Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Новокуйбышевский нефтехимический техникум»
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
для выполнения практических
заданий
По предмету: «Общая
химическая технология»
по профессии НПО
240101.01 Аппаратчик – оператор нефтехимического производства
2014г
Рассмотрена
Предметно-цикловой комиссией
Протокол № ___ от «__» ________20__г.
Председатель ПЦК
_______________Н.Н.Мерлушкина
|
Утверждаю
Заместитель директора по
учебной –производственной работе
____________ В.Б.Семисаженова
|
Организация-разработчик: ГБОУ СПО «Новокуйбышевский
нефтехимический техникум»
Разработчик:
Ракитина Л.Н. – мастер п/о
Введение.
Данные
методические рекомендации содержат не только описание практических занятий по
технологии приготовления химических продуктов, но и методические указания по их
проведению.
Целью
практических занятий по технологии приготовления химических продуктов является
экспериментальное изучение типичных процессов химической технологии и усвоение
общих принципов, дающих ключ к пониманию любого химического производства.
Практические занятия являются
одним из важных звеньев учебного
процесса
и расширяют теоретическую и практическую подготовку
будущего
специалиста.
Самостоятельно
выполняя практические занятия, обучающийся должен приобрести определенные
экспериментальные навыки, которые ему будут необходимы в последующей работе на
производстве.
Составление отчета практическим занятиям
Хорошо и
правильно написать отчет не менее важно, чем хорошо выполнить экспериментальную
работу. Поэтому важно привитие студентам навыков составления отчетов по практическим
занятиям.
Отчет по
каждой работе составляется по следующем плану:
1. Введение
2. Цель работы
3. Описание
экспериментальной установки и методика проведения
опытов и анализов
4. Экспериментальная
часть
5. Обсуждение
результатов и выводов
Список использованной
литературы
При описании
экспериментальной установки должны быть обязательно приведены аккуратно
вычерченные схемы. В случае работ, выполняемых по практикуму, дается краткое
обоснование физико-химических основ процесса и промышленных методов
производства Элементы схемы должны быть обозначены цифрами, а под схемой, под
теми же обозначениями, должны быть даны названия элементов установки.
Содержание.
№ п/п
|
Перечень лабораторных работ
|
Стр
|
1
|
«Химическое
равновесие»
|
4
|
2
|
«Химическая
кинетика»
|
11
|
3
|
«Технико-экономические
показатели производств»
|
20
|
4
|
«Задачи с
экологическим содержанием»
|
24
|
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1
Химическое
равновесие
Цель работы: Изучить равновесное состояние системы
и способы влияния на него
Основы теории
При
протекании химической реакции через некоторое время устанавливается равновесное
состояние (химическое равновесие). Слово «равновесие» означает состояние, в
котором сбалансированы все противоположно направленные на систему воздействия.
Тело, находящееся в состоянии устойчивого равновесия, обнаруживает способность
возвращаться в это состояние после какого-либо возмущающего воздействия.
Примером тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия,
может служить шарик, лежащий на дне ямки. Если его толкнуть в одну или другую
сторону, он вскоре снова возвращается в состояние устойчивого равновесия. В
отличие от этого шарик, лежащий на краю ямки, находится в состоянии
неустойчивого равновесия — достаточно ничтожного толчка, чтобы он необратимо
скатился в ямку.
Оба этих примера являются примерами статического равновесия. В
химии, однако, приходится сталкиваться не столько со статическими равновесиями,
столько с динамическими («подвижными»). Динамическое равновесие
устанавливается, когда оказываются сбалансированными два обратимых или
противоположных процесса. Динамические равновесия подразделяют на физические и
химические. Наиболее важными типами физических равновесий являются фазовые
равновесия. Система находится в состоянии химического равновесия, если скорость
прямой реакции равна скорости обратной реакции.
Например, если скорость протекания реакции (константа скорости к1)
А(г) + В(пар) АВ(г)
равна скорости обратной реакции (константа скорости k2)
АВ(г) А(г) + В(пар),
то система находится в динамическом равновесии. Подобные реакции
называются обратимыми, а их уравнения записывают с помощью двойной стрелки:
А(г) + В(пар) АВ(г).
Реакции, протекающие слева направо, называются прямой, справа
налево – обратной.
Нужно подчеркнуть, что реакционная система остается в состоянии
динамического равновесия лишь до тех пор, пока система остается изолированной.
Изолированной называют такую систему, которая не обменивается с окружающей
средой ни веществом, ни энергией.
Состояние химического равновесия обратимых процессов количественно
характеризуется константой равновесия. Так, для обратимой реакции общего вида
аA +bB сC + dD
константа равновесия К, представляющая собой отношение
констант скорости прямой и обратной реакций, запишется
где, Кс – константа скорости реакции,
зависящая от концентрации реагирующих компонентов; Сi или [ i ]-
равновесная молярная концентрация i-того компонента;
a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты веществ.
В правой части уравнения стоят концентрации взаимодействующих
частиц, которые устанавливают при равновесии, - равновесные концентрации.
Уравнение представляет собой математическое выражение закона
действующих масс при химическом равновесии. Для реакции с участием газов
константа равновесия выражается через парциальные давления, а не через их
равновесные концентрации. В этом случае константу равновесия обозначают
символом Кр :
Рi - равновесные парциальные давления i-того компонента.
Сi - равновесная
молярная концентрация компонентов.
a, b, c, d – стехиометрические
коэффициенты веществ.
Состояние химического равновесия при неименных внешних условиях
теоретически может сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности,
т.е. при изменении температуры, давления или концентрации реагентов, равновесии
может «сместиться» в ту или иную сторону протекания процесса.
Изменения, происходящие в системе в результате внешних
воздействий, определяется принципом подвижного равновесия – принципом Ле
Шателье – Брауна. При воздействие на равновесную систему, любого
внешнего фактора, равновесие в системе смещается в таком направлении, чтобы
уменьшить воздействие этого фактора.
