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

(2.1)

Чем выше степень превращения, тем большая часть исходного сырья вступила в реакцию и полнее прошел процесс химического превращения.

Выход продукта (з) является показателем совершенства процесса и показывает отношение количества фактически полученного количества того или иного продукта к его теоретическому количеству.

; (2.2), (2.3)

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.

(2.4)

Интенсивность аппарата - производительность, отнесенная к единице полезного объема или к единице полезной площади. Измеряется кг/м3 и кг/м2

или (2.5), (2.6)

Максимально возможная производительность аппарата при оптимальных условиях процесса производства называется его мощностью W

W=Пmax (2.7)

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:

(2.8)

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

(2.9)

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%

Задачи для самостоятельного решения

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

а) расходный коэффициент сырья по Н2 и N2 (в м3) на 1т аммиака.

Б) выход аммиака

в) производительность завода.

Г) интенсивность процесса синтеза аммиака в т/м3 полезного объема колонки в сутки. На 1т аммиака практически расходуется 3000 нм3 азотоводородной смеси, теоретически 2635 нм3. 5 колонок с высотой 0,36 м.

2. Вычислить расходный коэффициент на 1т СН3СООН для СаС2, содержит 65% СаС2, если выход С2Н2 97%, уксусного альдегида 95% и СН3СООН 96%.

3. Вычислить количество аммиака и СО2 (в кг) израсходованных на производство мочевины. Потери мочевины 5% избыток аммиака 100%, степень превращения карбомата аммония мочевину 75%

4. При окислительном дегидрировании метилового спирта протекают одновременно две реакции: дегидрирование и окисление метанола. Выход формальдегида 90% при степени конверсии метанола 65%. Вычислите расход метанола на 1т формальдегида.

5. Производительность мечи для обжига серного колчедана составляет 30т в сутки. Выход SО2- 97,4% от теоретического. Сколько тонн SО2 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 1,5 м. Определить:

а) годовую производительность, если 15 суток печь находится на ремонте

б) интенсивность печи за сутки работы.

В) количество листов оконного стекла за из свариваемой стекломассы (стандарт. Лист 1250 * 700 * 2 мм и плотность 2500 г/м3)

7. При прямой гидратации этилена наряду с основной реакцией присоединения Н2О 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 сост. 95%. Напишите уравнению химической реакции образовавшихся выше перечисленных соединений и подсчитайте расход этилена на 1т этилового спирта, и сколько диэтилового эфира может при этом получится.

8. Шахтная печь для получения оксида кальция имеет в среднем высоту

14 м и диаметр 4 м; 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 30 т колчедана в сутки. Колчедан содержит 42,2% серы. Воздух расходуется на 60% больше теоретического. Выход сернистого газа составляет 97,4%.

Вычислить а) содержание колчедана FеS2 (в%); б) объем и состав газовой смеси, выходящей из смеси за 1 час; в) массу оставшегося в печи огарка; г) массу оставшегося в печи не прореагировавшего FeS2.

10. Протекают две параллельные реакции 2А > С и А > 3В. Определите выход продукта С, степень превращения реагента А и селективность по продукту В, если на выходе из реактора известно количество веществ н(А) = 2 моль, н(С)=н(В)=3 моль.

3.3 Задачи с экологическим содержанием

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, основанный 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 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 (ПВД) 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11