Молекулярная масса: C₆H₆ - 78; C₆H₅Cl -112,5; C₆H₄Cl₂ - 147; C₆H₃Cl₃ - 181,5; Cl₂ - 71; HCl - 36,5.

Подход 1 к решению примера 1:

Решение. Хлорбензол является полупродуктом для получения различных производных бензола, таких, как фенол, анилин и др. Получают его, пропуская хлор в жидкий бензол, в присутствии хлорида железа (III). По мере образования хлорбензола по основной реакции

C₆H₅Cl + Cl₂ ® C₆H₄Cl₂ +HCl или C₆H₆ + 2Cl₂ ® C₆H₄Cl₂ + 2HCl (2)

C₆H₄Cl₂ + Cl₂ ® C₆H₃Cl₃ или C₆H₆ + 3Cl₂ ^® C₆H₃Cl₃ + 3HCl (3)

В продукционной (жидкой) смеси находится, согласно заданному составу жидких продуктов реакции, 1000 кг C₆H₅Cl; 1000*2,5/32 = 78 кг C₆H₄Cl₂; 1000*0,5/32 = 15,6 кг C₆H₃Cl₃ , а, кроме того, 372,4 кг HCl, полученного:

на образование C₆H₅Cl 1000*78/112,5 = 693

на образование C₆H₄Cl₂ 78*78/147 = 41

на образование C₆H₃Cl₃ 15,6*78/181,5 = 6,7

на образование C₆H₅Cl 1000*71/112,5 = 631

на образование C₆H₄Cl₂ 78*2*71/147 = 75

на образование C₆H₃Cl₃ 15,6*3*71/181,5 = 18,3

технического 724,3/0,98 = 739

Технический бензол C₆H₅Cl 1000

примеси 71,1 C₆H₃Cl₃ 15,6

Технический хлор C₆H₆ 2031

примеси 14,7 примеси к C₆H₆ 71,1

примеси к Cl₂ 14,7

Итого: 3581,8 Итого: 3582,8

Рассчитать материальный баланс хлоратора в производстве хлорбензола (1тонна), если состав жидких продуктов следующий:

W₁()= 0,975 - содержание чистого бензола в техническом бензоле

W₂()= 0,98 - содержание чистого хлора в техническом хлоре

1. Находим молекулярные массы всех имеющихся веществ.

М()=12× 6+1× 6 = 78 г/моль

М()=35,5× 2 = 71 г/моль

М()=1+35,5 = 36,5 г/моль

М()=12× 6+1× 5+35,5 = 112,5 г/моль

М()=12× 6+1× 4+35,5× 2 = 147 г/моль

М()=12× 6+1× 3+35,5× 3 = 181,5 г/моль

2. Находим массу смеси и её компонентов из следующих соображений.

Если содержание в смеси W(С₆Н₅Сl)= 0,32 а его, масса =1000 кг

W(всей смеси)= 1, тогда масса смеси = m(всей смеси) кг

- масса смеси.

3. Подставляем полученные данные в уравнения реакции:

Мы не можем вместо X1, подставить массу бензола, полученную в пункте 2., т.к.

Мы не можем вместо X3 и X6, подставить массы хлоридов, полученных в пункте 2., т.к.

X3 = 1000 +X4 - часть из Х3 пошло на следующую реакцию,

X6 = 78,125 +X8 - часть из Х6 пошло на следующую реакцию.

Но мы точно знаем, что не расходовался на другие реакции.

Массав третьем уравнении кг

Тогда X6 = 78,125 + X8 =78,125 + 12,655 = 90.78 кг

Масса во втором уравнении кг

Тогда X3 = 1000 +X4 = 1000 + 69,5 = 1069,5 кг

4. Рассчитаем массы остальных веществ в реакциях.