1. Влияние давления на равновесие химической
реакции (для реакции, проходящей в газовой фазе).
aA + bB cC + dD
- если реакция идет с увеличением количества компонентов a + b
< c + d, то повышение давления смещает равновесие химической реакции справа
налево.
- если реакция идет с уменьшением количества компонентов a + b
> c + d, при увеличении давления сдвиг равновесия произойдет слева направо.
- если количество компонентов одинаково a + b = c + d, то
изменение давления не повлияет на положении равновесия.
2. Влияние инертного газа. Введение инертного
газа подобно эффекту уменьшения давления (Ar, N2, водяной пар). Инертный газ не участвует в реакции.
3. Влияние изменения концентрации реагирующих
веществ. При введение дополнительного количества вещества равновесие химической
реакции сместиться в ту сторону где концентрация вещества уменьшается.
4. Влияние температуры на химическое
равновесие реакции.
Если к равновесной системе подводится теплота, то в системе
происходят изменения, чтобы ослабить это воздействие, т.е. процессы с
поглощением теплоты. При экзотермических реакциях снижение температуру сместит
равновесие слева направо, а при эндотермических реакциях повышение температуры
сместит равновесие справа налево.
Зависимость Кр от
температуры – уравнение Вант – Гоффа.
; ;
(); lnkT1 – lnkT2 =
Примеры решения задач
1. Реакция соединения азота и водорода обратима и протекает
по уравнению
N2 + 3Н2 2NН3. При состоянии равновесия
концентрации участвующих в ней веществ были: [N2] = 0,01 моль/л, [Н2] = 2,0 моль/л, [NH3] = 0,40 моль/л. Вычислить константу равновесия и исходные
концентрации азота и водорода.
Решение:
Для приведенной реакции
Подставляя значение равновесных концентраций, получим
= 2
Согласно уравнению реакции из 1 моль азота и 3 моль водорода
получаем
2 моль аммиака, следовательно, на образование 0,4 моль аммиака
пошло
0,2 моль азота и 0,6 моль водорода. Таким образом, исходные
концентрации будут [N2] = 0,01
моль/л + 0,2 моль/л = 0,21 (моль/л),
[H2] = 2,0 моль/л
+ 0,6 моль/л = 2,6 (моль/л).
Ответ: Кравн = 2;
С0 (N2) = 0,21 моль/л и С0 (Н2) = 2,6
моль/л.
2. Один моль смеси пропена с водородом, имеющей
плотность по водороду 15, нагрели в замкнутом сосуде с платиновым катализатором
при 320°С, при этом давление в сосуде уменьшилось на 25%. Рассчитайте выход
реакции в процентах от теоретического. На сколько процентов уменьшится давление
в сосуде, если для проведения эксперимента в тех же условиях использовать 1
моль смеси тех же газов, имеющей плотность по водороду 16?
Решение:
С3Н6 + Н2 С3Н8
1) Пусть н(C3H6) = х, н(H2) =1-x, тогда масса смеси равна
42х + 2(1 - х) = 2 • 15 = 30,
откуда х = 0,7 моль, т. е. н(C3H6) = 0,7
моль, н(H2) = 0,3 моль.
Давление уменьшилось на 25% при неизменных температуре и объеме за
счет уменьшения на 25% числа молей в результате реакции. Пусть у моль Н2 вступило в реакцию, тогда после
реакции осталось:
н(C3H6) = 0,7 - у, н(H2) = 0,3 – у, н(C3H8) = у,
но6щ = 0.75 =(0,7
- у) + (0,3 - у) + у, откуда y = 0,25 моль.
Теоретически могло образоваться 0,3 моль С3Н8 (H2 — в недостатке), поэтому выход
равен . Константа равновесия
при данных условиях равна
2) Пусть во втором случае н(C3H6) = a
моль, н(H2) = (1 – а) моль,
тогда масса смеси равна 42а + 2(1 - а) = 2 • 16 = 32, откуда, а= 0,75, т. е.
н(C3H6) = 0,75, н(H2) = 0,25. Пусть в реакцию вступило b моль Н2. Это число можно найти из условия
неизменности константы равновесия
=
Из двух корней данного квадратного уравнения выбираем корень,
удовлетворяющий условию 0 < b < 0,25, т. е. b = 0,214 моль
Общее число молей после реакции равно
нoбщ =((0,75 -
0,214) + (0,25 - 0,214) + 0,214 - 0,786) моль, т. е. оно уменьшилось на 21,4%
по сравнению с исходным количеством (1 моль). Давление пропорционально числу
молей, поэтому оно также уменьшилось на 21,4%.
Ответ: выход С3Н8 — 83,3%; давление уменьшится на
21,4%.
Задания для практической работы № 6 (варианты):
1. В реакции между раскаленным железом и паром , при достижении равновесия парциальные
давления водорода и пара равны 3,2 и 2,4 кПа соответственно. Рассчитайте
константу равновесия.
2. Вычислите константы равновесия газовой
реакции , состав газовой смеси при равновесии
следующим (% по объему): СО=2,4, Cl2=12,6, COCl2=85,0, а общее давление смеси при 200С составляло Па. Вычислите ΔG
реакции.
3. Рассчитайте константу равновесия при некоторой заданной
температуре для обратимой реакции , учитывая, что в
равновесном состоянии концентрации участвующих в реакции веществ были равны [CO]=0,16
моль/л, [H2O]=0,32 моль/л, [CO2]=0,32 моль/л, [H2]=0,32 моль/л.
4. В стальном резервуаре находятся карбонат кальция и воздух под
давлением 1 атм. при температуре 270С. Резервуар нагревают до 8000С
и дожидаются установления равновесия. Вычислите константу равновесия реакции при
8000С, если известно, что равновесное давление газа в резервуаре при
этой температуре равно 3,82 атм., а при 270С не
разлагается.
5. При постоянной температуре в гомогенной системе А+В=2С
установилось равновесие с равновесными концентрациями [A]=0,8
моль/л, [B]=0,6 моль/л, [C]=1,2 моль/л. Определите новые равновесные
концентрации, если в систему дополнительно ввели 0,6 моль/л вещества В.
6. Как можно обосновать оптимальные условия промышленного синтеза
аммиака с высоким выходом на основе термохимического уравнения реакции
и с учетом того, что при низких
температурах скорость прямой реакции очень мала?
7.Вычислите константу равновесия ниже приведенных реакций,
протекающих при стандартных условиях и при 400 К.
а) ;
б) .
8.Уравнение реакции окисления хлорида водорода . Вычислите константу равновесия этой
реакции при Т=500 К. Предложите способы увеличения концентрации хлора в
равновесной смеси.
9.При смешении 2 моль уксусной кислоты и 2 моль этилового спирта в
результате реакции к моменту наступления
равновесия осталось 0,5 моль и , а также некоторое количество эфира и
воды. Определите состав равновесной смеси, если смешивают по 3 моль и при той
же температуре.
10. Вычислить начальные концентрации веществ в обратимой реакции и константу равновесия, если равновесные
концентрации составляют , ,
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2
Химическая кинетика
Цель работы: Изучить скорость химической реакции и
закономерности их протекания
Основы теории
Это раздел химии, изучающей скорость химических реакций, а в более
широком смысле – закономерности их протекания.
Термин скорость реакции означает скорость, с которой образуются
продукты, либо скорость, с которой расходуются агенты при протекании химической
реакции. Химические реакции происходят с самыми разными скоростями. Со
скоростью химических реакций связаны представления о превращении веществ, а
также экономическая эффективность их получения в промышленных масштабах.
Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции,
которая определяется изменением количества вещества реагентов (или продуктов
реакции) в единицу времени в единице объема. Если при неизменном объеме и
температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась (или
увеличилась) от значения с1 до
значения с2 за промежуток времени от t1 до t2, то средняя скорость реакции составит
(1.3.1)
где Сi –
изменения концентрации i-того компонента, моль/м3 или моль/л,
wi - скорость
реакции, (моль/(л · с) или моль/м3 ·с).
Уравнение подходит для реакций протекающих в гомогенном реакционном
пространстве.
Если реакция протекает в гетерогенном пространстве, то выражение
для скорости реакции по данному веществу i имеет вид
(моль/м3 *с).
dni – изменение
количества i-того компонента, моль; S- площадь, м2;
dt – изменение времени, с.
I. Продукты реакции или промежуточные соединения
образуются при взаимодействии частиц в элементарном химическом акте. Число
частиц в элементарном химическом акте называется молекулярностью реакции.
Элементарные реакции бывают трех типов:
мономолекулярные А Р1+ Р2 + …
бимолекулярные А + В Р1+ Р2 +...
тримолекулярные 2А + В Р1+ Р2 +
… 3А Р1+ Р2 + …,
А + В + С Р1+ Р2 + …
Четырехмолекулярных реакций не бывает, т.к. вероятность
одновременного столкновения четырех молекул ничтожно мала.
Скорость реакции можно измерить, определяя количество реагента или
продукта во времени. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и
от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются
концентрация, температура и присутствие катализатора.
Рассмотрим реакцию между веществами А и В, протекающую по схеме
аА + вВ + …. → сС + dD + …
Скорость реакции зависит от концентраций А и В, однако заранее
нельзя утверждать, что она прямо пропорциональна концентрации того или другого.
Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ
выражается основным законом химической кинетики — законом действующих масс:
скорость элементарной химической реакции прямо пропорциональна произведению
концентрации реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим
коэффициентам в уравнении реакции.
Для элементарной реакции
n1А + n2В n3С + n4Е + …
w= или w = k [A]nA [B]nВ.
Выражение такого типа называют кинетическим уравнением, где k
- константа скорости (не зависит от концентрации реагирующих реагентов и
времени); CA, CB – текущие концентрации
реагирующих веществ; n1, n2 - некоторые числа, которые называются порядком реакции по
веществам А и В соответственно. Порядок реакции совпадает со стехиометрическими
показателями элементарной реакции. Порядок реакции n – сумма показателей
кинетических степеней в химическом уравнении реакции. Сумма показателей
степеней n1 + n2 = n называется общим
порядком реакции. Для элементарной реакции общий порядок равен
молекулярности, а порядок по веществам равны коэффициентам в уравнении реакции.
Порядок реакции по i-тому компоненту не равен его
стехиометрическому коэффициенту в химическом уравнении сложной реакции.
1. Реакции нулевого порядка. Скорость этих реакций не
зависит от концентрации реагирующего вещества n=0. Из уравнений получим следующее
w=k или .
Интегрируя выражение (1.3.4) получаем:
CA,t=CA,0 – k0t, k0t = CA,0 –
CA,t
Введем понятие время полупревращения t1/2 – это время, в течение которого превращается
половина исходного вещества.
Для реакции нулевого порядка в уравнение 1.3.5 подставим
t1/2=
2. Реакции
первого порядка. Для реакции первого порядка n=1 типа
А Р1+ Р2 + …,
скорость прямо пропорциональна концентрации вещества А:
w=;
lnCA,t = lnCA,0 – kt
С=СА,t=CA,0 e-kt
t1/2=
3. Реакции второго порядка. Для реакции второго
порядка n=2 типа
А + В Р1+ Р2 +..., если СА,0=СВ,0 кинетическое уравнение имеет вид
w=;
t1/2
Для реакции второго порядка типа А + В Р + … если СА,0 СВ,0 кинетическое
уравнение имеет вид
w=
Периоды полураспада вещества А и В, если СА,0 СВ,0, различны,
т.е. t1|2 (A)
t1|2 (B).
