Index of /oktatas/konyvek/vegymuv/VM_Torzs/VM45K

1. (Excel)

Mezitilén katalitikus dehidroalkilezésével m-xilolt kapunk. A m-xilol azonban szintén dehidroalkilezôdik, így toluol is keletkezik.

A B  ^r1 C D r₁k c c_{1 A B}^{0 5,} C B  ^r2 E D r₂k c c_{2 C B}^{0 5,}

(A = mezitilén, B = H2, C = m-xilol, D = metán, E = toluol)

A második reakció nem kedvező, mivel a világpiacon a m-xilol ára lényegesen magasabb mint a toluolé. Törekednünk kell a m-xilol maximális hozamára. A gyártás tökéletesen kevertnek tekinthető tartályreaktorban történik, melynek térfogata 6,74 m³. A reaktor 833,3 K hőmérsékleten és 35 bar nyomáson gyakorlatilag izoterm reaktorként működik. A reaktor hőmérsékletén és nyomásán a belépő anyagáram 13,48 m³/h, 66,7 %-a hidrogén, 33,3 %-a mezitilén. A reaktor hômérsékletén a sebességi állandók értékei:

k m

kmol h k m

kmol h

1

3 0 5 1

2

3 0 5

13 792 7 546 1

 

 

  

 



 

, ; ,

, ,

/A sebességi állandók értékei az adott fajlagos katalizátor-terhelésre (m³ katalizátor/ m³ reaktortérfogat) vonatkoznak./

· Mekkora a konverzió és a szelektivitás, az adott térfogatú reaktorban?

· Adjuk meg táblázatban és diagramban a komponensek koncentrációját a tartózkodási idô függvényében.

· Mekkora a konverzió és a szelektivitás, ha a m-xilol koncentrációja a reaktort elhagyó anyagáramban a maximális érték?

2. Fém oxid katalizátoron az alábbi gázfázisú reakciók egyidejűleg játszódnak le:

4NH₃5O₂ ^r1 4NO6H O₂ r₁k c c_{1 NH3} ²_O2 2NH₃1 5, O₂ ^r2 N₂3H O₂ r₂k c c_{2 NH3 O2} 2NO O ₂ ^r3 2NO₂ r₃k c c₃ ²_{NO O2} 4NH₃6NO ^r4 5N₂6H O₂ r₄k c c₄ ^{2 3}_NH^/ _{3 NO}

   

k₁ 5 0, m³/kmol ²min^1 k₂ 2 0, m³ /kmol / min

   

k₃ 10 0, m³/kmol ² / min k₄ 5 0, m³ /kmol ^{2 3/} / min

A tökéletes kiszorítású izoterm csôreaktorban a nyomásesés elhanyagolható. A reaktor nyomásán és hômérsékletén::

W10dm³/ min, V 10dm³, c_NH3 c_O2 1 0, mol dm/ ³

· Adja meg táblázatban és grafikusan a koncentrációkat a hely függvényében.

3. Formaldehid vanádiumpentoxid katalizátor jelenlétében hangyasavvá oxidálható.

Melléktermékként hangyasav- metil-észter keletkezik. Mindkét reakció a gáz-fázisban játszódik le.

HCHO1O  ^k HCOOH 2 ²

1

2HCHO ^k2 HCOOCH₃

k dm

mol k dm

1 mol

3 1 2 1

2

3 1

0 7 0 6

 

 

  

 



 

, min , , min

/

Izoterm módon üzemeltetett tökéletes kiszorítású csôreaktorba betáplálunk 100 dm³/min gázáramot 5 bar nyomáson, 140 °C hômérsékleten. (A reaktorban a

nyomásváltozás elhanyagolható.) A betáplált gázelegyben 66,7 % formaldehid, 33,3 % pedig oxigén.

· Adja meg a komponensek móláramát a reaktortérfogat függvényében (max. 3000 dm³).

· Mekkora térfogatú reaktort választana a feladathoz? Miért?

4. Formaldehid vanádiumpentoxid katalizátor jelenlétében hangyasavvá oxidálható.

Melléktermékként hangyasav- metil-észter, metanol, széndioxid, szénmonoxid és víz keletkezik. Mindegyik reakció a gáz-fázisban játszódik le.

HCHO1O  ^k HCOOH 2 ²

1

2HCHO ^k2 HCOOCH₃ HCOOH ^k3 CO₂H₂ HCOOH ^k4 CO H O ₂

HCOOCH H O₃ ₂  ^k5 CH OH HCOOH₃ 

k dm

mol k dm

1 mol

3 1 2 1

2

3 1

0 7 0 6

 

 

  

 



 

, min , , min

/

k₃0 07, min ,^1 k₄ 0 09, min^1, ^k5 ^dm_mol 3

20 0 1

 

 

 ^

, min

Izoterm módon üzemeltetett tökéletes kiszorítású csôreaktorba betáplálunk 100 dm³/min gázáramot 5 bar nyomáson, 140 °C hômérsékleten. (A reaktorban a

nyomásváltozás elhanyagolható.) A betáplált gázelegyben 66,7 % formaldehid, 33,3 % pedig oxigén.

