SINTEZA PROCESOV

Majda KRAJNC

SINTEZA PROCESOV

zbirka rešenih nalog zbrano gradivo

Maribor, 2015

Majda Krajnc, Sinteza procesov, zbirka rešenih nalog

Avtorica: doc. dr. Majda Krajnc Vrsta publikacije: zbrano gradivo Založnik: FKKT Univerze v Mariboru Naklada: On-line

Dostopno na naslovu: http://www.fkkt.um.si/egradiva/egradiva.php

in na univerzitetnem učnem okolju Moodle pri predmetu Sinteza procesov.

Gradiva iz publikacije, brez dovoljenja avtorice, ni dovoljeno kopirati, reproducirati, objavljati ali prevajati v druge jezike.

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Univerzitetna knjižnica Maribor

66.02(075.8)(076.2) KRAJNC, Majda

Sinteza procesov [Elektronski vir] : zbirka rešenih nalog : zbrano gradivo / Majda Krajnc. – 1. izd. - Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2015

ISBN 978-961-248-467-5 COBISS.SI-ID 80379393

i

Predgovor

Zbirka rešenih nalog je nastajala 18 let, vse od časa, ko sem pričela predavati vsebino predmeta Sinteza procesov. Naloge so praktična uporaba teorije, ki je zajeta v zbranem gradivu Sinteza procesov in sem jih z leti dopolnjevala tako vsebinsko kot slikovno.

Leta 2004 mi je bila v veliko pomoč pri izdelavi gradiva študentka Tanja Rakovec, ki je naloge prenesla v elektronsko obliko. V tem letu je bila zbirka posredovana študentom tretjega letnika visoko strokovne smeri pri predmetu Sinteza procesov. Dosegljiva je bila v elektronskem učnem okolju ELEUM in kasneje v Moodlu. Uporabljali so jo kot dopolnilo pri študiju in pripravah na pisni del izpita.

V študijskem letu 2013/2014 sem zbirko »modernizirala« in vključila v vsebino, kjer je bilo mogoče, numerične metode, ki jih lahko programiramo ali so dosegljive v MS Excelu. Prav tako so slike novelirane in izdelane s programom Excel. Na ta način sem hotela povezati vsebino predmetov Procesno računanje I in II, ki ju spoznavajo študentje v 1. letnika iste študijske smeri, z vsebino pri predmetu Sinteza procesov, ki je nadgradnja predmetov.

Študentom želim, da bi zbirka omogočila širši vpogled v vsebino predmeta, razširila znanje o načrtovanju kemijskih procesov ter vzbudila kreativno reševanje problemov.

doc. dr. Majda Krajnc

V Mariboru, 2015

ii

iii

Vsebina stran

PREDGOVOR

1. TEHNIKA PROCESNIH SISTEMOV 1

2. SINTEZA REAKCIJSKIH POTI 3

1. Naloga: Pridobivanje vinilklorida 3

2. Naloga: Leblancov postopek pridobivanja sode 5

3. Naloga: Proizvodnja fenola 7

4. Naloga: Pridobivanje NaOH 8

3. SNOVNE BILANCE IN RAZPOREJANJE KEMIJSKIH KOMPONENT 11

1. Naloga: Masa in prostornina raztopine 11

2. Naloga: Masa raztopine 12

3. Naloga: Masna bilanca procesa I 13

4. Naloga: Masna bilanca procesa II 14

5. Naloga: Proizvodnja fenola 17

6. Naloga: Separacija trdnih delcev 19

7. Naloga: Pridobivanje K-mila 20

8. Naloga: Pridobivanje fenola 23

4. IZBIRA SEPARACIJSKE NALOGE 27

1. Naloga: Separacijsko zaporedje I 27

2. Naloga: Separacijsko zaporedje II 29

3. Naloga: Separacijsko zaporedje III 31

4. Naloga: Separacijsko zaporedje IV 33

5. Naloga: Separacijsko zaporedje V 35

6. Naloga: Separacijsko zaporedje VI 36

5. KEMIJSKA REAKCIJSKA TEHNIKA 39

1. Naloga: Piroliza etana 39

2. Naloga: Hitrost reakcije 40

3. Naloga: Reakcijski čas 41

4. Naloga: Presnova reakcije 42

5. Naloga: Hitrost reakcije 45

6. Naloga: Enačba proizvodnosti 46

iv

8. Naloga: Iztočna koncentracija 49

9. Naloga: Prostornina reaktorja 50

10. Naloga: Prostorninski vtok 52

11. Naloga: Enačba proizvodnosti 53

12. Naloga: Prostorninski vtok

6. INTEGRACIJSKA NALOGA

1. Naloga: Načrtovanje hladilnika 2. Naloga: Reakcijska entalpija 3. Naloga: Pridobivanje vodne pare 4. Naloga: Ploščina toplotnega prenosnika 5. Naloga: Načrtovanje toplotnega prenosnika 6. Naloga: Ohlajevanje destilata s propanom 7. Naloga: Določanje energetskih ciljev v VSK 8. Naloga: Sestavljeni krivulji