кг

кг

кг

Всего m()= 347+22,54+3,14= 372,68кг

кг

кг

кг

Всего m()= 674,97+43,85+6,11= 724,93кг

кг

кг

кг

кг

масса технического бензола = 2843,87 кг

масса технического хлора кг

масса выделевшегося хлороводорода m()= 372,68 кг

Рассчитать материальный баланс хлората в производстве хлорбензола (1тонна), если состав жидких продуктов следующий:

W₁()= 0,975 - содержание чистого бензола в техническом бензоле

W₂()= 0,98 - содержание чистого хлора в техническом хлоре

1. Находим молекулярные массы всех имеющихся веществ.

М()=12× 6+1× 6 = 78 г/моль

М()=35,5× 2 = 71 г/моль

М()=1+35,5 = 36,5 г/моль

М()=12× 6+1× 5+35,5 = 112,5 г/моль

М()=12× 6+1× 4+35,5× 2 = 147 г/моль

М()=12× 6+1× 3+35,5× 3 = 181,5 г/моль

2. Находим массу смеси и её компонентов.

Если содержание в смеси W(С₆Н₅Сl)= 0,32,а его масса =1000 кг

0,32¾ ¾ ¾ ¾ 1000 кг

1 ¾ ¾ ¾ ¾ m(всей смеси)

- масса смеси.

3. Подставляем полученные данные в уравнения реакции:

Взаимодействие хлора и бензола может протекать, если хлор взят в избытке, а бензол в недостатке вступил в реакцию. Это означает, что количество молей хлора больше, чем кол-ва молей бензола. Количество молей вещества - это отношение массы вещества к его молярной массе. n=m/M

4.Нахождение масс веществ, вступивших в реакцию №3.

Нам известна масса продукта реакции,относительно её найдём и кол-ва молей веществ реакции.

n()=n()=n()=n()=0,086 кг/моль

m()=n()*M()=0,086*36,5=3,1кг

m()=n()*M()=0,086*147=12,63кг

m()=n()*M()=0,086*71=6,106кг

5. Определение масс веществ, вступивших в реакцию №2.

Из данных задачи нам известно, что m()=78,125

Это та, часть , которая осталась после всех превращений.

Но нам для определения кол-ва молей в реакции №2 надо учесть и ту массу , которая пошла на образование .

В итоге получим m()=78,125+12,63=90,755 кг

кг/моль

n()=n()=0,616 кг/моль.

n()=n()=0,616 кг/моль

т.к. находился в недостатке

необходимо сложить кол-во молей и кол-во молей хлора вступившего в реакцию №3.

n()=n()+n()=0,616+0,086=0,702 кг/моль

m()=n()*M()=0,616*36,5=22,5кг

m()=n()*M()=0,616*112,5=69,3кг

m()=n()*M()=0,702*71=49,86кг

6.Нахождение масс веществ, вступивших в реакцию №1.

Из данных задачи нам известно, что в смеси m()=1000кг

Это та, часть , которая осталась после всех превращений.

Но нам для определения кол-ва молей в реакции №1 надо учесть, и ту массу, которая пошла на образование.

В итоге получим m()=1000+69,3=1069,3 кг

Найдём кол-ва вещества

n()=m()/M()=1069,3/112,5=9,505 моль

n()=n()=n()=9,505 моль

Кол-во молей хлора равно сумме кол-во молей бензола, пошедшего на образование , и кол-во молей хлора.

n()=n()+n()=9,505+0,702=10,202 моль

m()=n()*M()=9,505*78=741,39 кг

m()=n()*M()=10,202*71=724,2 кг

m()=n()*M()=9,505*36,5=346,933 кг

7. Запишем общие массы веществ

m()=724,2 кг

m()=m₁()+m₂()+m₃()=346,933+22,5+3,1=372,533 кг

m()=741,39 кг

m()=1000 кг

m()=78,25 кг

m()=15,625 кг

кг

кг

кг

масса технического бензола = 2844,733 кг

масса технического хлора кг

масса выделившегося хлороводорода m()= 372,533 кг

Составить материальный баланс печи для сжигания серы производительностью 60 т/сутки. Степень окисления серы 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент избытка воздуха  = 1,5. Расчёт вести на производительность печи по сжигаемой сере в кг/ч.

Процесс сгорания серы описывается уравнением: S + O₂ = SO_2.

