Теплообмен в химических реаторах
Задача 5-1. Для реакции первого порядка А <-(k1, k2)-> В тепловой эффект равен Нrэкв = - 3,24-104 кДж/(кмоль А), а изменение энергии Гиббса G283 = -5,2-103 кДж/кмоль. Отношение исходных концентраций веществ А и В равно CA0/CB0=10. Найти равновесную степень превращения при температурах 30; 50; 70 и 90 °С. Считать, что теплоемкости веществ равны теплоемкости.
Скачать решение задачи 5-1 (цена 100р)
Задача 5-2. Обратимая реакция второго порядка А + В <-(k1, k2)-> 2R протекает в реакторе идеального вытеснения. Тепловой эффект реакции Нrэкв = -5,28-104 кДж/(кмоль А) изменение энергии Гиббса G283=- 6,40-103 кДж/ кмоль, константа скорости прямой реакции {по веществу А) k1 = 7,5-105ехр(-5,29-104/RT) 1/с/(кмоль-м-3).
Считать, что теплоемкости исходных веществ и продуктов реакции равны и не зависят от температуры. Плотность раствора не меняется, и в исходной смеси продукты реакции отсутствуют. Известно, что при начальных концентрациях исходных веществ СA0 = СB0 = 0,40 кмоль/м3 и времени т =1875 с максимальная степень превращения для данного реактора, работающего в изотермических условиях, равна ХA =0,40.
Определить, на сколько увеличится производительность реактора вытеснения, при той же степени превращения, если реактор будет работать при оптимальном температурном режиме. Максимально допустимая температура равна 65°С.
Скачать решение задачи 5-2 (цена 100р)
Задача 5-3. Необратимая реакция А –(k)-> R проходит в реакторе идеального смешения при адиабатических условиях. Тепловой эффект реакции (-Н°) = 12800 кДж/(моль А). Константа скорости реакции k =8,41- 104ехр(-4,92-104/RT) с~'. Средняя удельная теплоемкость веществ сp= 2400 Дж/(кг-К). Плотность реакционной смеси р = 1100 кг/м3. Объем реактора V = 4 м3. Скорость подачи v0 = 5-10-3 м3/с. Исходная концентрация вещества A CA0 = 14 кмоль/м3. Считать, что тепловой эффект реакции и теплоемкость веществ не зависят от температуры.
С помощью графоаналитического метода определить степень превращения и температуру в реакторе, если исходная смесь вводится в реактор при следующих температурах: 283; 293; 303 и 313 К.
Скачать решение задачи 5-3 (цена 100р)
Задача 5-4. В реакторе идеального смешения проходит обратимая реакция А <-(k1, k2)-> В, которая имеет тепловой эффект, равный Нrэкв =58300 кДж/(кмоль А) и константу скорости прямой реакции k1=3,8-105 ехр (-45800/RT) 1/c реакции заданы: константа равновесия Kcэкв = 17,2; начальные концентрации веществ СA0= 1,8 кмоль/м3, СB= 0, СR0= 17,5 кмоль/м3 (R - инертное вещество); мольные теплоемкости веществ срA =74 кДж/(кмоль-К), СрB = 68кДж/(кмоль-К). СрR=61 кДж/(кмоль-К). Теплоемкости веществ не являются функциями температуры.
Смесь поступает в реактор при температуре t0= 10°С. Объем реактора V = 0,10 м3. Время пребывания т=175с. Для достижения максимальной производительности при данных условиях требуется отводить теплоту.
Определить площадь поверхности теплообмена, если теплота отводится за счет воды, начальная температура которой tнач = 50С. Расход воды Gн2о = 0,20 кг/с. Коэффициент теплопередачи принять равным К=480Вт/(м2-К).
Скачать решение задачи 5-4 (цена 100р)
Задача 5-5. Дана реакция А + В –(k1)-> С + D. Требуется получить степень превращения ХА = 0,845 при следующих условиях: тепловой эффект реакции Нrэкв = -42350 кДж/(кмоль А); константа скорости k = 6,52-10^5*ехр (42300/RT) 1/с /(кмоль/м3); концентрации исходных веществ СA= 1,4 кмоль/м3, CA0=CB0, инертного вещества СR0= 15,2 кмоль/м3, продуктов реакции при т = 0 СC0=CD0= 0. Теплоемкости веществ [в кДж/(кмоль-К)]: СрA = 88; сРB=84; СРC;=72; CpD = 76; сpR = 83. Считать, что теплоемкости всех веществ не зависят от температуры. Температура исходной смеси t0 = 20°С. Скорость подачи v0=1,75-10-3 м3/с.
Необходимо: 1) рассчитать требуемый объем реактора смешения, работающего в адиабатических условиях; 2) определить требуемый объем реактора вытеснения, работающего в адиабатических условиях; 3) правильно составить схему из реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения, объемы которых одинаковы, для того чтобы суммарный объем реакторов был минимальным, если реакторы работают в адиабатических условиях. Определить также температуру на выходе из первого реактора.