4. Реакции третьего порядка. Кинетика
реакции третьего порядка n=3 типа
2А + В Р1+ Р2 + … 3А Р1+ Р2 +
…, А + В + С Р1+ Р2 + …
при равных начальных концентрациях описывается уравнением
w=
t1|2=
Для реакции А + В + С Р + …,если СА,0 СВ,0СС,0 кинетическое уравнение примет вид
w=
II. Выражение записано для фиксированной
температуры. Для приближенной оценки изменения скорости широко используется
эмпирическое правило Вант-Гоффа, в соответствии с которым скорость химической
реакции становится в 2-4 раза больше при повышении температуры на каждые 10°C.
В математической форме зависимость изменения скорости реакции от температуры
выражается уравнением
— скорость реакции при повышенной температуре Т2,
- скорость реакции при
начальной температуре Т1; г
—температурный коэффициент скорости, показывающий, во сколько раз увеличится
скорость реакции при повышении температуры на 10°С . Это позволяет
предположить, что между скоростью реакции и температурой должна существовать
экспоненциальная зависимость. Точное соотношение между скоростью реакции и
температурой установил шведский химик Аррениус в 1899
г. Это соотношение, получившее название уравнение Аррениуса, имеет вид
где k – константа скорости реакции; А —
постоянная, характеризующая каждую конкретную реакцию (константа Аррениуса, или
«предэкспонента»);
Еa — постоянная,
характерная для каждой реакции и называемая энергией активации, Дж; R
— универсальная газовая постоянная Дж/(К·моль);
Т — температура, К.
Подчеркнем, что это уравнение связывает температуру не со
скоростью реакции, а с константой скорости. Приведем уравнение Аррениуса для
двух температур
III. Одно из наиболее сильных средств влияния на
скорость реакции — присутствие в реагирующей системе катализатора - вещества,
которое усиливают (а иногда и понижают - тогда его называют ингибитором)
скорость химической реакции, но само не расходуется в этом процессе.
Примеры решения задач
1. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции
при повышении температуры с 0 до 50°С, принимая температурный коэффициент
скорости равным трем?
Решение:
В математической форме зависимость
изменения скорости реакции от температуры выражается уравнением
=г
Температура увеличивается на 50°С, а г = 3. Подставляя эти
значения, получим = 3 = 243
Ответ: скорость увеличится в 234 раза.
2. Для реакции первого порядка А→2В определите время
за которое прореагировало на 90% вещества А. Константа скорости реакции 1·10-4 с-1.
Решение:
А → 2В
; ;
C0,A- CA=0,9 C0,A
CA = 0,1 C0,A
k1t = lnC0,A- lnCA Ответ: 64 ч.
3. Как изменится скорость реакции 2А+В2 2АВ, протекающей и закрытом сосуде, если
увеличить давление в 4 раза?
Решение:
По закону действия масс скорость химической реакции прямо
пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ: w=. Увеличивая в сосуде давление, мы тем самым
увеличиваем концентрацию реагирующих веществ. Пусть начальные концентрации А и
В равнялись [А] =а,
[В]=b. Тогда w=ka2b.
Вследствие увеличения давления в 4 раза увеличились концентрации каждого из
реагентов тоже в 4 раза и стали [A]=4a, [B]=4b.
При этих концентрациях w1 =k(4а)2 ·4b
= k64а2b. Значение k
и обоих случаях одно и то же. Константа скорости для данной реакции есть
величина постоянная, численно равная скорости реакции при молярных
концентрациях реагирующих веществ, равных 1. Сравнивая w и w1, видим, что скорость реакции
возросла в 64 раза. Ответ: скорость реакции возросла в 64 раза.
4. Энергия активации некоторой реакции в отсутствие
катализатора равна
76 кДж/моль и при температуре 27°С протекает с некоторой
скоростью k1. В присутствии
катализатора при этой же температуре скорость реакции увеличивается в 3,38 · 104 раз. Определите энергию активации
реакции в присутствии катализатора.
Решение:
Константа скорости реакции в отсутствие катализатора запишется в
виде
= Ае = Ae-30,485.
Константа скорости реакции в присутствии катализатора равна
= Ае = Ае.
По условию задачи
=e – (- 30,485-)=3,38 · 104.
Логарифмируем последнее уравнение и получаем
30,485 -= 1n(3,38·104) = 10,43.
Отсюда Еа = 2493
· 20,057 = 50 кДж/моль.
Ответ: энергия активации реакции в присутствии катализатора
равна 50 кДж/моль.
Задания для практической работы № 7 (варианты):
1.
За какое время пройдет реакция при 600С, если при 200С
она заканчивается за 40 с, а энергия активации 125,5 кДж/моль?
2. В загрязненном воздухе содержится примесь монооксида углерода,
который образуется при неполном сгорании твердого топлива и работе двигателей
внутреннего сгорания. Монооксид углерода медленно окисляется кислородом воздуха
до диоксида углерода. Допустим, что при определенных условиях скорость такой
реакции составляет 0,05 моль/л·с, а концентрация диоксида углерода равна 0,2
моль/л·с. Рассчитайте концентрацию диоксида углерода через 10 с после
указанного момента.
3. Один из важных видов сырья для органического синтеза – так
называемый водяной газ, представляющий собой смесь водорода и монооксида
углерода. Эту смесь получают при пропускании водяного пара через башни,
наполненные раскаленным углем. Из водяного газа получают метанол, формальдегид
и другие вещества. Рассчитайте значение константы скорости реакции получения
водяного пара, если при концентрации водяного пара, равной 0,003 моль/л
скорость реакции составляет .
4. В реакции А+ВС с общим порядком
равным . Определите концентрации веществ А и В и
скорость через 1 час и через 5 часов, если начальная концентрация А составляет
0,2 моль/л.
