Методические рекомендации для выполнения практических заданий по предмету: «Общая химическая технология»

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,0СС,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/

Краткое описание документа:

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.