TECHNOLOGIA CHEMICZNA

TECHNOLOGIA CHEMICZNA Zadanie 1 (Zadanie 5. z finału XXVI Konkursu Chemicznego) Chlorek metylu otrzymuje się w procesie chlorowania metanu w instalacji cyrkulacyjnej. Do obiegu doprowadza się metan (strumień B) oraz gazowy chlor (strumień A). Proces chlorowania metanu prowadzi się stosując nadmiar metanu w stosunku do chloru, aby cały chlor przereagował. W reaktorze powstaje CH 3 Cl, CH 2 Cl 2, HCl i H 2 O. W skraplaczu (SP) następuje całkowite wydzielenie CH 3 Cl i CH 2 Cl 2 (strumień G). W absorberze AS następuje całkowite wydzielenie HCl, a metan zawracany jest do reaktora (strumień E). Stopień przemiany metanu w chlorek metylu (x) definiowany jest następująco: x = W K [CH 3 Cl]/W F [CH 4 ] 0 x 1 Stosunek strumieni metanu; zawracanego w obiegu (strumień E) i doprowadzanego do układu (strumień B) definiowany jest następująco: u = W E [CH 4 ]/W B [CH 4 ] 0 u Wydajność procesu przetwarzania metanu w chlorek metylu (α) definiowana jest jako stosunek produkowanego chlorku metylu (strumień G) do strumienia wprowadzanego metanu (strumień B). α = W G [CH 3 Cl]/W B [CH 4 ] Przyjmując za podstawę bilansu 1 kmol/s strumienia metanu (WB = 1 kmol/s) oblicz zależność α od x i u (α = f(x,u)).

Zadanie 2 (Zadanie 5. z finału XXV Konkursu Chemicznego) Do absorbera AS1 wprowadza się strumień E zawierający gazy nitrozowe (NO X = NO + NO 2, O 2 i N 2 ) oraz strumień B zawierający b %mas kwas azotowy z absorbera AS2. W absorberze AS1 powstaje kwas azotowy a % mas. HNO 3 (strumień A). W absorberze AS2 następuje całkowita absorpcja NO X, czyli cały strumień W E [NO X ] zostaje przetworzony w HNO 3 (w obu absorberach AS1 i AS2). Stopień przemiany NO 2 w HNO 3 w AS1 wynosi: x=(w E [NO X ] W F [NO X ])/W E [NO X ] W [kmol/h] Wyznacz: a = f(b) dla x = 0,6. Obliczenia przeprowadzić przyjmując za podstawę bilansu 100 kg/h strumienia A (GA) Pamiętaj, że: W E [N 2 ] = W D [N 2 ]. Masa molowa HNO 3 wynosi 63kg/kmol a wody 18kg/kmol. Zadanie 3 (Zadanie 19. z XXVIII Konkursu Chemicznego) Otrzymywanie H 2 SO 4 z SO 3 prowadzi się w wieży absorpcyjnej W A. Do wieży doprowadza się strumień gazowy zawierający 10% mol. SO 3 (strumień G) oraz strumień kwasu siarkowego zawierający 95% wag. H 2 SO 4 (strumień A). Gaz opuszczający wieżę (strumień B)

nie zawiera SO 3. Kwas siarkowy odprowadzany z wieży zawiera y% wag. H 2 SO 4 (strumień C). Wyznaczyć zależność y od stosunku strumieni G A /W G : y = f(g A /W G ), G A [kg/s], W G [kmol/s] Oblicz dla jakiej wartości G A /W G otrzymamy 100% kwas siarkowy? Zadanie 4 (Zadanie 20. z XXVIII Konkursu Chemicznego) Roztwór SO 3 w kwasie siarkowym nosi nazwę oleum lub dymiącego kwasu siarkowego. 20-procentowe oleum (20 % mas. SO 3 i 80 % mas. H 2 SO 4 ) otrzymuje się przez absorpcję SO 3 w wieży zasilanej oleum zawierającym b % mas. SO 3 (strumień B). Strumień B otrzymywany jest przez rozcieńczenie kwasem siarkowym (95 % mas.) części produkowanego 20-procentowego oleum (strumień E). Stosunek wagowy natężenia strumienia zawracanego do strumienia produkowanego oleum G E /G P = n. Przyjmując za podstawę bilansu 100 kg 20 % oleum (G P = 100 kg/h) znajdź zależność b=f(n). Zadanie 5 (Zadanie 19. z XXVII Konkursu Chemicznego) 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% ((W A [CH 4 ] W E [CH 4 ])/W A [CH 4 ]=0.95). Stężenie tlenu w mieszaninie z metanem (strumień W A ) wynosi 38% objętościowych. Uproszczony schemat procesu przedstawiono na rysunku: Stosunek molowy powstałego tlenku węgla do nieprzereagowanego metanu wynosi 10 (W E [CO]/W E [CH 4 ]=10). Stopień przemiany metanu w sadzę wynosi 2%

(W D [C]/W A [CH 4 ]=0.02). Stosunek powstałej w reaktorze pary wodnej do tlenku węgla wynosi 1 (W D [H 2 O]/W E [CO]=1). Przyjmując za podstawę bilansu 100kmol/s strumienia W A oblicz zależność ułamka molowego acetylenu (b) w strumieniu W E od n (n - stosunek molowy wytworzonego acetylenu do sadzy (W E [C 2 H 2 ]/W D [C]= n). Zadanie 6 (Zadanie 20. z XXVI Konkursu Chemicznego) Kwas benzenosulfonowy otrzymuje się przez sulfonowanie benzenu metodą ciągłą. Do reaktora wprowadza się benzen (strumień W A ) i oleum (G E ) zawierające kwas siarkowy i c % mas. SO 3. Powstająca w procesie woda jest oddestylowywana wraz z nadmiarem benzenu. Stosunek molowy benzenu do wody w destylacie wynosi 10 (W F [C 6 H 6 ]/W F [H 2 O] = 10). Benzen po oddzieleniu wody zawraca się do reaktora. Strumień P opuszczający reaktor zawiera kwas benzenosulfonowy i 3 % mas. H 2 SO 4. Przyjmując, że stosunek natężenia strumieni W A /W B = z wyznacz zależność z = f(c). Za podstawę obliczeń przyjąć 1 mol/s strumienia benzenu (W A = 1 mol/s). Zadanie 7 (Zadanie 19. z XXV Konkursu Chemicznego) Syntezę amoniaku prowadzi się w instalacji, ktorą przedstawiono na rysunku. Gaz syntezowy (strumień A) zawiera 4 % mol. argonu. Stosunek molowy wodoru do azotu w strumieniu A wynosi 3 (W A [H 2 ]/W A [N 2 ] = 3). Stosunek strumienia zawracanego B do strumienia A wynosi m (W B /W A = m). Wydajność procesu obliczana jako stosunek 3W P [NH 3 ] / 2W A [H 2 ] = 0,95. Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmol/h strumienia A obliczyć zależność m od stopnia przemiany wodoru w reaktorze (m = f(x)).