5. В причиной появления опасного тумана (смога) считают
образование большого количества выхлопных газов при автомобилей при высокой
влажности воздуха. В смоге присутствует ядовитый диоксид азота, который
получается при реакции монооксида с атомарным кислородом. Рассчитайте скорость
этой реакции, если через 5 мин. После начала наблюдений концентрация диоксида
азота была равна 0,005 моль/л, а через 20 мин. – 0,08 моль/л.
6. Уравнение реакции омыления уксусноэтилового эфира:. Исходные концентрации реагирующих
веществ до начала реакции были: , Определить, как и во сколько раз изменится
скорость реакции в момент, когда концентрация [] стала равной 0,30
моль/л.
7. Атмосферные загрязнения, например фторированные и хлорированные
углеводороды – фреоны (), разрушают защитный
озоновый слой Земли. Фреоны химически стабильны в нижних слоях атмосферы, но в
стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца разлагаются,
выделяя атомарный хлор, который и взаимодействует с озоном. Рассчитайте
скорость такой реакции с образованием кислорода монооксида хлора, если через 15
с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,30 моль/л, а через 35
с (от начала реакции) стала равна 0,15 моль/л.
8. За реакцией дегидрирования бутана, протекающей по уравнению при температуре 800 К, следили по объему
реагирующих газов, занимаемому ими при давлении 101 кПа и 293 К. Объем реактора
0,2 л, скорость протекания реакции равна .
Рассчитайте, через какое время после начала реакции изменение объема достигнет 0,001
л.
9. Рассчитайте изменения константы скорости реакции, имеющей
энергию активации 191 кДж/моль, при увеличении температуры от 330 до 400 К.
10. Вычислите порядок реакции и константу скорости, если при
изменении начальной концентрации с 0,502 моль/л до 1,007 моль/л время
полупревращения уменьшится с 51 до 26с.
11. Для реакции омыления уксусно-этилового эфира при большом
избытке воды константа скорости при 20 равна 0,00099 мин-1, а при 40 ее величина составляет 0,00439 мин-1.
Определите энергию активации и константу скорости при
30 .
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3
Технико-экономические
показатели химических производств
Цель работы: Обучить решению задач с производственным
содержанием
Основы теории
Значение химии
становится особенно ясным, когда изучаемый материал связывается с практическими
вопросами. Один из способов его связи с жизнью — решение задач на темы с
производственным содержанием. Для химической промышленности, как отрасли
материального производства имеет значение технический и экономический аспекты,
от которых зависит нормальное функционирование производства.
Технико-экономические показатели (ТЭП) отражают возможности предприятия
выпускать продукцию заданной номенклатуры и качества, удовлетворяющую
требованиям заказчика, и в заданном количестве. Они являются критериями,
позволяющий установить экономическую целесообразность организации данного
производства и его рентабельность.
Рентабельность процесса
производства характеризуется следующими ТЭП: степень превращения, выход
продукта, селективность, производительность, мощность и интенсивность
аппаратуры, практический и теоретический расходный коэффициент.
В этом разделе
рассматриваются задачи следующих типов:
1. Задачи, в которых обращается
внимание на получение вещества или на применение его в производственных
условиях.
2. Задачи на определение выхода
получаемого вещества по отношению к теоретическому.
3. Задачи, вскрывающие химическую
сторону технологии производства и требующие составления уравнения реакции по
которой оно протекает.
4. Задачи, в которых обращается
внимание на масштабы производства или размеры аппаратуры (башен, камер,
колонок) и т. п.
Степень
превращения ()
– это отношение количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному
количеству вещества. Допустим, протекает простая необратимая реакция типа А →
В. Если обозначить через исходное количество вещества А, а
через - количество вещества А в данный момент,
то степень превращения реагента А составит
Чем
выше степень превращения, тем большая часть исходного сырья вступила в реакцию
и полнее прошел процесс химического превращения.
Выход продукта является показателем совершенства
процесса и показывает отношение количества фактически полученного количества
того или иного продукта к его теоретическому количеству.
;
Производительность
аппарата (П)
определяет количество готового продукта m фактически вырабатываемый в единицу
времени t при заданных условиях процесса производства. Измеряется т/сут,
тыс.т/год, кг/ч, нм3/сут.
Интенсивность
аппарата –
производительность, отнесенная к единице полезного объема или к единице
полезной площади. Измеряется кг/м3 и кг/м2
или
Максимально возможная
производительность аппарата при оптимальных условиях процесса производства
называется его мощностью W
W=Пmax
Селективность – отношение массы целевого продукта
к общей массе продуктов, полученных в данном процессе, или к массе
превращенного сырья за время t.
Если А → В, А → С,
где В – целевой продукт, С – побочный продукт, то уравнение имеет следующий
вид:
Это
отношение скорости превращения вещества А в целевой продукт к общей скорости
расхода вещества А.
Расходный
коэффициент Кр определяет расходы сырья, воды,
топлива, электроэнергии пара на единицу произведенной продукции
Gисх – затраты сырья, топлива, энергии при
производстве продукта в количестве G. Измеряется в т/т, нм3/т, нм3/ нм3,
кВт*ч/т.
Примеры
решения задач
1. Сколько теоретически можно
получить чугуна, содержащего 3% углерода и 3% других элементов, из 1 т железной
руды, содержащей 80% железа?
Из каждой тонны
железной руды, содержащей в среднем 80% магнитного железняка, выплавляют 570
кг чугуна, содержащего 95% железа. Каков был выход железа от теоретического?
Решение:
М(Fе3О4) = 232 г/моль
М(Fе) = 56 г/моль
Записываем формулу
определения з(Fе):
Обеих величин в
условии нет. Но m(Fе)пр можно
рассчитать по массе чугуна и массовой доле железа в нем:
m(Fе)пр = 570
кг • 0,95 = 541,5 кг.
Сразу теоретическую
массу железа по условию не вычислить. Можно найти массу магнитного железняка по
массе руды и содержанию в ней массовой доли железняка:
m(Fе3О4) = 1000 кг • 0,8 = 800
кг.