· Adja meg a komponensek koncentrációit a reaktortérfogat függvényében (max.

3000 dm³).

· Mekkora térfogatú reaktort választana a feladathoz? Miért?

5. Az alábbi reakciók gázfázisban játszódnak le:

 

A ^r1 B r₁k c_{1 A}², k₁ 0 9364, m³ /kmol /s

A ^r2 C r₂k c_{2 A}, k₂0 015, s^1

A céltermék a B komponens, a mellékreakcióban keletkezô C komponens szennyezi, az elválasztás költsége 33 $/kmolC. A B terméket 132 $/kmolB áron tudjuk értékesíteni, az A anyag ára pedig 22 $/kmolA. A reaktor hômérséklete 238 °C, nyomása 3 bar. A betáplált tiszta A anyag térfogatárama a reaktor nyomásán és hômérsékletén 25,5 m³/min.

· A fenti árak melletti maximális nyereség eléréséhez mekkora térfogatú tökéletes kiszorítású izoterm csôreaktorra van szükség?

6. Két molekula vinil-acetilénbôl irreverzibilis reakcióban sztirol keletkezik

2AB

10 dm³ térfogatú tökéletes kiszorítású csôreaktorba 5 mol/s A komponenst adagolunk, belépési hômérséklete 675 K, koncentrációja 1 mol/dm³. A reakcióentalpia és a sebességi állandó az alábbi összefüggésekkel számítható a hômérséklet függvényében:

H 231 0 12 , (T298) kJ mol/ k1 4810,  ¹¹exp(19124/ )T dm mol s³/ / Fajhô: Cp_A=0,1222 kJ/mol/K

A reaktorcsôvek között a hômérséklet állandó, értéke 700 K. A hôátadás sebességének számításához h értékét konstansnak tekinthetjük, a felület pedig a hosszal (térfogattal) lineárisan változik.

 

d hF dV

hF

V W dm K

 10110 / ³/

· Határozza meg a konverziót.

· Változtatva a betáplálási hômérsékletet határozza meg a konverziót a betáplálás hômérsékletének a függvényében.

7. Megfelelő katalizátoron a xilol izomerek között az alábbi reakció-rendszer érvényes:

AB BC ahol A = m-xilol; B = o-xilol; C = p-xilol.

Adiabatikus tökéletes kiszorítású csôreaktorban hogyan változnak a koncentrációk a tartózkodási idô függvényében, ha a betáplálás hômérséklete 260 °C, a betáplálásban

További adatok:

c_Abe5mol dm/ ³, c_Bbe5mol dm/ ³ Cp_A Cp_B Cp_C 349, kJ kmol/

H₁ 9304 kJ kmol/ H₂ 53497 kJ kmol/

k₁001, exp( (2 1 319 4  , / ))T s^1 k₂0001, exp( , (46 1 4583  , / ))T s^1 K_C 10exp( , (48 319 4 , /T15, ))

8. Szakaszos reaktorban az alábbi folyadék-fázisú reakciók játszódnak le:

A2B ^r1 C D 2D3A  ^r2 C E B2C ^r3 D F r₁k c c_{1 A B}² k₁0 25, dm mol⁶/ ²min

r₂k c c_{2 A D} k₂0 1, dm mol³/ min r₃k c c_{3 B C}² k₃5 0, dm mol⁶/ ²min

W0 6, m h³/ , c_A^*₀3 0, mol dm/ ³, c_B^*₀4 0, mol dm/ ³

· Adja meg a komponensek koncentrációit az idô függvényében, ha indításkor 25 dm³ A-t tartalmazó és 25 dm³ B-t tartalmazó folyadékot töltöttünk a reaktorba.

· Fél-folyamatos üzemeltetésű reaktorban végezzük a gyártást, indításkor a reaktorban 40 dm³ A komponenst tartalmazó folyadék van. A B komponenst tartalmazó folyadékot állandó sebességgel adagoljuk a reakcióelegyhez. Hogyan függ a komponensek koncentrációja a reakcióelegyben a reakcióidôtôl és a B komponens beadagolási sebességétôl?

· Ismételje meg az elôzô feladatot úgy, hogy a B komponens van a tartályban induláskor és az A komponenst adagolja állandó sebességgel.