9. Naloga: Mrežni diagram I 10. Naloga: Energetski cilji v VSK

11. Naloga: Določanje energetskih ciljev v VSK 12. Naloga: Mrežni diagram II

55 59 59 60 61 62 63 65 66 68 70 71 74 77 7. OVREDNOTENJE INVESTICIJE IN OBRATOVALNIH STROŠKOV 79 1. Naloga: Nakupna cena TP 79

2. Naloga: Cena vgrajenega gorilnika 80

1

1 . Tehnika procesnih sistemov

V tem delu bo prikazanih nekaj strokovnih izrazov, ki se pojavljajo v vsebini posameznih poglavij pri predmetu Sinteza procesov. Ker v Sloveniji ni veliko literature s tega področja, bodo uporabljeni tudi angleški izrazi, ki jih bomo prevedli v slovenščino in nato pojasnili njihov pomen oziroma uporabo. Izrazi so osnova in zgledi za izdelavo »e-strokovnega slovarja«, ki ga izdelujemo v učnem okolju Moodle.

1. Naloga: Tehnika procesnih sistemov

slanica angl.: brine

Slanica je nasičena vodna raztopina soli npr. NaCl.

sinteza

angl.: synthesis

Spajanje, sestavljanje, združevanje v celoto, nastajanje kemijskih spojin iz prvin ali enostavnih spojin¹.

. . .

2. Naloga: Sinteza reakcijskih poti

alkilacija angl.: alkylation

Alkilacija je sekundarni postopek čiščenja nafte, s katerim dobimo bencin najvišje kakovosti.

. . .

3. Naloga: Snovne bilance in razporejanje kemijskih komponent

piroliza

angl.: pyrolysis

Postopek razkroja snovi pri višjih temperaturah.

sito

angl.: sieve

Naprava sestavljena iz ogrodja z gosto mrežo.

. . .

1 Veliki slovar tujk, 2002.

2 4. Naloga: Izbira separacijske naloge

separacija angl.: separation

Ločevanje snovi na frakcije.

. . .

5. Naloga: Kemijska reakcijska tehnika

reaktor angl.: reactor

Procesna naprava v kateri poteka kemijska sprememba snovi.

. . .

6. Naloga: Integracijska naloga

hladilnik angl.: cooler

Procesna naprava za hlajenje.

cevno-plaščni toplotni prenosnik angl.: shell-and-tube heat exchanger

Procesna naprava za prenos toplote med dvema fluidoma: toplim in hladnim. Toplota se prenaša skozi stično površino od toplega k hladnemu fluidu.

. . .

7. Naloga: Ovrednotenje investicije in obratovalnih stroškov

obratovalni stroški angl.: operating costs

V procesni tehniki so to po navadi stroški porabe pare, hladilne vode, elektrike….

. . .

3

2 . Sinteza reakcijskih poti

1. Naloga: Pridobivanje vinilklorida¹

Polivinilklorid (PVC) pridobivamo s polimerizacijo vinilklorida. Vinilklorid lahko proizvedemo po različnih reakcijskih poteh iz etena, etina, klora in/ali HCl. Direktna reakcija je naslednja:

C₂H₂ + HCl  C2H₃Cl etin vinilklorid

Indirektno lahko vinilklorid pridobimo z naslednjo reakcijsko potjo:

C₂H₄ + Cl₂  C2H₄Cl₂ eten dikloretan C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl vinilklorid

Direktna reakcija je manj zaželena kot indirektna, ker je eten cenejši od etina, manj škodljiv in nevaren. Vendar pa pri indirektni reakciji nastaja HCl, ki ga moramo primerno obdelati. V naslednji reakcijski poti je prikazana reakcija med HCl, kisikom in etenom, pri čemer proizvedemo še dodatni dikloretan.

2 HCl + 1/2 O2 + C2H4  C2H4Cl2 + H2O eten dikloretan

C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl vinilklorid

Edini stranski produkt je voda. Vendar, če ne razpade zadostna količina dikloretana, moramo HCl kupiti. Predstavljene so štiri osnovne reakcije, ki jih lahko kombinirate in tvorite nove reakcijske poti.

Določite:

a) reakcijsko pot, po kateri bi proizvedli z neto reakcijo 2 mol vinilklorida, pri čemer bi porabili 2 mol etena, 1 mol Cl2 in 1/2 mol O2. Stranski produkt je lahko samo voda.

b) reakcijsko pot, po kateri bi proizvedli z neto reakcijo 2 mol vinilklorida pri čemer bi porabili 1 mol etena, 1 mol etina in 1 mol Cl₂. Stranski produkti niso dovoljeni.

Izračunajte ekonomski potencial vsake reakcijske poti in primerjajte ekonomsko učinkovitost!

Ekonomski podatki so naslednji:

Komponenta Cena / (USD/kg)

Eten 0,07

Etin 0,44

Klor 0,09

Vodikov klorid 0,9*

Vinilklorid 0,11

* nakupna cena in nima prodajne vrednosti.

1 Rudd, D. F., Powers, G. J., Siirola, J. J. Process Synthesis, Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, 1973.