По вычисленной массе
магнитного железняка и его формуле найдем массу железа в нем:
800 > 232 в 3,45
раза => m(Fе) будет > 168 (56 • 3) тоже в 3,45 раза, т. е.
M(Fе) = 168 • 3,45 =
579,6 (кг).
Подставляя полученные
значения практической и теоретической массы железа в первоначальную формулу,
получим выход железа:
з(Fе) =
Ответ: з(Fе) =93,4%.
2. Для получения формальдегида метиловый
спирт необходимо окислить на серебряном катализаторе: СН3ОН + 0,5О2 =
СН2О + Н2О. Кроме основных реакций протекают
и побочные. Предположим, что на окисление подается 3,2 кмоль метилового спирта.
Их них образовалось 1,8 кмоль формальдегида, 0,8 моль – побочных продуктов
(суммарно) и остались неокисленными 0,6 кмоль метилового спирта. Необходимо
найти степень превращения метилового спирта, выход формальдегида и
селективность.
Решение:
Определим степень превращения. Для
этого количество непрореагировавшего спирта, оставшегося после реакции, 0,6
кмоль необходимо вычесть из его начального количества 3,2 кмоль. Подставив
данные значения в формулу (2.1) получим:
Рассчитаем селективность по
формальдегиду. Общее количество полученных продуктов равно сумме количества
формальдегида 1,8 кмоль и количества продуктов 0,8 кмоль.
Найдем выход продукта
формальдегида.
Ответ: = 0,81, ц(НСНО)= 0,69, з(НСНО)=
56%
Задания для практической работы № 8 (варианты):
1. Рассчитать основные технико-экономические показатели
получения синтетического аммиака:
а) расходный коэффициент сырья по и (в ) на 1
т аммиака;
б) выход аммиака;
в) производительность завода;
г) интенсивность синтеза аммиака в т/м3 полезного
объема колонки в сутки.
На 1 т аммиака практически расходуется 3000 нм3
азотоводородной смеси, теоретически 2635 нм3. 5 колонок с высотой
0,36м.
2. Вычислить расходный коэффициент на 1 т для
, содержит 65% , если
выход 97%, уксусного альдегида 95% и 96%.
3. Вычислить количество аммиака и (в кг)
израсходованных на производство мочевины.. Потери мочевины 5%, избыток аммиака
100%, степень превращения карбомата аммония в мочевину 75%.
4. При окислительном дегидрировании метилового сипрта протекают
одновременно две реакции: дегидрирование и окисление метанола. Выход
формальдегида 90% при степени конверсии метанола 65%. Вычислите расход метанола
на 1т формальдегида.
5. Производительность печи для обжига серного колчедана составляет
30т в сутки. Выход - 97,4% от теоретического.
Сколько тонн производит печь в сутки, если содержание
серы в колчедане 42,4%?
6. Печь для варки стекла, производящая в сутки 300т стекломассы,
имеет ванну длиной 60м, шириной 10м и глубиной 1,5м. Определить:
а) годовую производительность, если 15 суток печь находится в
ремонте;
б) интенсивность печи за сутки работы;
в) количество листов оконного стекла за сутки из свариваемой
стекломассы (стандартный лист 1250·700·2 мм и плотность 2500 г/м3).
7. При прямой гидратации этилена наряду с основной реакцией
присоединения протекают побочные реакции. Так
2% (от массы) этилена расходуется на образование простого диэтилового эфира, 1%
- ацетальдегида, 2% - низкомолекулярного жидкого полимера. Общий выход спирта
при многократной циркуляции составляет 95%. Напишите уравнения химической
реакции образовавшихся выше перечисленных соединений и подсчитайте расход
этилена на 1т этилового спирта. Сколько диэтилового эфира может при этом получиться?
8. Шахтная печь для получения оксида кальция имеет в среднем
высоту 14м и диаметр 4м; выход оксида кальция составляет 600 – 800
кг на 1 м3 печи в сутки. Определите суточный выход оксида кальция.
9. Производительность печи для обжига колчедана составляет 30т
колчедана в сутки. Колчедан содержит 42,2% серы. Воздух расходуется на 60%
больше теоретического. Выход сернистого газа составляет 97,4%. Вычислить:
а) содержание колчедана (в %);
б) объем и состав газовой смеси, выходящей из печи за 1 час;
в) массу оставшегося в печи огарка;
г) массу оставшегося в печи не прореагировавшего .
10. Протекают две параллельные реакции и . Определите выход продукта С, степень
превращения реагента А и селективность по продукту В, если на выходе из
реактора известно количество веществ ν(А)=2 моль, ν(С=ν(В)=3 моль.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4
Задачи
с экологическим содержанием
Цель работы: Изучить основы
экологических явлений и химических процессов, происходящих в природе.
Основы теории
Охрана
воздушного и водного бассейнов, защиты почв, сохранение и воспроизводство флоты
и фауны – важные проблемы современности. В нашей стране разработано несколько
общих направлений защиты биосферы от промышленных выбросов: создание
безотходных технологий, замкнутых систем производств, основанных на полном
комплексном использовании сырья; уменьшение объема промышленных стоков путем
создания бессточных производств; проведение мероприятий по уменьшению
загрязнения биосферы газообразными выбросами сжигания топлива; разработка
методов утилизации; и обезвреживания производственных отходов и выбросов в
атмосферу на действующих предприятиях.
Экологическая
химия – наука, изучающая основы экологических явлений и химических процессов,
происходящих в природе. В данном разделе применяются основные законы и формулы,
применяемые для расчета массы, количества вещества, объема, концентрации, в том
числе и для определения предельно-допустимых концентраций. Предельно-допустимая
концентрация (ПДК) – это такая концентрация, которая не оказывает на живые
организмы прямого или косвенного влияния, не снижает его работоспособность,
самочувствие. Основной задачей газоочистки и очистки сточных вод служит
доведение содержания токсичных примесей в газах и сливных водах до ПДК
установленных санитарными нормами. При невозможности достигнуть ПДК путем
очистки иногда применяют многократное разбавление токсичных веществ или выброс
газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях
атмосферы. Для санитарной оценки среды используют несколько видов ПДК.