Zadanie 8 (Zadanie 20. z XXV Konkursu Chemicznego) W reaktorze utlenia się NH 3 na siatkach platynowo-rodowych. Produktami utleniania amoniaku może być tlenek azotu, podtlenek azotu i azot. NH 3 + 1,25O 2 = NO + 1,5H 2 O NH 3 + O 2 = 0,5N 2 O + 1,5H 2 O NH 3 + 0,75O 2 = 0,5N 2 + 1,5H 2 O Do aparatu doprowadza się mieszaninę amoniaku i powietrza. Stosunek natężeń strumienia powietrza do strumienia amoniaku w kmol/h wynosi K. Gazy po reakcji zawierają NO, H 2 O, N 2, O 2. Zakłada się, że amoniak przereagowuje całkowicie, a produktami są NO i N 2 (bez N 2 O). Stopień przemiany NH 3 do NO wynosi x. Wyznacz zależność pomiędzy stężeniem NO w gazach po reakcji (b, %mol) a stopniem przemiany NH 3 do NO (x) i stosunkiem natężeń strumieni powietrza i amoniaku (K). x=w P [NO]/W A [NH 3 ] K=W B /W A b=w P [NO]/W P * 100% Obliczenia należy prowadzić dla podstawy bilansu WA = 1 kmol/h. Zadanie 9 (Zadanie 5. z finału XXVII Konkursu Chemicznego) Synteza amoniaku przebiega zgodnie ze schematem. Gaz do syntezy (strumień A) zawiera (w % molowych) 71 % wodoru, 25 % azotu i 4 % argonu. Przed reaktorem strumień A miesza się z gazem obiegowym (strumień D). Stopień przemiany wodoru w reaktorze wynosi x. Gazy po reakcji przechodzą przez skraplacz, gdzie następuje całkowite wykroplenie amoniaku (strumień B). Część nieprzereagowanego gazu odprowadza się na zewnątrz instalacji (strumień R), a reszta jest zawracana do reaktora. Przyjmując, że stosunek molowy strumieni W D /W A wynosi y, wyznacz zależność y = f(x). Obliczenia przeprowadź przyjmując wielkość strumienia W A = 100 kmol/h i W R [H 2 ] / W A [H 2 ] = 0,05. Zadanie 10 (Zadanie 19. z XXIV Konkursu Chemicznego) Utlenianie SO 2 prowadzi się na katalizatorach wanadowych. Do reaktora doprowadza się gazy uzyskane ze spalania siarki o składzie (w procentach molowych) 10 % SO 2, 11 % O 2 i 79 % N 2. Stopień przemiany SO 2 w SO 3 uzyskiwany na katalizatorze oznacza się x i definiuje x=w P [SO3]/W A [SO 2 ] Zawartość SO 2 w gazach poreakcyjnych wynosi a (% mol.). Schemat instalacji:

Przyjmując za podstawę bilansu natężenie strumienia A: W A = 100 kmol/h wyznacz i przedstaw graficznie zależność a = f(x). Zadanie 11 (Zadanie 19. z XXIII Konkursu Chemicznego) Syntezę amoniaku prowadzi sie w instalacji, która przedstawiono na rysunku. Gaz syntezowy (strumień A) zawiera niestechiometryczna ilość wodoru i azotu oraz 2,5% argonu. Ułamek molowy wodoru i azotu w strumieniu A wynosi odpowiednio 72,5 i 25%. Przed reaktorem strumień A miesza sie z gazem obiegowym (strumień D). Gazy po reakcji przechodzą przez skraplacz, gdzie następuje całkowite wykroplenie amoniaku (strumień P). Część nieprzereagowanego gazu odprowadza sie na zewnątrz instalacji (strumień R), a reszta jest zawracana do reaktora. Stosunek wodoru do azotu w strumieniu B wynosi m (m = W B [H 2 ]/ W B [N 2 ]). Wydajność procesu wynosi U: U = (W A [H 2 ] W R [H 2 ])/ W A [H 2 ] Stopień przemiany wodoru w reaktorze x wynosi: x = (W B [H 2 ] W C [H 2 ])/ W B [H2] Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmol/h strumienia A i wydajność procesu U = 0,9 obliczyć zależność m od stopnia przemiany wodoru w reaktorze (m = f(x)). Zadanie 12 (Zadanie 20. z XXIII Konkursu Chemicznego) Syntezę chlorku metylu prowadzi sie w instalacji, która przedstawiono na rysunku. Chlorek metylu otrzymuje sie w procesie chlorowania metanu (strumień E) gazowym chlorem (strumień B). Strumień E oprócz metanu zawiera azot. Proces chlorowania metanu prowadzi sie stosując nadmiar metanu w stosunku do chloru. W reakcji: CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl chlor zużywa sie całkowicie. Powstały w reaktorze RC chlorowodór usuwany jest w absorberze AB za pomocą strumienia wody. Po oddzieleniu w skraplaczu SK chlorku metylu, cześć metanu i azotu odprowadzana jest z instalacji (strumień R) a pozostała część zawracana jest do reaktora RC. Stosunek natężenia metanu w strumieniu S do natężenia metanu w strumieniu A wynosi u (u = W S [CH 4 ]/W A [CH 4 ]). Stopień przemiany metanu w reaktorze RC wynosi x = (W E [CH 4 ] W C [CH 4 ])/ W E [CH 4 ].