4

Potek reševanja:

a)

1. reakcija: C₂H₄ + 2 HCl +

2 1

O 2  C₂H₄Cl₂ + H₂O 2. reakcija: C₂H₄ + Cl ₂  C₂H₄Cl₂

3. reakcija: C₂H₄Cl₂ ^kat^. C₂H₃Cl + HCl vinilklorid

Reakcija C₂H₄ Cl ₂ C₂H₄Cl₂ C₂H₃Cl ^HCl O ₂ H₂O

1 - 1 1 - 2 - ½ 1

2 - 1 - 1 1

3 - 1 /∙ 2 1 /∙ 2 1 /∙ 2

Neto - 2 - 1 0 2 0 - ½ 1

Neto reakcija: 2 C₂H₄ + Cl + ₂

2 1

O 2  2 C₂H₃Cl + H₂O vinilklorid b)

1. reakcija: C₂H₄ + Cl ₂  C₂H₄Cl₂ 2. reakcija: C₂H₂ + HCl ^kat^. C₂H₃Cl 3. reakcija: C₂H₄Cl₂ ^kat^. C₂H₃Cl + HCl

Reakcija C₂H₄ Cl₂ C₂H₄Cl₂ C₂H₂ HCl C₂H₃Cl

1 - 1 - 1 1

2 - 1 - 1 1

3 - 1 1 1

Neto - 1 - 1 0 - 1 0 2

Neto reakcija: C₂H₄ + Cl + ₂ C₂H₂  2 C₂H₃Cl vinilklorid

Cene preračunamo na množinsko osnovo:

Komponenta Cena/(USD/kg) M /(kg/kmol) Cena/(USD/kmol)

4 2H

C 0,07 28 1,96

2 2H

C 0,44 26 11,44

Cl 2 0,09 71 6,39

HCl* 0,9* 36,5 32,85

C₂H₃Cl 0,11 62,5 6,88

* nakupna vrednost in nima prodajne vrednosti

5

Izračun ekonomskega potenciala:

a)

EP = − 2 kmol ∙ 1,96 USD/kmol + (−1 kmol ∙ 6,39 USD/kmol) + (−

2

1 kmol ∙ 0 USD/kmol) + + 2 kmol ∙ 6,88 USD/kmol + 1 kmol ∙ 0 USD/kmol =

= − 3,92 − 6,39 + 13,76 = 3,45 USD/2 kmol vinilklorida = 1,725 USD/ kmol vinilklorida b)

EP = − 1 ∙ 1,96 + (− 1 ∙ 6,39) + (− 1 ∙ 11,44) + 2 ∙ 6,88 =

= − 1,96 − 6,39 − 11,44 + 13,76 = − 6,03 USD/2 kmol C₂H₃Cl = − 3,015 USD/kmol C₂H₃Cl Direktna reakcija:

EP = −1 ∙ 11,44 + (− 1 ∙ 32,85) + 1 ∙ 6,88 =

= − 11,44 − 32,85 + 6,88 = − 37,41 USD/kmol C₂H₃Cl

Komentar: Izračun EP kaže, da je potencialna reakcijska pot varianta a, saj nam edina da pozitivni rezultat. Varianta b in direktna reakcija sta ekonomsko neprivlačni.

2. Naloga: Leblancov postopek pridobivanja sode¹

Prvi komercialno izveden proces je bil proces pridobivanja sode, ki ga je razvil Leblanc leta 1773. Reakcijska pot, po kateri so pridobili sodo, je bila naslednja:

1.reakcija: NaCl + H₂SO₄  Na2SO₄ + HCl 2.reakcija: Na₂SO₄ + C  Na₂S + CO₂ 3.reakcija: Na₂S + CaCO₃  Na₂CO₃ + CaS

soda

Izvedite proizvodno  porabno analizo in izračunajte ekonomski potencial za 1 t pridobljene sode po omenjenem postopku, če so znani naslednji ekonomski podatki:

Komponenta Vrednost /(USD/t)

CaS 0

NaCl 14

H₂SO₄ 30

Na₂SO₄ 24

HCl 110

C 10

CO₂ 0

CaCO₃ 12

Na₂CO₃ 16

6

Potek reševanja:

Najprej uredite reakcije:

1. reakcija: 2 NaCl + H₂SO₄  Na₂SO₄ + 2 HCl 2. reakcija: Na₂SO₄ + 2 C  Na₂S + 2 CO ₂ 3. reakcija: Na₂S+ CaCO ₃  Na₂CO₃ + CaS

Proizvodno – porabna analiza:

akcija

Re NaCl H₂SO₄ Na₂SO₄ HCl C Na₂S CO₂ CaCO₃ Na₂CO₃ CaS

1 - 2 - 1 1 2

2 -1 - 2 1 2

3 - 1 - 1 1 1

Neto - 2 - 1 0 2 - 2 0 2 - 1 1 1

Neto reakcija: 2 NaCl + H₂SO₄ + 2 C + CaCO₃  2 HCl + 2CO + ₂ Na₂CO₃ + CaS soda

Najprej preračunajte cene na množinsko osnovo!