ПДК воздушной среды;
ПДК водной среды;
ПДК почвы.
Для
определения предельно-допустимой концентрации применяют следующую формулу:
,
где Сm – предельно-допустимая
концентрация, m – масса токсичного соединения,
V – объем, в
котором присутствует соединение данной массы.
Теоретическое
определение концентрации примесей в нижних слоях атмосферы в зависит от высоты
трубы. Высота трубы, от которой зависит содержание примесей в приземном слое
воздуха, рассчитывается по эмпирической формуле:
где М
– количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, г/с; V
– объем выбрасываемых газов, м3 /с;
∆Т – разность между температурами выходящих газов и
окружающего воздуха, ◦С; N – число труб, через которые выводятся
отходные газы.
Предельно
допустимый выброс (ПДВ) вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий
концентрацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, рассчитывается
по формуле:
где А
– коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания
вредных веществ в воздухе; F- коэффициент, учитывающий скорость седиментации
вредных веществ в атмосфере; m- коэффициент, учитывающий условия выхода газа из
устья трубы. Коэффициент m может быть вычислен по формуле
где v
–средняя скорость газа на выходе из трубы, м/с; d - диаметр трубы, м.
Примеры решения задач.
1.
В настоящее время муравьиную кислоту получают из природного газа
путем каталитического окисления содержащегося в нем метана. Вычислите объем
природного газа (и. у.), необходимого для получения муравьиной кислоты массой
69 т, если объемная доля метана в нем равна 0,95. Определите преимущества
данной технологии по сравнению с методом получения муравьиной кислоты путем
разложения формиата натрия серной кислотой при охлаждении раствора.
Решение:
СН4 + 3[О]
→НСООН+Н2О
н(НСООН) ===1,5*106 моль;
V(СН4) =н*Vm= 1,5*106 моль*22,4 л/моль=33,6*105 л.
V(природного
газа)=33,6* 106 л: 0,95=35,37*106 л=35,37*103 м3
Ответ: объем природного газа равен 35,37*103 м3.
Современный способ получения муравьиной кислоты дает экономическую
выгоду, так как его использование уменьшает расход ценного сырья. Экологическая
выгода заключается в том, что если природный газ используют без предварительной
переработки, то это вызывает попадание в атмосферу большого количества
продуктов его сгорания: оксидов серы, азота, углерода, которые загрязняют
окружающую среду. Данная технология получения муравьиной кислоты имеет также
преимущества в сравнении с синтезом кислоты из формиата натрия, который
осуществляется в несколько стадий и дает в качестве побочных продуктов
производства соли серной кислоты, кислотные и щелочные сточные воды.
Природный газ данного объема почти полностью расходуется на
получение муравьиной кислоты. Следовательно, выброс отходов производства в
окружающую среду уменьшается по сравнению с методом получения ее разложением
формиата натрия, так как используется малоотходная технология.
2. В сточных водах химико-фармацевтического
комбината был обнаружен хлорид ртути HgCl2, концентрация которого составила 5 мг/л. Для его очистки
решили применить метод осаждения. В качестве осадителя использовали сульфид
натрия (Na2S) массой 420
г. Будут ли достаточно очищены сточные воды, чтобы допустить их сброс в
соседний водоем, содержащий 10 000 м3 воды?
ПДК (HgCl2)
= 0,0001 мг/л. Объем сточных вод 300 м3
Решение:
HgCl2 + Na2S = HgS + 2NaCI
C(HgCI2)= 5 мг/л
= 5 * 10-3г/л; V=300 м3 = 300*10 3л;
m(HgCl2)=1500г
н(HgCl2)= 5,52
моль
m(Na2S) =420 г; н(Na2S) = 5,38 моль.
Согласно уравнения реакции в недостатке содержится сульфид натрия, в избытке -
хлорид ртути. Останется хлорида ртути количеством 0,14 моль, m =0,14
моль*271,58 г/моль= 38 г.
m (HgCl2) = 38
г;
Находим ПДК
Это число значительно превышает ПДК. Однако при сбросе сточных вод
в природный водоем концентрация хлорида ртути понизится и будет равна: . Полученное число также больше ПДК. Таким
образом, сброс воды недопустим.
Ответ: Сm (HgCl)
= 0,127 мг/л в сточных водах и 0,0037 мг/л в открытом водоеме, что значительно
больше ПДК.
3. Как можно утилизировать доменный газ?
Решение:
Доменный газ имеет высокую температуру, поэтому на первой стадий
его
переработки осуществляют утилизацию тепла, на второй - от газа
отделяют
колошниковую пыль (оксиды меди) с помощью циклонов и
электрофильтров. В дальнейшем доменный газ используют в качестве топлива. Кроме
того, его
можно очистить от оксидов серы по реакции Клауса:
SO2 + 2H2S = 3S + 2Н2О.
Следует отметить, что в настоящее время доменный процесс считается
бесперспективным. Его заменяют прямым восстановлением железа из руды.
Задания для практической работы № 9 (варианты):
1. В радиусе 2
км вокруг химического завода ощущается легкий запах сероводорода. Анализ проб
воздуха, отобранных с вертолета, показал, что газ находится в атмосфере на
высоте до 2,0 км. Средняя концентрация сероводорода в воздухе составляет 1/20
промышленно допустимой концентрации (ПДК), равной 0,01 мл/л. Сколько тонн
серной кислоты (считая на безводную) можно было бы получить, если бы удалось
уловить весь сероводород в этом пространстве?
2. Картофель, выращенный вблизи шоссе, всегда
содержит весьма ядовитые соединения свинца. В пересчете на металл в 1кг такого
картофеля было обнаружено 0,001 моль свинца. Определите, во сколько раз
превышено предельно допустимое содержание свинца в овощах, значение которого
равно 0,5 кг?