Производительность печи 60*10³/24 = 2500 кг/ч.

Окисленной до SO₂ 2500*0,95 =2375 кг

на окисление 2375*22,4/32 = 1663 м³

с учётом м³ 2495*32/22,4 = 3560 кг

2495*79/21 = 9380 м³ или 9380*28/22,4 = 11700 кг

Образовалось SO₂ по реакции:

2375*64/32 = 4750 кг или 4750*22,4/64 = 1663 м³

1663*0,5 = 831 м³ или 831*32/22,4 = 1185 кг

Приход кг м³ Расход кг м³

Итого: 17 760 11 875 Итого: 17 760 11758

Составить материальный баланс производства оксида этилена прямым каталитическим окислением этилена воздухом. Состав исходной газовой смеси [% (об.)]: этилен - 3, воздух - 97. Степень окисления этилена 0,5. Расчёт вести на 1 т оксида этилена.

1. Гипохлорирование этилена с последующим отщепления хлороводорода от получающегося этиленхлоргидрина.
2. Прямое каталитическое окисления этилена. При пропускании смеси воздуха с этиленом (нижний предел взрываемости этиленовоздушной смеси - 3,4% C₂H₄) на серебряном катализаторе при 250 - 280 C^o образуется оксид этилена

640/0,5 = 1280 кг или 1280*22,4/28 = 1020 м³

1020*97/3 = 33000 м³

33000*0,21 = 6800 м³ или 6800*32/22,4 = 9700 кг

33000*0,79 = 26200 м³ или 26200*28/22,4 = 32500 кг

1020*0,5/2 = 255 м³

6800 - 255 = 6545 м³ или 6545*32/22,4 = 9340 кг

Приход кг м³ Расход кг м³

Кислород 9 700 6 800 Этилен 640 510

Азот 32 500 26 200 Кислород 9 340 6 545

Азот 32 500 26 200

Итого: 43 480 34 020 Итого: 43 480 33 765

Составить материальный баланс производства фтороводорода (на 1 т HF) из плавикового шпата, содержащего [% (масс.)]: CaF₂ - 96; SiO₂ - 4. Степень разложения шпата 0,95. Для разложения применяют 93%-ную H₂SO₄ с 15%-ным избытком от теоретического.

Молекулярная масса: CaF₂ -78; H₂SO₄ - 98; CaSO₄ -136; HF - 20; SiO₂ -60; H₂SiF₆ - 144.

По условию в 100 кг шпата содержится 96 кг CaF₂ и 4 кг SiO₂. При разложении 100 кг породы

По реакции (1) образуется 96*20*2/78 = 49 кг HF

По реакции (2) образуется 6*20*4/60 = 8 кг HF

В результате реакций (1) и (2) из 100 кг породы получается 49 - 8 =41 кг HF, т.е. для обеспечения выхода 1 т HF требуется

100*1000/41 = 2440 кг породы, из них 2340 кг CaF₂ и 100 кг SiO_2.

2440/0,95 =2570 кг породы, из них 2467 кг CaF₂ и 103 SiO₂

Расход вводимой с H₂SO₄ воды: 3640 - 3400 = 240 кг.

H₂O (по реакции) 36*100/60 = 60

Материальны баланс реактора (на 1 т HF):

Приход кг Расход кг

H₂SO₄ (моногидрат) 3400 H₂SiF₆ 240

H₂O 240 H₂O (по реакции) 60

H₂O (вводимая с H₂SO₄ ) 240

Итого: 6210 Итого: 6170

Пример 5.

Составить материальный баланс реактора для каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора 10000 т CH₂O в год. Степень превращения CH₃OH в CH₂O 0,7. Общая степень превращения метанола 0,8(с учётом побочных реакций). Содержание метанола в спирто-воздушной смеси 40% (об.). Мольное соотношение побочных продуктов в продукционном газе HCOOH: CO₂: CO: CH₄ = 1,8: 1,6:0,1:0,3. Агрегат работает 341 день в году (с учётом планово-предупредительного ремонта и простоев). Окисление происходит на твёрдом серебряном катализаторе при 600 C^o _.