Komponenta Cena/(USD/t) M/(t/Mmol) Cena/(USD/Mmol)

CaS 0 72 0

NaCl 14 58,5 819

4 2SO

H 30 98 2940

4 2SO

Na 24 142 3408

HCl 110 36,5 4015

C 10 12 120

CO 2 0 44 0

CaCO 3 12 100 1200

3 2CO

Na 16 106 1696

Ekonomski potencial (če predpostavimo bilanco za Mmol):

EP = − 2 Mmol ∙ 819 USD/Mmol − 1 ∙ 2 940 + 2 ∙ 4 015 − 2 ∙ 120 + 2 ∙ 0 + (− 1 ∙ 1 200) + + 1 ∙ 1 696 + 1∙ 0 =

= − 1 638 − 2 940 + 8 030 − 240 − 1 200 + 1 696 = 3 708 USD/1 Mmol Na₂CO₃ 1 Mmol Na₂CO₃ …….. 106 t Na₂CO₃ ………… 3 708 USD

1 t ………….. x

x = 35 USD/t Na₂CO₃

7 3. Naloga: Proizvodnja fenola

Izvedite proizvodno  porabno analizo pridobivanja fenola po naslednji reakcijski poti:

1. reakcija :

2. reakcija :

Cl

+ NaOH

ONa

+ NaCl + H₂O ONa

+ HCl

OH

+ NaCl

Izračunajte ekonomski potencial za 1 t pridobljenega fenola, če so znani naslednji ekonomski podatki:

Komponenta Vrednost / (USD/kg)

Klorobenzen 20

NaOH 18

Na-fenoksid 169

NaCl 12

Fenol 25

H₂O 0

HCl 11

Potek reševanja:

Najprej uredite reakcije:

1. reakcija: C₆H₅Cl + 2 NaOH  C₆H₅ONa + NaCl + H₂O 2. reakcija: C₆H₅ONa + HCl  C₆H₅OH + NaCl

Proizvodno – porabna analiza:

Osnova je 1 kmol snovi.

Reakcija C₆H₅Cl NaOH C₆H₅ONa NaCl H₂O HCl C₆H₅OH

1 - 1 - 2 1 1 1

2 - 1 1 - 1 1

Neto - 1 - 2 0 2 1 - 1 1

Neto reakcija: C₆H₅Cl + 2 NaOH + HCl  C₆H₅OH + 2 NaCl + H₂O

8

Cene preračunajte na množinsko osnovo!

Komponenta M/(kg/kmol) Cena/(USD/kg) Cena/(USD/kmol)

Cl H

C_{6 5} 112,5 20 2250

NaOH 40 18 720

HCl 36,5 11 401,5

OH H

C_{6 5} 94 25 2350

NaCl 58,5 12 702

Ekonomski potencial:

EP = (1 kmol ∙ 2 350 USD/kmol + 2 kmol ∙ 702 USD/kmol) − (1 ∙ 2 250 + 2 ∙ 720 + 1∙ 401,5) = produkti reaktanti

= 3 754 – 4 091,5 = − 337, 5 USD/kmol fenola

− 337,5 USD ………. 1 kmol fenola ……… 94 kg fenola x 1 000 kg fenola x = − 3 590 USD/1 t fenola

4. Naloga: Pridobivanje NaOH

Soda v prahu in gašeno apno reagirata, pri čemer dobimo kaustično sodo (NaOH) in Ca-karbonat. Reakcija je naslednja:

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂  2 NaOH + CaCO₃

Pri proizvodnji dejansko porabijo in pridobijo naslednje količine komponent:

Proces 1,2 reakcija

1 kmol H₂O 2 kmol NaCl 1 kmolC₆H₅OH 1 kmol C₆H₅Cl

2 kmol NaOH

1 kmol HCl

9 Na2CO3 21200 t/d,

NaOH 16000 t/d,

CaCO3 20000 t/d,

Ca(OH)2 14800 t/d.

Ali se navedene količine ujemajo s stehiometrijo gornje reakcije? Kakšen je ekonomski potencial procesa na tono proizvedenega NaOH? Na voljo imamo naslednje podatke o cenah surovin in produktov:

Na₂CO₃ 40 USD/t,

Ca(OH)₂ 18 USD/t,

NaOH 20 USD/t,

CaCO₃ 18 USD/t.

Potek reševanja:

Ceno preračunajte na množino snovi:

Komponenta Cena/(USD/t) M/(t/Mmol) Cena/(USD/Mmol)

3 2CO

Na 40 106 4240

 

Ca 18 74 1332

NaOH 20 40 800

CaCO 3 18 100 1800

Preračun masnega pretoka snovi v množinski pretok:

21 200 t/d 

t d

Mmol t 106 200 21

3 2CO

Na = 200 Mmol/d Na₂CO₃ 16 000 t/d  = 400 Mmol/d NaOH 20 000 t/d  = 200 Mmol/d CaCO ₃ 14 800 t/d  = 200 Mmol/d Ca

 

Reakcija:

Na₂CO₃ + Ca

 

ali

200 Na₂CO₃ + 200 Ca

 

10

Stehiometrija se ujema s podano količino snovi!

Ekonomski potencial:

EP = (400 Mmol/d ∙ 800 USD/Mmol + 200 Mmol/d ∙ 1 800 USD/Mmol) – − (200 ∙ 4 240 + 200 ∙ 1 332) =

= (320 000 + 360 000) – (848 000 + 266 400) =

= − 434 400 USD/d za 400 Mmol NaOH = − 1 086 USD/d za 1 Mmol NaOH ali 40 t = − 27,15 USD/d za 1 t NaOH

11

3 ^. Snovne bilance in razporejanje kemijskih komponent

1. Naloga: Masa in prostornina raztopine

Koliko kg raztopine dobimo, če zmešamo 1 L etanola in 1 L vode? Koliko litrov raztopine dobimo? Izračunajte masni delež alkohola v raztopini!

