Практическая работа 3

Тема: Решение задач по определению оптимальных кинетических параметров различных химико-технологических процессов

Цель: Научиться решать задачи по определению оптимальных кинетических параметров различных химико-технологических процессов

Теоретические основы

     Катализом называется изменение скорости химических реакций или их возбуждение в результате воздействия веществ – катализаторов, - которые участвуют в реакции, вступая в промежуточные соединения с реагентами, но восстанавливают свой состав при окончании каталитического акта.

     Выход  х аммиака отвечает его содержанию в азото-водородной смеси

Х=,

где С_кон – концентрация аммиака на выходе из реактора; С_нач – концентрация аммиака на входе в реактор.

Производительность катализатора в колонне синтеза аммиака при данном давлении и составе азото-водородной смеси определяют по формуле

П = 0,771·Х·V_об ·β,

где 0,771 – масса 1м³ NH₃, кг; β – коэффициент, характеризующий уменьшение объема газа в результате реакции синтеза аммиака, определяемый по формуле

β =

Расход циркулирующего газа определяют по формуле

V_Г = П · V,

где V- расход азото-водородной смеси на 1 т NH₃ с учетом степени превращения.

Объем катализатора определяют по формуле

V_кат = V_Г/V_об 

Время контакта газа с катализатором определяют по формуле

t = V_св · 3600/V_p,

где V_p – рабочий расход азотоводородной смеси; V_св – свободный объем катализатора.

     Активностью, или производительностью, катализатора (А_к) называется практический выход продукта (т_практ.) с единицы поверхности (м²), массы (кг) или объема (м³) катализатора в единицу времени (мин, ч, сек)

А_к = т_практ./t · F_кат,  (кг/м²· ч)

А_к = т_практ./t · т_кат,  (кг/кг· ч)

А_к = т_практ./t · V_кат,  (кг/м³· ч)

Уравнение Аррениуса

ln k = ln k₀ -

Варианты заданий

Порядок выполнения работы

Задача 1. Определить производительность 1м³ катализатора синтеза аммиака при следующих условиях: концентрация аммиака в конечном газе (на выходе из реактора) С_кон = 26,5%(об), в начальном газе (на входе в реактор) С_нач = 2,7%(об). Объемная скорость газа V_об = 45000м³/(ч·м³).

Задача 2. Определить объем катализатора V_кат в колонне синтеза аммиака и время контакта t газа с катализатором по следующим исходным данным: производительность реактора 96 т NH₃ в сутки; объемная скорость V_об = 60000 м³/(ч·м³); степень превращения х = 20%. Свободный объем катализатора V_св = 30% от общего его объема. На 1 т NH₃ расходуется 3000м³ азото-водородной смеси. Рабочий расход азото-водородной смеси 264 м³/ч. Для упрощения расчета наличие инертных примесей в газе (Ar + CH₄) не учитывать.

Задача 3. На опытной установке по окислению аммиака на платиновом катализаторе получено в сутки 720кг HNO₃. Масса платинового катализатора 32г. Подсчитать активность катализатора.

Задача 4. Через колонну синтеза аммиака пропускается 30000м³/ч азото-водородной смеси. Количество катализатора в колонне 1,2м³; производительность ее 90000кг аммиака в сутки. Определить объемную скорость, время контакта и активность катализатора.

Задача 5. Определить производительность 2м³ катализатора синтеза аммиака при следующих условиях: концентрация аммиака в конечном газе (на выходе из реактора) С_кон = 34,2%(об), в начальном газе (на входе в реактор) С_нач = 3,8%(об). Объемная скорость газа V_об = 57000м³/(ч·м³).

Задача 6. Определить объем катализатора V_кат в колонне синтеза аммиака и время контакта t газа с катализатором по следующим исходным данным: производительность реактора 105 т NH₃ в сутки; объемная скорость V_об = 75000 м³/(ч·м³); степень превращения х = 35%. Свободный объем катализатора V_св = 20% от общего его объема. На 1 т NH₃ расходуется 5000м³ азото-водородной смеси. Рабочий расход азото-водородной смеси 280 м³/ч. Для упрощения расчета наличие инертных примесей в газе (Ar + CH₄) не учитывать.

Задача 7. Производительность контактной установки, работающей на ванадиевом катализаторе, равна 60000кг моногидрата H₂SO₄ в сутки. Количество катализатора, загружаемого в контактный аппарат, 14м³. Подсчитать активность катализатора.

Задача 8. Через колонну синтеза аммиака пропускается 65000м³/ч азото-водородной смеси. Количество катализатора в колонне 2,0м³; производительность ее 150000кг аммиака в сутки. Определить объемную скорость, время контакта и активность катализатора.

Задача 9. Определить производительность 1,8м³ катализатора синтеза аммиака при следующих условиях: концентрация аммиака в конечном газе (на выходе из реактора) С_кон = 28,6%(об), в начальном газе (на входе в реактор) С_нач = 2,4%(об). Объемная скорость газа V_об = 52000м³/(ч·м³).

Задача 10. На опытной установке по окислению аммиака на платиновом катализаторе получено за двое суток 1500кг HNO₃. Масса платинового катализатора 40г. Подсчитать активность катализатора.

Задача 11. Энергия активации реакции окисления двуокиси серы в серный ангидрид на промышленных катализаторах равна 71200 Дж/моль, а постоянный множитель (в уравнении Аррениуса) скорости этой реакции на платиновом асбесте, содержащем 0,2% платины, равен 6,1·10⁴. Подсчитать константу скорости реакции на платиновом асбесте при    а) 400⁰С; б) 525⁰С; в) 600⁰С.

Задача 12. Через колонну синтеза аммиака пропускается 42000м³/ч азото-водородной смеси. Количество катализатора в колонне 1,5м³; производительность ее 85000кг аммиака в сутки. Определить объемную скорость, время контакта и активность катализатора.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение катализа.

2. В чем заключается сущность катализа?

3. Назовите преимущества гетерогенного катализа.

4. Что представляет собой катализатор?

5. Назовите технологические характеристики катализаторов.