Wydajność przetwarzania metanu w chlorek metylu wynosi: η =W P [CH 3 Cl] / W A [CH 4 ]. Oblicz zależność u = f(x) przyjmując wartość η = 0,9. Obliczenia należy wykonać przyjmując za podstawę bilansu natężenie strumienia W A [CH 4 ] =100 kmol/h. Zadanie 13 (Zadanie 5. z finału XXI Konkursu Chemicznego) Synteza metanolu przebiega zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku, z wydajnością η = 0,95 (η = W B [CH 3 OH]/W A [CO]). Gaz do syntezy (strumień A) zawiera 70% wodoru, 28% CO i 2% azotu. Przed reaktorem strumień A miesza się z gazem obiegowym (strumień D). Stopień przemiany CO w reaktorze wynosi X: X = (W C [CO] W E [CO])/W C [CO] Gazy po reakcji przechodzą przez skraplacz, gdzie następuje całkowite wykroplenie metanolu (strumień B). Część nieprzereagowanego gazu odprowadza sie na zewnątrz instalacji (strumień R), a reszta jest zawracana do reaktora. Przyjmując, że stosunek molowy strumieni W D / W A wynosi z, wyznacz zależność z = f(x). Jako podstawę bilansu przyjmij wielkość strumienia W A = 100 kmol/h. Zadanie 14 (Zadanie 17. z XXI Konkursu Chemicznego) W przedstawionej schematycznie instalacji prowadzi sie proces katalitycznego utleniania aldehydu octowego do kwasu octowego tlenem z powietrza. Stosunek natężenia strumienia powietrza do strumienia aldehydu wynosi z (W B /W A = z takie, że z > 2,25). Przyjmując za podstawę bilansu W A = 1 kmol/h aldehydu oblicz ułamek

molowy aldehydu w gazach po reakcji (strumień K) w zależności od z (ach 3 CHO = f(z)). Wydajność procesu η ( η = W P [CH 3 COOH] / W A [CH 3 CHO]) wynosi 0,90. Zadanie 15 (Zadanie 18. z XXI Konkursu Chemicznego) 85% kwas fosforowy produkuje się spalając ciekły fosfor (strumień A) w powietrzu. Powstały P 2 O 5 absorbuje sie w kwasie fosforowym o stezeniu c%. Część powstałego 85% kwasu fosforowego po rozcieńczeniu woda zawraca sie do absorpcji, a reszta stanowi produkt. Ustal zależność miedzy ułamkiem wagowym b H3PO4 kwasu fosforowego zasilającego wieżę absorpcyjna a strumieniem G F zawracanego kwasu, b H3PO4 = f(g F ). Jako podstawę bilansu przyjmij wielkość strumienia G P = 1 kg 85% H 3 PO 4 /h. Zadanie 16 (Zadanie 19. z XX Konkursu Chemicznego) Sulfonowanie benzenu prowadzi sie stosując oleum, czyli kwas siarkowy zawierajacy wolny SO 3. W reakcje z benzenem wchodzą oba składniki, tj. H 2 SO 4 i SO 3. Z instalacji odprowadza sie kwas benzenosulfonowy zawierajacy H 2 SO 4 (strumień P). Stosunek molowy kwasu siarkowego w strumieniu P (W P [H 2 SO 4 ]) do kwasu benzenosulfonowego (W P [C 6 H 5 SO 3 H]) wynosi n (W P [H 2 SO 4 ] / W P [C 6 H 5 SO 3 H] = n).