Podatki:

₁(etanol, 20 C) = 0,789 g/cm³

₂(vode, 20 C) = 0,998 g/cm³

₃(raztopine, 20 C) = 0,929 g/cm³

Potek reševanja:

m = 1 ρ₁∙ V₁ m2 = ρ₂∙ V₂

m1 = 0,789 ∙1000 m1 = 789 g

m2 = 998 g

m2 = 0,998 ∙1000

2 1

3 m m

m   m = 789 + 1000 = 1787 3 g

mešanje V₁= 1 L

raztopina

voda

2 V₂= 1 L 3

etanol 1

Splošno: m = ρ ∙ V , V =

 m

12

V₃ =

3 3

 m

V₃ =

929 3

, 0

1787 cm

g g

V = 1924 ₃ cm³

Masni delež alkohola v raztopini :

w3 (alkohol) =

998 789

789

 = 0,441 = 44,1 %

2. Naloga: Masa raztopine

2000 kg raztopine z w(Ca(OH)₂ ) = 5 % pripravimo z razredčenjem raztopine z w(Ca(OH)₂) = 20 %. Izračunajte, koliko vode moramo dodati k 20 %-ni raztopini, da dobimo želeno količino 5 %-ne raztopine!

Potek reševanja:

Masna bilanca celotnega procesa : m +₃ m = ₁ m ₂

komponenta A : m₁ ∙ 0,8 + m₃ = m₂ ∙ 0,95 komponenta B : m₁ ∙ 0,2 + 0 = m₂ ∙ 0,05

Mešanje 1

raztopina

wB = 20 %

2 razredčena

raztopina m₂ = 2 000 kg

wB = 5 %

3 H₂O

A = H₂O B = Ca

 

13

m₁ ∙ 0,8 + m₃ = 2 000 ∙ 0,95 m₁ ∙ 0,2 = 2 000 ∙ 0,05 m₁ ∙ 0,8 + m₃ = 1 900 m₁ ∙ 0,2 = 100

m₁ = 500 kg 500 ∙ 0,8 + m₃ = 1 900

400 + m₃ = 1 900 m₃ = 1 500 kg

Rezultat :

Vtok : 500 kg raztopine z w_B = 20 % + 1 500 kg H₂O Iztok : 2 000 kg razredčene raztopine z w_B = 5 %

m₂ = m₃ + m₁ 2 000 = 1 500 + 500

3. Naloga: Masna bilanca procesa I

Za prikazani proces določite sestavo in količine neznanih tokov. Predpostavimo, da proces obratuje v stacionarnem stanju. Osnova je 100 kg/h produkta A v toku 5. Ostali podatki so prikazani na sliki.

14 Potek reševanja:

Masna bilanca celotnega procesa: q_m,1 = q_m,5 + q_m,4 komponenta A : q_m,1 ∙ 0,2 = q_m,5 ∙ 1 + q_m,4 ∙ 0,05 komponenta B : q_m,1 ∙ 0,8 = q_m,4 ∙ 0,95

0,2 ∙ q_m,5 + 0,2 ∙ q_m,4 = q_m,5 + 0,05 ∙ q_m,4 0,2 ∙ q_m,4 − 0,05 ∙ q_m,4 = q_m,5 − 0,2 ∙ q_m,5 0,15 ∙ q_m,4 = 0,8 ∙ q_m,5

q_m,4 =

15 , 0 8 , 0 q_m,5

Ker je q_m,5 = 100 kg/h: q_m,4 = 533 kg/h

1 m,

q = q_m,5 + q_m,4 = 100 + 533 = 633 kg/h

Točka mešanja:

q_m,2 = q_m,1 + q_m,6

komponenta A : q_m,1 ∙ 0,2 + q_m,6∙ 1 = q_m,2 ∙ 0,4 komponenta B : q_m,1 ∙ 0,8 = q_m,2 ∙ 0,6

0,2 ∙ q_m,1 + q_m,6 = 0,4 ∙ q_m,1 + 0,4 ∙ q_m,6

q_m,6 − 0,4 ∙ q_m,6 = 0,4 ∙ q_m,1 − 0,2 ∙ q_m,1 0,6 ∙ q_m,6 = 0,2 ∙ q_m,1

q_m,6 = 6 , 0 2 , 0 q_m,1

= 211 kg ker je q_m,1= 633 kg/h.

q_m,2 = 633 + 211 = 844 kg/h

Ločilnik:

q_m,3 = q_m,4 + q_m,5 + q_m,6

q_m,3 = 533 + 100 + 211 = 844 kg/h

15

Sestava toka 3 je enaka sestavi toka 2! Prav tako velja:

q_m,2 = q_m,3

komponenta A : q_m,2 ∙ 0,4 = q_m,3 ∙ w_3,A komponenta B : q_m,2 ∙ 0,6 = q_m,3 ∙ w_3,B w_3,A =

3 ,

2

4 ,

, 0

m m

q

q

=

2 ,

2

4 ,

, 0

m m

q

q

= 0,4

w_3,B =

3 ,

2

6 ,

, 0

m m

q

q

=

2 ,

2

6 ,

, 0

m m

q

q

= 0,6

4. Naloga: Masna bilanca procesa II

Na sliki je prikazan proces s trikomponentnim sistemom. Vsi tokovi so v tekoči fazi.