3. Природный газ содержит главным образом метан СН4, но в нем присутствуют и примеси,
например ядовитый сероводород Н2S
— до 50 г на 1 кг метана. Чтобы удалить примесь сероводорода, можно окислить
его перманганатом калия КМnО4 в
кислой среде до серы. Рассчитайте массу серы, которую можно таким образом
выделить из 1 т природного газа. Определите также массу серной кислоты, которая
может быть получена из этой серы.
4. Диоксид серы образуется в основном при сжигании
твердого топлива на тепловых электростанциях. Это бесцветный газ с резким
запахом, он сильно раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей.
Наличие диоксида серы в атмосфере — причина кислотных дождей, поскольку под
действием кислорода воздуха и воды диоксид серы превращается в серную кислоту.
Однако далеко не все производства, в выбросах которых содержится диоксид серы,
имеют современные сооружения для газоочистки. Чаще применяется разбавление выбросов
чистым воздухом или рассеивание их в воздушной среде путем устройства дымовых
труб большой высоты. Установлено, что при высоте трубы 100
м на расстоянии 2 км от предприятия содержание диоксида серы в воздухе равно
2,75 мг/м3. Во сколько раз
этот показатель превышает значение предельно допустимой концентрации, равное
7,8*10-6 моль/м3.
5. Формальдегид НСНО применяется при изготовлении
древесностружечных плит, красок, искусственного волокна, лекарственных средств,
оргстекла и т.п. Он обладает сильным и резким запахом и угнетающе действует на
сердечнососудистую и нервную системы. Запах формальдегида чувствуется при его
содержании в воздухе, равном 0,2 мг/м3,
а санитарные нормы требуют, чтобы примесь формальдегида в воздухе не превышала
0,003 мг/м3. Рассчитайте
молярную концентрацию формальдегида: а) при полном соответствии воздуха
санитарным нормам; б) при появлении запаха формальдегида.
6. Рассчитайте, какой высоты должна быть труба,
чтобы концентрация оксида серы (IV) в приземистом слое воздуха не превышала ПДК
(0,5 мг/г3). Отходящий
топливный газ с объемной долей оксида серы (IV) 0,05% поступает в дымовую трубу
со скоростью 300 м3/ч при
температуре 130◦С. Температура воздуха 20◦С.
7.
Незаконное
захоронение ртути привело к тому, что ее содержание в 1кг почвы на некотором
участке лесопарковой зоны составило 0,005 моль. ПДК ртути в почве равно 21
мг/кг. Во сколько раз превышено значение ПДК ртути в почве?
8.
Водный
раствор 0,001 моль йода в избытке йодида калия полностью обесцветился после
пропускания через него 1м3 воздуха.
Рассчитайте содержание диоксида серы (мг/м3) в исследуемом воздухе и сравните полученный результат с
ПДК (SO2), равной 0,05мг/м3. Превышено ли значение ПДК
диоксида серы?
9.
Историки
полагают, что случаи отравления соединениями свинца в Древнем Риме были
обусловлены использованием свинцовых водопроводных труб. Свинец в присутствии
диоксида углерода взаимодействует с водой. При этом образуется растворимый
гидрокарбонат свинца:
Рb+СО2+Н2О=РbСО3+Н2↑
РbСО3+СО2+Н2О=Рb(НСО3)2
Катионы
свинца не приносят вреда здоровью, если их содержание в воде не превышает 0,03
мг/л. Во сколько раз оно было превышено, если считать, что 1
литр водопроводной воды содержал 0,0000145 моль Рb2+?
10. При производстве серы автоклавным методом
неизбежно выделяется около 3 кг сероводорода на каждую тонну получаемой
серы. Сероводород — чрезвычайно ядовитый газ, вызывающий головокружение,
тошноту и рвоту, а при вдыхании в большом количестве - поражение мышцы сердца и
судороги, вплоть до смертельного исхода. Какой объем сероводорода (при н. у.)
необходимо поглотить в системах газоочистки при получении 125 т серы на
химзаводе?
11. На нефтеперерабатывающем заводе из-за поломки
произошел аварийный выброс нефтепродуктов в ближайшее озеро. Масса сброшенных
продуктов составила 500 кг. Выживут ли рыбы, обитающие в озере, если известно,
что примерная масса воды в озере 10000 т. Токсичная концентрация нефтепродуктов
для рыб составляет 0,05 мг/л.
12.
Определите
ПДВ фтороводорода (в г в сек), обеспечивающий концентрацию его в приземном слое
атмосферы в районе суперфосфатного завода не выше ПДК 0,05 мг/м3, при высоте дымовой трубы 100
м и ее диаметре 0,7 м. Объем газового выброса равен 160, а коэффициент
седиментации – 1. Средняя скорость газа на выходе из трубы – 0,4 м/с.
Температура выходящего газа 40С, а атмосферы – 23С.
Литература.
1.
Москвичёв Ю.А.
Теоретические основы химической технологии: Учеб.пособие.- М. Издательский
центр «Академия», 2005.
2.
И.Э.Фурмер, В.Н.Зайцев
Общая химическая технология: Учеб. пособие – М.: Высш.шк., 2005. – 231 с.
3.
Рудин М.Г., Сомов В.Е.,
Фомин А.С. Краткий справочник нефтепереработчика.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2005.
Дополнительные источники:
1.
Сугак А.В. Процессы и
аппараты химической технологии: Учеб. пособие для нач.проф.образования. – М:
ОИЦ «Академия», 2005.
Интернет – ресурсы:
1. Образовательный портал: http\\www.edu.sety.ru
2.
Учебная мастерская: http\\www.edu.BPwin
3. Образовательный портал: http\\www.edu.bd.ru
4. Образовательный портал: http://www.fcior.edu.ru/catalog/
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.