Расчёт вести на производительность реактора в кг/ч. молекулярная масса: формальдегида - 30; метанола - 32; кислорода - 16.

Решение. Чрезвычайная реакционная способность формальдегида обусловливает его широкое применение в качестве полупродукта в органических синтезах, особенно в производстве синтетических смол и других веществ. Формальдегид получают главным образом окислением метанола воздухом при 550 - 600 C^o на серебряном катализаторе; одновременно протекает реакция дегидрирования метанола:

Обычно на реакцию подают лишь около 80% воздуха от количества, соответствующего мольному отношению CH₃OH: O₂ = 2:1 и проводят процесс с неполным сгоранием образовавшегося водорода по реакции

Выходящие из контактного аппарата газы содержат 20 -21% формальдегида, 36 -38% азота и примеси в виде CO, CO₂ , CH_4, H_2, CH₃OH, HCOOH и др. Образование примесей можно представить уравнениями:

Вся эта смесь после охлаждения в холодильнике до 60 C^o поступает в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный в результате поглощения раствор формалина содержит 10 - 12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида.

Производительность реактора:

10000*1000/(341*24) = 1220 кг/ч или 1220/30 40,7 кмоль/ч CH₂O

метанола 1860*22,4/32 =1300 м³

спирто-воздушной смеси 1300/0,4 = 3250 м³

воздуха 3250 -1300 = 1950 м³ , из них 1950*0,21 = 410 м³ или 586 кг O₂ и 1930*0,79 = 1540 м³ или 1920 кг N₂

В составе газовой продукционной смеси содержатся CH₂O, неокисленный CH₃OH, азот и побочные продукты: HCOOH, CO_2, CO, CH_4, H_2, а также водяной пар. Определим, какое количество метанола расходуется на образование побочны продуктов. На образование 1 моля побочных продуктов по реакциям (4) - (7) расходуется 1 моль CH₃OH. Всего на образование побочных продуктов израсходовано

58,12*0,8 - 40,7 = 5,8 кмоль CH₃OH

58,12*0,2 = 11,6 кмоль или 372 кг CH₃OH

Образовалось в соответствии с заданным мольным соотношением

HCOOH: CO₂: CO: CH₄ = 1,8: 1,6: 0,1: 0,3 (всего 3,8):

кмоль кг

HCOOH 5,8*1,8/3*8 = 2,75 126,5

Для определения количества водяного пара и водорода в газах синтеза составляем баланс по кислороду и водороду.

в составе CH₃OH 1860*16/32 = 930

на образование CH₂O 1220*16/30 = 650

Всего 1005 кг. Остальное количество кислорода, равное 1516 - 1005 = 509 кг, пошло на образование воды по реакциям (1), (3), (5)-(7). В результате получено 509*18/16 = 572 кг H₂O.

1860*4/30 = 233 кг

на образование CH₂O 1220*2/30 = 81,5

в составе неокисленного CH₃OH 372*4/32 = 46,5

Спирто-воздушная смесь Формальдегид 1220

CH₃OH 1860 Метанол 372

азот 1920 HCOOH 126,5

Составить материальный баланс получения полиэтилентерефталата (ПЭТФ), идущего на изготовление 1 т синтетического волокна. В готовом волокне содержится, %(масс.): влаги - 0,5; замасливателя - 0,5; диоксида титана - 0,5. Потери при изготовлении волокна составляют 4,85%.

Сырьём для производства ПЭТФ являются терефталевая кислота (ТФК)

1,033*166/192 = 0,893 т
На 1 моль ТФК берётся (по опытным данным) 1,5 моля этиленгликоля, т. е. На 1 т ТФК потребуется:

При образовании элементарного звена ПЭТФ выделяется 2 моля H₂ O, следовательно, на 1,033 т ПЭТФ образуется:

2*18/192 = 0,188 т H₂ O

ТФК 0,893 ПЭТФ 1,033

регенерированный 0,167 вода 0,188

Расхождение баланса: [(1,393 - 1,387)/1,393]*100 = 0,4%.