Predpostavimo, da proces obratuje kontinuirano v stacionarnem stanju.

Rešite masno bilanco procesa pri čemer pomeni:

a) določite masni pretok 2,

b) določite masne deleže, w_i, vsake komponente v toku 2 in

c) določite masne pretoke posameznih komponent v tokovih 2 in 3!

16

Potek reševanja:

Celokupna masna bilanca :

q_m,1 = q_m,2 + q_m,3  q_m,2 = q_m,1 − q_m,3

q_m,2 = 100 − 60 = 40 kg/h

komponenta A : q_m,1 ∙ w_1A = q_m,2 ∙ w_2A + q_m,3∙ w_3A komponenta B : q_m,1 ∙ w_1B = q_m,2 ∙ w_2B + q_m,3∙ w_3B komponenta C : q_m,1 ∙ w_1C = q_m,2 ∙ w_2C + q_m,3∙ w_3C

100 ∙ 0,5 = 40 ∙ w_2A + 60 ∙ 0,8  w_2A = 40

48 50

= 0,05 100 ∙ 0,4 = 40 ∙ w_2B + 60 ∙ 0,05  w_2B =

40 3 40

= 0,925

100 ∙ 0,1 = 40 ∙ w_2C + 60 ∙ 0,15  w_2C = 40

9 10

= 0,025

Masni pretoki komponent v tokovih 3 in 2 : Tok 3 :

q_m,3A = q_m,3 ∙ w_3A = 60 kg/h ∙ 0,8 = 48 kg/h q_m,3B = q_m,3 ∙ w_3B = 60 ∙ 0,05 = 3 kg/h q_m,3C = q_m,3 ∙ w_3C = 60 ∙ 0,15 = 9 kg/h



Tok 2 :

A m,2

q =q_m,2 ∙ w_2A = 40 ∙ 0,05 = 2 kg/h

B m,2

q = q_m,2 ∙ w_2B = 40 ∙ 0,925 = 37 kg/h

C m,2

q = q_m,2 ∙w_3C = 40 ∙ 0,025 = 1 kg/h



17 5. Naloga: Proizvodnja fenola

Fenol proizvajajo iz toluena, v prisotnosti katalizatorja, s parcialno oksidacijo. Benzojeva kislina, ki pri tem nastane kot vmesni produkt, v prisotnosti katalizatorja naprej oksidira v fenol in ogljikov dioksid. Reakciji potekata v plinski fazi in sta naslednji:

1. reakcija :

2. reakcija :

CH₃

+ 3/2 O₂

COOH

+ H₂O

COOH OH

+ CO₂ kat.

kat.

+ 1/2 O₂

( X = 60% )

( X = 80% )

Pomembni podatki:

a) V prvi reaktor lahko vtekata samo toluen in kisik.

b) V drugi reaktor lahko vtekata samo benzojeva kislina in kisik.

Določite možno razporeditev kemijskih komponent! Predpostavite, da želite proizvesti 100 mol čistega fenola (npr. vsako uro) in da vračamo vse nezreagirane reaktante v obtok!

Preverite, ali se končni rezultat ujema s proizvodno  porabno analizo!

Potek reševanja:

Reakcijska pot pridobivanja fenola:

1. reakcija: C₆H₅CH₃ +

2 3

O 2 ^kat^. C₆H₅COOH + H₂O ( X = 60 %) toluen benzojeva kislina

2. reakcija: C₆H₅COOH +

2 1

O 2 ^kat^. C₆H₅OH + CO (X = 80 ₂ %) fenol

Proizvodno – porabna analiza:

Osnova je 100 mol/h fenola.

Nezreagirani reaktanti Reakcija C₆H₅CH₃ O ₂ benz.

k.

O

H₂ fenol CO ₂ O ₂ benz.

k. ^{6 5 3}

CH H C

1 − 166 − 250 100 100 100 66

2 − 62,5 − 125 100 100 12,5 25

Obtok 66 112,5 25 0 0 0 −112,5 − 25 − 66

Neto − 100 − 200 0 100 100 100 0 0 0

Neto reakcija: 100 C₆H₅CH₃ + 200 O ₂  100 C₆H₅OH + 100 H₂O + 100 CO ₂

18

Osrednji problem :

2. reaktor: za 100 mol/h fenola in 100 mol/hCO potrebujemo ₂ 8 , 0

100 = 125 mol/h benzojeve kisline in

8 , 0

50 = 62,5 mol/h O . ₂

1. reaktor: za 100 mol/h benzojeve kisline in 100 mol/h H₂O potrebujemo 6 , 0

100 = 166 mol/h toluena in

6 , 0

150 = 250 mol/h O . ₂

Sveži vtok v 1. reaktor:

100 mol/h toluena 200 mol/h O ₂

Iztok iz 1. reaktorja:

100 mol/h benz. k.

100 mol/h H₂O 66 mol/h toluena

100 mol/h O ₂

Iztok iz 2. reaktorja:

100 mol/h fenola 100 mol/h CO ₂ 25 mol/h benz.k.