/A számítások során a térfogat additívnak tekinthetô./

9. Etil-benzolból (A) sztirol (B) és hidrogén (C) keletkezik az alábbi egyensúlyi reakcióban:

A ^r1 B C ^r

 

RT P P P

K kmol m s

A B C

1 1 0 08539 21708 3

   





 

 

 

  exp , /

ahol ^K  ^b ^b_T ^b

  









 exp ₁ ² ₃ln _{4 5 6} 

b₁ 17 34, ; b₂ 1 30210,  ⁴; b₃5 051, ; b₄ 2 31410,  ^10 b₅1 30210,  ^6; b₆ 4 93110,  ^3

2137kg m/ ³ 0 4,

A fenti reakció mellett két további mellékreakció is lejátszódik /D = benzol, E = etilén, F = toluol és G = metán/:

A ^r2 D E ^r

   

RT P_A kmol m s

2  1 1 3239249675 3





 

  exp , /

A C  ^r3 F G ^r

   

RT P P_{A C} kmol m s

3 1 0 2961 21857 3

   





 

  exp , /

Az etilbenzolt inertnek tekinthetô vízgôzzel keverve táplálják be az 1 bar nyomáson üzemelô csôreaktorba. A vízgôz/etilbenzol arány a betáplálásban 12,3/1, de értéke szükség esetén változtatható. További adatok (az összes komponens moláris fajhô értéke azonos, kivéve a vízgôzt!):

n_Abe3 44, mol s Cp/ ; 1293, kJ kmol K/ / ; Cp_{H O2} 336, kJ kmol K/ /

H₁118000kJ kmol/ ; H₂105200kJ kmol/ ; H₃53900kJ kmol/

· Adja meg a komponensek móláramát a reaktortérfogat függvényében, ha a reaktort adiabatikusan üzemeltetjük, és a betáplálás hômérséklete T_be = 922 K, 1050 K, illetve 1100 K.

· Ha céltermék a sztirol, mekkora térfogatú reaktort választana 1050 K hômérsékleten?

· Hogyan befolyásolja a betáplálási hômérséklet a sztirol móláramának lefutását a reaktortérfogat függvényében? Közelítôleg határoza meg az ideális betáplálási hômérsékletet (amikor a céltermék mólárama maximális), ha a céltermék a sztirol?

· Hogyan befolyásolja a sztirol móláramának térfogatfüggését a vízgôz/etilbenzol arány a betápban?

10. Tökéletesen kevertnek tekinthetô tartályreaktorunkba 200 dm³ tiszta etilacetátot teszünk és állandó 0,05 dm³/s sebességgel tiszta n-butanolt adagolunk hozzá. Az egyensúlyra vezetô reakcióban n-butilacetát és etanol keletkezik:

CH COOC H_{3 2 5}C H OH_{4 9} CH COOC H_{3 4 9}C H OH_{2 5}

A reaktor 300 K állandó hômérsékleten üzemel. Ezen a hômérsékleten az egyensúlyi állandó értéke 1,08, a balról jobbra irányuló reakció sebességi állandója pedig

9 10 ^5dm mol s³/  . A tiszta etil-acetát koncentrációja 10,93 mol/dm³ , a tiszta n- butanolé pedig 7,72 mol/dm³.

· Ábrázolja az egyensúlyi konverziót az idô függvényében.

· Adja meg (és ábrázolja) az etil-acetát konverziót, a reakciósebességet és a butanol koncentrációt a reaktorban az idô függvényében.

· A keletkező etanolt állandónak tekinthető sebességgel kidesztilláljuk a reaktorból (reaktív desztilláció). Hogyan változnak az eddigi számítási eredmények különböző desztillációs sebesség esetén?

· Ismételje meg a számításokat különbözô betáplálási sebességek mellett.

11. Mezitilén katalitikus dehidroalkilezésével m-xilolt kapunk. A m-xilol azonban szintén dehidroalkilezôdik, így toluol is keletkezik.

A B  ^r1 C D r₁k c c_{1 A B}^{0 5,} C B  ^r2 E D r₂k c c_{2 C B}^{0 5,}

(A = mezitilén, B = H₂, C = m-xilol, D = metán, E = toluol)

A második reakció nem kedvezô, mivel a világpiacon a m-xilol ára lényegesen magasabb mint a toluolé. Törekednünk kell a m-xilol maximális hozamára. A gyártás fix ágyas katalitikus csôreaktorban történik. A reaktor 833,3 K hômérsékleten és 35 bar nyomáson gyakorlatilag izoterm reaktorként működik. A reaktor hômérsékletén és nyomásán a belépô anyagáram 6,74 m³/h, 66,7 %-a hidrogén, 33,3 %-a mezitilén. A reaktor hômérsékletén a sebességi állandók értékei:

k m

kmol h k m

kmol h

1

3 0 5

1

2

3 0 5

13 792 7 546 1

 

 

  

 



 

, ; ,

, ,

/A sebességi állandók értékei az adott fajlagos katalizátor-terhelésre (m³ katalizátor/m³ reaktortérfogat) vonatkoznak./

· Adjuk meg táblázatban és diagramban a komponensek koncentrációját a tartózkodási idô függvényében.

· Mekkora a konverzió és a szelektivitás, ha a m-xilol koncentrációja a reaktort elhagyó anyagáramban a maximális érték?