu zawiera azot (2 % molowe).
A
CH4
N2
CH3Cl, HCl
Cl2
B
C
CH4, N2
Proces chlorowania metanu prowadzi się stosując nadmiar metanu w stosunku do chloru.
W reakcji:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl
chlor zużywa się całkowicie.
Wydajność przetwarzania metanu w chlorek metylu wynosi
η
WC [CH 3 Cl]
;
WA [CH 4 ]
0≤ η≤1
Oblicz zależność ułamka molowego CH3Cl w strumieniu WC od wydajności procesu η.
aCH3Cl = f(η)
Zadanie 2
Utlenianie SO2 prowadzi się na katalizatorach wanadowych. Do reaktora doprowadza
się gazy uzyskane ze spalania siarki o składzie (w procentach molowych) 10 %, SO2, 11 % O2
i 79 % N2. Stopień przemiany SO2 w SO3 uzyskiwany na katalizatorze oznacza się x i
definiuje
x = xSO2 SO3 
WP SO 3 
W A SO 2 
Zawartość SO2 w gazach poreakcyjnych wynosi a (% mol.). Schemat instalacji:
A
SO2, O2, N2
AK
SO2, SO3
O2, N2
P
Przyjmując za podstawę bilansu natężenie strumienia A: WA = 100 kmol/h wyznacz
zależność a = f(x)
Zadanie 3
Syntezę amoniaku prowadzi się w reaktorze, do którego doprowadza się wodór i azot
z domieszką argonu. Ułamek molowy argonu w strumieniu A wynosi 0,02. Stosunek molowy
wodoru do azotu w strumieniu A wynosi 2,7. Przyjmując, że do instalacji doprowadza się 100
kmol/h gazu (WA = 100 kmol/h) oblicz zależność ułamka molowego amoniaku w strumieniu
B od stopnia przemiany wodoru w reaktorze (aNH3 = f(x)), 0  x  0,2).
A
B
REAKTOR
H2, N2, Ar
H2, N2, Ar, NH3
Zadanie 4
Chlorek potasu otrzymuje się z wodnego roztworu sylwinitu (sól, w której potas
występuje w postaci minerału - sylwinu) zawierającego 35 % mas. KCl. W procesie
krystalizacji otrzymuje się czysty KCl oraz roztwór pokrystalizacyjny zawierający a % mas.
KCl.
Oblicz
zależność
wydajności
krystalizacji
od
stężenia
KCl
w
roztworze
pokrystalizacyjnym.
A
 = f(a)
roztwór sylwinitu (KCl, NaCl, H2O)
=
G B [KCl]
G A [KCl]
KRYSTALIZATOR
Obliczenia prowadź zakładając, że w ciągu 1 godziny
przerabia
się
1000
kg
roztworu
sylwinitu
KCl
B
roztwór pokrystaliczny
a % KCl
C
(GA = 1000 kg/h).
Zadanie 5
Prażąc piryt FeS2 w strumieniu powietrza otrzymuje się gaz zawierający SO2, O2 i N2
oraz wypałki – Fe2O3. Przyjmując, że ułamek molowy tlenu w strumieniu P wynosi a O 2
( a O 2 = WP[O2]/WP) i ułamek molowy SO2 w strumieniu P wynosi a SO2 ( a SO2 = WP[SO2]/WP),
oblicz zależność a SO2 = f( a O 2 ). Obliczenia przeprowadź przyjmując za podstawę bilansu 10
kmol/h gazu opuszczającego reaktor (WP = 10 kmol/h).
Uproszczony skład powietrza: 20 % tlenu i 80 % azotu.
SO2, N2, O2
FeS2
A
P
REAKTOR
B
Fe2O3
powietrze
C
Zadanie 6
Gaz zawierający CO, CO2, H2 i N2 poddaje się konwersji parą wodną w celu
wzbogacenia go w wodór. Reakcja konwersji zachodzi w/g równania
CO + H2O
CO2 + H2
W procesie stosuje się nadmiar pary wodnej. Z gazów po konwersji usuwa się
nieprzereagowaną parę wodną (strumień C). Uproszczony schemat instalacji przedstawia
rysunek.
A
B
H2, CO
CO2, N2
R
CO, CO2, H2, N2, H2O
Skr
H2O
CO, CO2
H2, N2
P
H2O
C
Przyjmując skład strumienia A: H2 — 34 %, CO — 37 %, CO2 — 4 %, N2 — 25% molowych
i stosunek natężenia strumienia pary wodnej (strumień B) do strumienia A: W B/WA = 1,5 oraz
stopień przemiany (konwersji) tlenku węgla (II) w reaktorze 90 % oblicz ułamki molowe
wodoru, tlenku węgla (II) i tlenku węgla (IV) w strumieniu P. Za podstawę bilansu należy
przyjąć natężenie strumienia A: WA = 100 kmol/h.
Zadanie 7
Stężony kwas siarkowy (95 % mas.) otrzymuje się przez absorpcję SO3 w wieży
zasilanej H2SO4 o stężeniu
b % (strumień C). Strumień C powstaje przez zmieszanie
strumienia A (90% H2SO4) ze strumieniem D zawierającym kwas siarkowy (90%). Stosunek
natężenia strumienia zawracanego D do natężenia strumienia B wynosi n (GD/GB = n,
kg/h/kg/h). Przyjmując za podstawę bilansu 100 kg 95 % H2SO4/h (GB = 100 kg/h) znajdź
A
90% H2SO4
zależność pomiędzy stężeniem b %
kwasu siarkowego zasilającego wieżę (b
C
b% H2SO4
SO2, O2, N2
% mas.) i n (b = f(n)).
Masy molowe:
SO3, SO2
H2SO4 – 98 kg/kmol
H2O
D
O2, N2
95% H2SO4
– 18 kg/kmol
95% H2SO4
B
Zadanie 8
W procesie półspalania metanu w tlenie powstaje: acetylen, etylen, wodór, para
wodna,
tlenek i dwutlenek węgla oraz sadza. Gaz po procesie zawiera również
nieprzereagowany metan. Całkowity stopień przemiany metanu wynosi 95 %. Stężenie
metanu w mieszaninie z tlenem (strumień WA) wynosi 62 % objętościowych. Uproszczony
schemat procesu przedstawiono na rysunku:
WA
WE
WB
REAKTOR
FILTR
CH4, O2
WD
CO, CO2, H2, CH4
C2H2, C2H4
C (sadza), H2O
Stosunek molowy powstałego tlenku węgla do nieprzereagowanego metanu wynosi 10
(WE[CO]/WE[CH4] = 10). Stopień przemiany metanu w sadzę wynosi 2 % (WD[C]/WA[CH4]
= 0,02). Stosunek powstałej w reaktorze pary wodnej do tlenku węgla wynosi 1
(WD[H2O]/WE[CO] = 1).
Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmol/s strumienia WA oblicz zależność ułamka
molowego acetylenu (a) w strumieniu WE od n (n - stosunek molowy wytworzonego
acetylenu do sadzy (WE[C2H2]/ WD[C]= n).