12,5 mol/h O ₂

Reakcija 1,2 100 mol/h toluena

200 mol/h O ₂

100 mol/h fenola 100 mol/h H₂O 100 mol/h CO ₂

100 mol/h benz. k. ( v 2. reaktor)

100 mol/h H₂O (iztok, stranski produkt)

100 mol/h fenola (iztok, želeni produkt) 100 mol/h CO ( iztok, odpadni produkt) ₂ 25 mol/h benz. k. (obtok v 2. reaktor) 12,5 mol/h O (obtok v 2. reaktor) ₂ 66 mol/h toluen (obtok v 1. reaktor) 100 mol/h O (obtok v 1. reaktor) ₂

19

b.k. – benzojeva kislina

6. Naloga: Separacija trdnih delcev

Majhne delce trdne snovi bi radi zdrobili v prah v krogličnem mlinu. Kroglični mlin je naprava v obliki cilindra, nameščena v ležečem položaju in rotira. Delno je napolnjen s kovinskimi oziroma keramičnimi kroglicami, ki meljejo in drobijo trdne delce v prah. Delce doziramo na eni strani, na drugi strani izteka prah in nezdrobljeni delci.

S testom smo ugotovili, da je 70 % delcev, pri enem prehodu skozi mlin, nezadovoljivo zmletih. Zato na iztoku namestimo sito, s katerim ločimo prah od nezmletih delcev, ki jih vračamo nazaj v mlin. Določite kapaciteto mlina v t/h, če na uro presejemo 10 t prahu! Koliko svežih trdnih delcev dovajamo v sistem? Upoštevajte zakon o ohranitvi mase.

66 toluen 100 O ₂

100 b.k.

12,5 O₂, 25 b.k.

100 fenol 2.reaktor

50 O ₂ 100 H₂O

100 toluen 150 O₂

100 CO₂

1.reaktor

20

Potek reševanja:

Y = X + 10 t/h Y = A + X X = 0,7 ∙ Y

Y = 0,7 ∙ Y + 10 0,3 ∙ Y = 10 Y = 0,3

10 = 33,3 t/h  vtok v mlin

X = 0,7 ∙ 33,3 = 23, 3 t/h  obtok nezmletih delcev

A = Y − X = 33,3 − 23,3 = 10 t/h  vtok svežih trdnih delcev

Celokupna snovna bilanca:

vtok svežih trdnih delcev = iztok prahu 10 t/h = 10 t/h

7. Naloga: Pridobivanje K- mila

K-milo lahko pridobivamo kontinuirano po naslednji reakcijski poti:

1. reakcija:

(C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + H₂O  C₁₇H₃₅COOH + C₃H₅(OH)₃ gliceril stearat stearinova kislina glicerol

(X = 90 %) 2. reakcija:

C₁₇H₃₅COOH + KOH  C₁₇H₃₅COOK + H₂O stearinova kislina K-milo

(X = 100 %)

mlin sito

nezmleti delci X

Y Y

sveži trdni delci A

prah qm = 10 t/h

21 Pomembni podatki:

a) V prvi reaktor lahko vtekata samo gliceril stearat in voda.

b) Samo stearinova kislina in KOH lahko vtekata v drugi reaktor.

Določite možno razporeditev kemijskih komponent in primerjajte končni rezultat z rezultatom dobljenim pri proizvodno  porabni analizi! Predpostavimo, da nezreagirane reaktante obtakamo v procesu.

Potek reševanja:

Naprej uredimo reakcije:

1. reakcija:





 

(X = 90 %)

2.reakcija: C₁₇H₃₅COOH + KOH  3 C₁₇H₃₅COOK + H₂O K - milo

(X = 100 %)

Proizvodno – porabna analiza:

Ker proizvedemo 3 krat več stearinove kisline kot je porabimo, predpostavimo, da koeficiente 2. reakcije pomnožimo s 3. Tako bi porabili vso kislino in proizvedli več produkta. Prav tako predpostavimo, da vse nezreagirane reaktante obtakamo.

nezreag. reak.

Reakcija gliceril stearat

voda stearinova kislina

glicerol K-milo KOH gliceril stearat

voda

1 - 111 - 333 300 100 11 33

2 100 /∙ 3 - 100 /∙ 3 100 /∙ 3 -100 /∙ 3

Obtok 11 33 0 0 0 0 - 11 - 33

Neto - 100 0 0 100 300 - 300 0 0

Neto reakcija: 100





 

gliceril stearat K-milo glicerol

22

Osrednji problem:

Predpostavimo, da želimo proizvesti 300 mol/h K-mila.

2. reaktor: za 300 mol/h K- mila + 300 mol/h H₂O potrebujemo 300 mol/h stearinove k. + 300 mol/h KOH.

1. reaktor: za 300 mol/h stearinove k. + 100 mol/h glicerola potrebujemo 9 , 0

300 = 333 mol/h O

H₂ + 9 , 0

100 = 111 mol/h gliceril stearata.

Sveži vtok:

100 mol/h gliceril stearata 300 mol/h KOH

Iztok iz 1. reaktorja:

300 mol/h stearinove k.