Przyjmując, że do instalacji doprowadza sie 1 kmol/h benzenu (strumień A), wyznacz zależność wielkości strumienia oleum od a i n, tj. G B = f(a, n), gdzie a oznacza procent wagowy wolnego SO 3 w strumieniu B. Zadanie 17 (Zadanie 20. z XX Konkursu Chemicznego) Fabryka kwasu siarkowego produkuje 95% H 2 SO 4 i 20% oleum. Stosunek wagowy wyprodukowanego oleum (strumień A) do 95% kwasu siarkowego (strumień B) wynosi n (G A / G B = n). SO 3 pochłaniany jest w systemie wie) absorpcyjnych w 17% oleum i 94% H 2 SO 4 (strumienie odpowiednio K i L). Przyjmując za podstawę bilansu wielkość strumienia B (G B = 100 kg 95% H 2 SO 4 / h) oblicz zależność strumienia D od n (G D = f(n)).

Zadanie 18 (Zadanie 19. z XX Konkursu Chemicznego) Chlorek potasu otrzymuje się z wodnego roztworu sylwinitu zawierającego 35 % wag KCl. W wyniku krystalizacji otrzymuje się czysty KCl oraz roztwór pokrystaliczny zawierający a % wag KCl. Oblicz zależność wydajności krystalizacji od stężenia KCl w roztworze pokrystalicznym. n = f(a) gdzie n = G B [KCl]/G A [KCl], [kg/kg] Obliczenia prowadź zakładając, że w ciągu 1 godziny przerabia się 1000 kg roztworu sylwinitu (G A = 1000 kg/h). Zadanie 19 (Zadanie 5. z finału XV Konkursu Chemicznego) Chlorobenzen otrzymuje się przez chlorowanie benzenu chlorem w instalacji, w której stosuje się nadmiar benzenu. Do reaktora wprowadza się benzen zawierający domieszkę azotu W A [N 2 ]/W A [C 6 H 6 ] = K. Z reaktora odprowadza się chlorobenzen, chlorowodór W P [C 6 H 5 Cl]/W D [HCl] = 1 oraz nieprzereagowany benzen i azot. Zawartość azotu w strumieniu W C wynosi b% molowych. Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmoli/h chloru (W B = 100 kmoli/h) oblicz zależność b = f(n, K), gdzie n (wydajność procesu) = W P [C 6 H 5 Cl]/W A [C 6 H 6 ]. Zadanie 20 (Zadanie 26. z XV Konkursu Chemicznego) Rozkład węglanu wapnia prowadzi się w piecach szybowych. Węglan zawiera 5% w zanieczyszczeń w postaci MgCO 3. W celu uzyskania wysokiej temperatury spala się węgiel stosując nadmiar powietrza. Jako produkt otrzymuje się CaO (wapno palone) zawierające domieszkę MgO. Gazy opuszczające piec zawierają dwutlenek węgla, azot i tlen. Zawartość CO 2 wynosi a% molowych. Oblicz zależność a = f(n), gdzie N = G B /G A (kg/h)/(kg/h). Za podstawę bilansu należy przyjąć 100 kg/h węglanu wapnia i magnezu: G A = 100 kg/h. Dla uproszczenia należy przyjąć skład powietrza: 80% mol azotu i 20% mol tlenu oraz M MgCO3 = 84 g/mol, M CaCO3 = 100 g/mol, M C = 12 g/mol.

Zadanie 21 (Zadanie 20. z XVII Konkursu Chemicznego) Syntezę metanolu prowadzi się w instalacji, którą przedstawiono na rysunku. Gaz syntezowy (strumień A) zawiera 1% molowy gazów obojętnych. Stosunek molowy wodoru do tlenku węgla wynosi 2 (W A [H 2 ]/W A [CO] = 2). Ułamek molowy gazów obojętnych w strumieniu R wynosi 0,25. Stosunek strumienia zawracanego B do strumienia A wynosi k (W B /W A = k). Stosunek molowy wodoru do tlenku węgla w strumieniu B wynosi 2 (W B [H 2 ]/W B [CO] = 2). Przyjmując za podstawę bilansu 100 kmol/h strumienia A, oblicz zależność k od stopnia przemiany tlenku węgla w reaktorze (k = f(x)). Zadanie 22 (Zadanie 25. z XVI Konkursu Chemicznego) Stężony 95% kwas siarkowy otrzymuje się przez absorpcję SO 3 w wieży zasilanej b% H 2 SO 4 (strumień C). Kwas b% otrzymywany jest przez rozcieńczenie części kwasu produkcyjnego 90% kwasem siarkowym (strumień D). Stosunek wagowy natężenia strumienia zawracanego do natężenia strumienia kwasu produkowanego G D /G B = n [(kg/h)/(kg/h)]. Przyjmując za podstawę bilansu 100 kg 95% H 2 SO 4 /h (G B = 100 kg/h) znajdź zależność pomiędzy stężeniem b% kwasu zasilającego wieżę a stosunkiem n (b = f(n)).