Скачать решение задачи 5-5 (цена 100р)
Задача 5-6. В реакторе идеального вытеснения проходит обратимая эндотермическая реакция первого порядка <-(k1, k2)-> В. Условия, при которых протекает реакция, следующие: тепловой эффект H° =28500 кДж/(кмоль-А); константа скорости прямой реакции k1=8,19-104ехр(-41100/RT)1/с; константа равновесия Kc293 = 3,765. Начальные концентрации веществ: СA0 = 1,65 кмоль/м3, СВ0 = 0, в том числе инертного вещества СR0 = 9,02 кмоль-м3. Теплоемкости веществ равны СрA = СрB = 89 кДж/(моль-К), сpR = 75 кДж/(кмольК) и не зависят от температуры.
Температура исходной смеси на входе в реактор tвХ = 850С. Время пребывания т=175 с. Тепловые потери Qпот=0,040(T-283)кВт, где T- температура в реакторе, К.
Определить: 1) объем реактора, если требуется достигнуть степени превращения ХА =0,513; 2) степень превращения, если бы реактор работал в адиабатических условиях; 3) степень превращения, если бы реактор работал в изотермических условиях при температуре, равной температуре смеси на входе в реактор.
Скачать решение задачи 5-6 (цена 100р)
Задача 5-7. Необратимая реакция первого порядка 2А-(k)-> В + D проходит в реакторе идеального вытеснения при следующих условиях: тепловой эффект H°= - 35600 кДж/(кмоль-А), константа скорости (по веществу А) k= 1,62-105ехр(-44400/RT) 1/с, начальные концентрации веществ (в кмоль/м3) СA0=3,8, СB0=10,1 (R - инертное вещество), СB0=СD=0, теплоемкости веществ (в кДж/(кмоль-К)] сpA = 66, сpB = 58, сpD = 54, сpR =52 (теплоемкости не зависят от температуры). Объем реактора V=0,147 м3, площадь поверхности теплообмена F = 12,8 м2, длина реактора L = 2,9 м (величина Р прямо пропорциональна L). Скорость подачи смеси v0 = 0,8-10-3м3/с.
Чтобы избежать образования побочных продуктов, в рубашку кожухотрубного реактора подают противотоком воду (начальная температура воды 12°С, конечная 22 °С). Температурный профиль воды можно считать линейным по длине реактора. Коэффициент теплопередачи K = 290 Вт(м2-К).
Температура реакционной смеси в реакторе не должна превышать 55 °С.
1. Определить, при какой температуре начальной смеси можно достигнуть наибольшей степени превращения. Найти эту степень превращения.
2. Какую степень превращения можно получить в реакторе идеального смешения при найденной выше температуре начальной смеси (остальные условия те же самые)?
Скачать решение задачи 5-7 (цена 100р)
Задача 5-8. Необратимая реакция первого порядка А-(k)-> продукты проходит в реакторе идеального вытеснения при следующих условиях: тепловой эффект Нr = - 44800 кДж/(кмоль-А), константа скорости (по веществу А) k = 1,84-105ехр(-44900/RT) 1/c, начальные концентрации CA0= 1,8 кмоль/м3, СR0= 10,8 кмоль/м3 (R - инертное вещество ), при т = 0 продукты отсутствуют, теплоемкости веществ срA =сpпрод = 62 кДж/(кмоль-К), cрк = 53 кДж/(кмоль-К). Теплоемкости от температуры не зависят. Плотность реакционной смеси постоянна. Чтобы избежать образования побочных продуктов, в рубашку кожухотрубного реактора подают противотоком воду (расход GH2O=1,2 кг/с, начальная температура 12°С, конечная 20°С). Коэффициент теплопередачи K = 320 Вт/(м2-К). Температура исходной смеси на входе в реактор t = 28 °С. Дополнительные данные по реактору: на участке реактора с объемом V = 4,8-10-3 м3, длиной l=0,1 м и площадью поверхности теплообмена F =0,24 м2 время пребывания равно т = 6,1 с. Определить длину реактора и степень превращения. Построить температурный профиль для воды и реакционной смеси по длине реактора.
Скачать решение задачи 5-8 (цена 100р)
Задача 5-9. Реакция А + В –(k)-> С + В проходит в каскаде реакторов идеального смешения, имеющих равные объемы (V1=V2=V3=0,708м3). Начальные концентрации вещества (в кмоль/м3): CАО=24; Св0= 36; САf=3= 4.5 кмоль/м3; константа скорости реакции k = 8,33-10-5 1/с/(кмоль/м3). Реактор идеального смешения работает в изотермических условиях при температуре 20 °С. Исходная смесь также поступает при t0 = 20°С. Тепловой эффект реакции (-Hr) = 2,4-106 Дж/(кмоль-А). Для охлаждения реакторов используется вода, начальная температура которой 5°С, конечная 12°С.
Определить производительность системы по исходным веществам и общий расход воды.
Скачать решение задачи 5-9 (цена 100р)