100 mol/h glicerola 33 mol/h H₂O

11 mol/h gliceril stearata

Iztok iz 2. reaktora:

300 mol/h K- mila 300 mol/h H₂O

100 mol/h gliceril stearat

300 mol/h KOH

Proces 1,2 reakcija

300 mol/h K-mila

100 mol/h glicerol

300 mol/h stearinove kisline (v 2. reaktor) 100 mol/h glicerola (iztok, stranski produkt) 33 mol/h H₂O

11 mol/h gliceril stearata ( oba v obtok v 1. reaktor) 300 mol/h K- mila (iztok, produkt) 300 mol/h H₂O (obtok v 1. reaktor)

23

GS – gliceril sterat, SK – stearinova kislina, G – glicerol, KM – K-milo

8. Naloga: Pridobivanje fenola

Fenol lahko pridobivamo tudi po naslednji reakcijski poti:

+ NaOH + NaCl + H₂O

+ HCl + NaCl

ONa

Cl ONa

OH 1. reakcija:

2. reakcija:

Določite možno razporeditev kemijskih komponent! Predpostavite, da želite proizvesti 100 mol čistega fenola na uro. Preverite, če se končni rezultat ujema s proizvodno  porabno analizo!

Pomembni podatki:

a) v prvi reaktor lahko vtekata samo klorbenzen in NaOH (X = 70 %), b) v drugi reaktor lahko vtekata samo Na-fenoksid in HCl (X = 80 %).

Predpostavimo, da vse nezreagirane reaktante obtakamo.

100 GS 111 GS

333 O H₂

1. reaktor

300 SK 100 G 33 H₂O 11 GS 33 H₂O + 11 GS

300 SK

100 G 300H₂O

2. reaktor

300 KOH

300 O H₂

300 KM 300 KM

24

Potek reševanja:

Reakcijska pot pridobivanja fenola:

1. reakcija: C₆H₅Cl + 2 NaOH  C₆H₅ONa + NaCl + H₂O (X = 70 %) klorobenzen Na-fenoksid

2. reakcija: C₆H₅ONa + HCl  C₆H₅OH + NaCl (X = 80 %) fenol

Proizvodno – porabna analiza:

nezreagirani reaktanti

Reakcija kloro benz.

NaOH Na-

fenok.

NaCl H₂O HCl fenol Na-

fenok.

HCl Kloro benz.

NaOH

1 - 143 - 286 100 100 100 43 86

2 - 125 100 - 125 100 25 25

Obtok 43 86 25 0 0 25 0 - 25 - 25 - 43 - 86

Neto - 100 - 200 0 200 100 - 100 100 0 0 0 0

Neto reakcija: 100 C₆H₅Cl + 200 NaOH + 100 HCl  100 C₆H₅OH + 200 NaCl + 100 H₂O

Ker gre za proces, ki obratuje v stacionarnem stanju, so množine dejansko množinski pretoki!

Osrednji problem:

1. reaktor: za 100 molC₆H₅ONa + 100 mol NaCl + 100 mol H₂O mora vtekati 7 , 0

100 = 143 mol C₆H₅Cl +

7 , 0

200 = 286 mol NaOH.

Proces 1,2 reakcija 100 molC₆H₅Cl

200 mol NaOH

100 mol HCl

100 mol H₂O

200 mol NaCl

100 mol C₆H₅OH

25

2. reaktor: za 100 mol C₆H₅OH + 100 mol NaCl mora vtekati v drugi reaktor 8 , 0

100 = 125 mol C₆H₅ONa +

8 , 0

100 = 125 mol HCl.

Vtok svežih surovin:

100 mol klorobenzena ( v 1. reaktor) 200 mol NaOH ( v 1. reaktor) 100 mol HCl ( v 2. reaktor)

Vtok v 1. reaktor: Iztok iz 1. reaktorja:

143 mol klorobenzena 100 mol Na - fenoksid 286 mol NaOH 100 mol NaCl

100 mol H₂O 43 mol klorobenz.

86 mol HCl

Vtok v 2. reaktor: Iztok iz 2. reaktorja:

125 mol Na – fenoksid 100 mol fenola 125 mol HCl 100 mol NaCl 25 mol Na- fenoksid 25 mol HCl

100 mol Na-fenoksid (v 2. reaktor)

100 mol NaCl

(iztok, stranski produkt) 100 mol H₂O

(iztok, stranski produkt) 43 mol klorobenz.

86 mol NaOH (oba v obtok v 1.

reaktor)

100 mol fenola (iztok, produkt) 100 mol NaCl

(iztok, stranski produkt) 25 mol Na-fenoksid 25 mol HCl

(oba v obtok v 2.

reaktor)

26

Prikaz možne razporeditve:

KB – klorobenzen, NF – Na-fenoksid, F – fenol, NH – NaOH, V- Voda Možnih razporeditev je seveda lahko več!

100 KB

200 NH 143 KB

286 NH

48 KB + 86 NH lahko tudi ločeno

1. reaktor

100 NF 100 NaCl 100 V 43 KB 86 NH

100 NF

25 NF + 25 HCl ( lahko tudi ločeno) 25 NF 25 HCl 125 NF

125 HCl

2. reaktor

100 F 100 NaCl 100 NaCl

100 V 100 mol HCl

100 F 100 NaCl