Zadanie 23 (Zadanie 26. z XVI Konkursu Chemicznego) Prażąc FeS 2 (piryt) w strumieniu powietrza otrzymuje się gaz zawierający SO 2, O 2 i N 2 oraz wypałki - Fe 2 O 3. Przyjmując, że ułamek molowy tlenu w strumieniu P wynosi x (x = W P [O 2 ]/W P ) i ułamek molowy SO 2 w strumieniu P wynosi y (y = W P [SO 2 ]/W P ), oblicz zależność y = f(x). Obliczenia przeprowadź przyjmując za podstawę bilansu 1 kmol/h gazu opuszczającego reaktor (W D = 1 kmol/h). Skład powietrza: 20% tlenu i 80% azotu. Zadanie 24 (Zadanie 5. z finału XVIII Konkursu Chemicznego) Do reaktora wprowadza się benzen (strumień W A i strumień W C ) i oleum 20% (G E ). W separatorze I oddziela się otrzymany kwas benzenosulfonowy i H 2 SO 4 (strumień P). Stosunek molowy kwasu siarkowego do kwasu benzenosulfonowego w strumieniu P wynosi n. Benzen po oddzieleniu wody w separatorze II zawraca się do reaktora (strumień W C ). Przyjmując, że stosunek natężenia strumieni W C /W A = z wyznacz zależność procentu molowego kwasu siarkowego w strumieniu F od z i n [b=f(z,n)]. Za podstawę obliczeń przyjmij 1 mol/s strumienia benzenu (W A = 1mol/s).

Zadanie 25 (Zadanie 5. z finału XIX Konkursu Chemicznego) Proces wytwarzania stężonego HNO 3 przedstawiono na poniższym rysunku. Surowcami są tlenki azotu (NO i NO 2 ) wprowadzone do reaktora utleniania RU w strumieniu A wraz z tlenem i azotem, tlen (strumień E) i woda (strumień G). W reaktorze RU zachodzi utlenianie NO do NO 2 100-procentowym HNO 3, wg reakcji: NO + 2HNO 3 3 NO 2 + H 2 O Tlen i azot znajdujące się w strumieniu A nie biorą udziału w reakcji (czyli WA[O2] = W K [O 2 ] i W K [N 2 ] = W A [N 2 ]). Nieprzereagowany w reaktorze RU kwas azotowy wraz z powstałą wodą odprowadza się do reaktora-autoklawu RA (strumień D). Gaz opuszczający reaktor RU (strumień C) zawiera NO 2, N 2, O 2. W skraplaczu SK w obniżonej temperaturze skrapla się NO 2 i powstały N 2 O 4 przesyła (strumień F) do reaktora-autoklawu RA. W reaktorze RA zachodzi reakcja: N 2 O 4 + H 2 O + ½ O 2 2 HNO 3 Produktem procesu w reaktorze-autoklawie RA jest stężony HNO 3 (100%), którego część odprowadzana jest z układu (strumień H), a pozostała część (strumień B) kierowana jest do utleniania NO w reaktorze RU. Przyjmując, że: Wyznacz zależność y=f(v,u). Obliczenia należy wykonać przyjmując, że produkcja kwasu azotowego (strumień H) wynosi 1 kmol/s.