Практическая работа №1 Термохимия Основы теории



страница3/4
Дата28.11.2017
Размер0.58 Mb.
ТипПрактическая работа
1   2   3   4

Практическая работа № 4

Технико-экономические показатели химических производств

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 № 4 (варианты):

1. Рассчитать основные технико-экономические показатели получения синтетического аммиака:

а) расходный коэффициент сырья по и ) 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.
Практическая работа № 5

Задачи с экологическим содержанием

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 № 5 (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+СО22О=РbСО32

РbСО3+СО22О=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+?




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница