Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

= γ

Температура увеличивается на 50°С, а γ = 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

; ;

C _{0, A} - C_A =0,9 C _{0, A}

C_A = 0,1 C_0,A

k₁t = lnC_0,A- lnC_A

 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 w ₁ =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 w ₁, 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 Е_а = 2493 • 20,057 = 50 кДж/моль.

Ответ: энергия активации реакции в присутствии катализатора равна 50 кДж/моль.

Задачи для самостоятельного решения

1. За какое время пройдет реакция при 60◦С, если при 20◦С 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 газа, если при концентрации водяного пара, равной 0,03 моль/л скорость реакции составляет 6,1 • 10 ^-5 моль/л*с.

4. В реакции А + В → С с общим порядок равным 1, k₁ = 5*10^-5 c^-1 Определите концентрации веществ А и В и скорость через 1 час и через 5 ч, если начальная концентрации А составляет 0,2 моль/л.

5. Причиной появления опасного для здоровья тумана (смога) считают образование большого количества выхлопных газов автомобилей при высокой влажности воздуха. В смоге присутствует ядовитый диоксид азота, который получается при реакции монооксида азота с атомарным кислородом. Рассчитайте скорость этой реакции, если через 5 мин после начала наблюдений концентрация диоксида азота была равна 0,05 моль/л, а через 20 мин - 0,08 моль/л.

6. Уравнение реакции омыления уксусноэтилового эфира:

СН₂СООС₂Н₅ + NаОН = СН₃СООNa+ С₂Н₅ОН

Исходные концентрации реагирующих веществ до начала реакции были: [СН₃СООС₂Н₅] =0,50 моль/л, [NаОН] = 0,25 моль/л. Определить, как и во сколько раз изменится скорость реакции в момент, когда концентрация [СН₃СООС₂Н₅] стала равной 0,30 моль/л.

7. Атмосферные загрязнения, например фторированные и хлорированные углеводороды — фреоны (СС1₃F, СС1₂F₂, СС1F₃), 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 и монооксида хлора, если через 15 с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,30 моль/л, а через 35с (от начала реакции) стала равна 0,15 моль/л.

8. За реакцией дегидрирования бутана, протекающей по уравнению

С₄Н₁₀ → С₄Н₈ + Н₂ 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 1,33 • 10^-2 кПа/с. Рассчитайте, через какое время после начала реакции изменение объема достигнет 0,01 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 с до 26 с.

11. Для реакции омыления уксусно-этилового эфира при большом избытке воды константа скорости при 20ºС равна 0,00099 мин^-1, а при 40С ее величина составляет 0,00439 мин^-1. Определите энергию активации и константу скорости реакции при 30ºС.

 

3.2 Технико-экономические показатели химических производств

 

Значение химии становится особенно ясным, когда изучаемый материал связывается с практическими вопросами. Один из способов его связи с жизнью — решение задач на темы с производственны 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, удовлетворяющий 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

 (2.1)

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

Выход продукта (η) 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 =П _max (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 К_р определяет расходы сырья, воды, топлива, электроэнергии пара на единицу произведенной продукции

 (2.9)

G_исх – 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 η(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:

η(Fе) =

Ответ: η(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, φ(НСНО)= 0,69, η(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 FeS_2.

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 ν(А) = 2 моль, ν(С)=ν(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 С _m – 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

ν(НСООН) = = =1,5*10⁶ моль;

V(СН₄) =ν*V_m= 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 м^{3 =} 300*10 ³л;

m(HgCl₂)=1500г

ν(HgCl₂)= 5,52 моль

m(Na₂S) =420 г; ν(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: С_m (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.

Задачи для самостоятельной работы

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 ПВД 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.

 

3.4 Производство неорганических соединений

Металлургия

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов из природного сырья. Металлургией также называю металлургическую промышленность. Сырьем в производстве металлов является металлические руды. За исключением небольшого числа металлов находящихся в природе в виде химических соединений входящих в состав металлических руд. Основной задачей металлургической промышленности является получение металлов из руд. Для этого руду подготавливают, подвергают вторичной обработке и процессу восстановления.

Задачи, которые приводятся в этом разделе являются расчетными задачами по уравнениям химических реакций. При решении задач используют основные законы и формулы химии, а также формулы которые рассматривались в предыдущих разделах (выход продукта, интенсивность, производительность и тд.)

Одной из важнейших задач химической технологии является обогащение сырья. Для этого применяют метод флотации, который основан на различной смачиваемости водой минералов.

Выход концентрата (В_к) называется процентное отношение веса полученного концентрата к весу взятой руды.

Степень извлечения (С_и) называется процентное отношение веса извлеченного элемента в концентрате к его весу в руде.

Степенью обогащения (С_о) называется отношение процентного содержания элемента в концентрате к содержанию его в исходной руде.

В этом разделе при решение задач используют следующие понятия: выход продукта, расчет состава руды, возможность самопроизвольного протекания реакции получения металла, которые подробно описываются в других разделах.

Примеры решения задач

1. Рассчитать минимальный расход магния для удаления сурьмы из 10 т чернового свинца, в котором сурьма составляет 0,5% массы. Сурьма выделяется из сплава в составе соединения Мg₃Sb₂

Решение:

Составим первое уравнение масса магния, добавленного в черновой сплав, равна массе магния в выделившемся из сплава соединении Mg₃Sb₂. Запишем второе уравнение, полагая, что масса сурьмы, содержащейся в 10 т чернового сплава, равна массе сурьмы и образовавшемся соединении Мg₃Sb_2.

m(Mg) =  m(Mg₃Sb₂)*(3*M(Mg)/M(Mg₃Sb₂)

10*0,005 = m(Mg₃Sb₂)*(2*M(Sb)/M(Mg₃Sb₂)

Или

m(Mg) = m(Mg₃Sb2)*(3*24)/316

0,05 = m(Mg₃Sb₂)*(2*122/316)

Для решения системы уравнении разделим правую и левую части первого уравнения на соответствующие части второго и обозначая (Мg) через х, получим:

x/0,05=24*3/122*2, x=0,0148

Ответ. Минимальный расход магния— 14,8 кг.

2. На обогатительной фабрике флотации подвергается руда, содержащая 1,3% меди. При флотации 1т исходной руды получится 110,5 кг концентрата, содержащего 9,6% меди. Определите выход концентрата, степень извлечения и степень обогащения.

Решение

1.В_к=

2. Для вычисления С_и рассуждаем так

а) в 100 кг исходной руды содержится 1,3 кг меди

в 1000 кг ---------------------------------- х кг меди

х= 13 кг меди

б) в 100 кг концентрата содержится 9,6 кг меди

в 110,5 кг ---------------------------------- х кг меди

х= 10,6 кг меди.

Следовательно, степень извлечения будет равна

С_и=

3. С_о= раза.

Ответ В_к=11,05%, С_и=81,5%, С_о=7,4 раза.

Примеры решения задач

1. Имеется титановая руда, состоящая из минералов рутила, перовскита и пустой породы. Массовая доля ТiО₂ в этих минералах составляет соответственно 97% и 59%. Вычислить массовые доли названных выше минералов в руде, если известно, что содержание титана равно 27% от массы руды, а пустой породы – 38%.

2. Для легирования стали, требуется внести в расплав титан, чтобы его массовая доля составила 0,12%. Какую массу сплава ферротитана надо добавить к расплаву стали массой 500 кг, если массовые доли металлов в ферротитане составляют: титана – 30%, железа – 70%

3. Некоторая порода состоит из минералов сильвинита (KCl), каинита (MgSO₄*KCl*3H₂О) и карналлита (MgCl₂*KCl*6H₂О). Массовая доля калия в породе составляет 18%, а примесей (не содержащих калия и магния) – 12%. Вычислите возможную массу магния в 100 кг породы.

4. При обогащение 10 т медной сульфидной руды, содержащей 1,5% меди, получено 400 кг концентрата, содержащего 30% меди. Определить степень извлечения и степень концентрации.

5. При флотации 5т цинковой руды, содержащего 3% цинка, получено 340 кг концентрата, содержащего 22% цинка. Определите выход концентрата, степень извлечения и степень концентрации.  

6. Восстанавливая углем соединение Fe(CrO₂)₂ (хромистый железняк), получают сплав феррохром, используемый в металлургии. Определите массовую долю хрома в этом сплаве, считая, что других компонентов, кроме железа и хрома, он не содержит.

7. Железная руда имеет состав: магнетит Fе₃О₄ (массовая доля 55%), ильменит FеТiО₃ (массовая доля 15%) и другие вещества, не содержащие железо и титан. Какую массу железа и титана можно получить из такой руды массой 300 кг?

8. Из медной руды массой 16т, содержащей халькозин Cu₂S и вещества, не содержащие медь, получили черновой металл массой 650 кг. Определите массовые доли меди и халькозина в руде, если массовая доля меди в черновом металле составляет 98,46%.

9. Для удаления висмута из черного свинца к расплавленному металлу добавляют сплав Pb – Ca, массовая доля кальция в котором составляет 0,03. Рассчитать теоретический расход сплава Pb – Ca для удаления висмута из 100 т чернового свинца, массовая доля висмута в котором равна 0,001. Висмут выделятся из сплава в составе соединения Ca₃Bi₂.

10. Медная руда содержит CuCO₃*Cu(OH)₂ и азурит 2CuCO₃*Cu(OH)₂ Какую массу меди можно получить из руды массой 5т, если массовая доля малахита 8%, азурита 3,6%. Определите массовую долю меди в руде.

 

3.4.2 Электрохимические производства

Электролизом называется окислительно-восстановительная реакция, протекающая при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Сущность электролиза заключается в следующем: при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита положительные ионы электролита (ионы металлов или водорода) притягиваются катодом, а отрицательные ионы (кислотные остатки или гидроксильные группы) — анодом. Приносимые к катоду от источника тока электроны присоединяются к положительным ионам электролита, восстанавливая их. Одновременно отрицательные ионы электролита отдают свои электроны аноду, от которого они двигаются к источнику тока. Теряя свои электроны, они окисляются в нейтральные атомы или группы атомов. Таким образом, у катода протекает процесс восстановления, а у анода — процесс окисления.

А (+): nA^n- - ne^- → nA^p-

K (-): nBⁿ⁺ + ne^- → nB^p+

Оба процесса образуют единую окислительно-восстановительную реакцию. Но в отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электроны от восстановителя к окислителю переходят не прямо, а посредством электрического тока. Катод, приносящий электроны, является восстановителем, а анод, уносящий их,— окислителем.

Основными показателями электрохимических производств являются выход по току, степень использования энергии. Расходный коэффициент по энергии, напряжение, приложенное к электролизеру, и др. Большинство вычислений основано на законе Фарадея, согласно которому масса вещества, выделившегося при электролизе пропорционально силе тока I, времени электролиза t и электрохимическому эквиваленту этого вещества Э_Э

Масса вещества вычисляется по формуле

 (1.3.1)

где, I - сила тока, F – постоянная Фарадея (96500 Кл)

 (г-экв) (1.3.2)

Mr – относительная молекулярная масса вещества,

n – заряд иона (абсолютное значение) в виде которого вещество находится в растворе или в расплаве (т.е. количество отданных или принятых электронов).

Выход по току определяется отношением массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе вещества, которое теоретически должно выделится согласно закону Фарадея, и выражается в процентах:

 (1.3.3)

Масса m_теор находится по формуле

 (1.3.4)

Выход по энергии определяется по уравнению

 (1.3.5)

где, Е_теор и Е_пр – теоретическое и практическое напряжение разложения при электролизе соответственно, В; η - выход по энергии,%.

Выход по энергии может быть вычислен и по количеству затраченной энергии:

 (1.3.6)

где w _теор и w _пр – количество энергии, теоретически необходимое и практически затраченное на получение единицы продукта.

 (1.3.7)

где 1000 – коэффициент перевода Вт*ч в кВт*ч;

1*10^-6 – число, используемое для перевода граммов в тонны.

Теоретический расход электроэнергии находится по отношению

 (1.3.8)

где φ_разл – напряжение разложения.

Примеры решения задач

1. Какие процессы происходят при электролизе расплава гидроокиси натрия?

Решение:

В расплаве едкого натра содержатся ионы Nа⁺ и ОН . Окисляющиеся у анода ионы ОН в следующей стадии разлагаются с образованием воды и кислорода. Процесс можно изобразить следующим образом:

К(-): 2Na⁺ + 2е^- = 2Na;

А(+): 2ОН - 2e^- = Н₂О + О₂

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу кислорода О₂. Таким образом, суммарное уравнение

4NаОН = 4Na + 2Н₂О + О₂

При электролизе расплавов солей кислородных кислот окисляющиеся ионы кислотных остатков тут же разлагаются на кислород и соответствующие оксиды.

Своеобразно протекает электролиз в водном растворе. Дело в том, что сама вода — электролит, хотя и очень слабый. Таким образом, в водном растворе фактически содержатся два электролита — растворитель и растворенное вещество и соответственно по два вида как положительных, так и отрицательных ионов. Какие из них будут разряжаться, зависит от ряда условий. Как правило, можно руководствоваться следующим. Если положительные ионы электролита являются ионами очень активных металлов, как например Na⁺ или К^-, то при электролизе разряжаются не ионы этих металлов, а ионы водорода из воды с выделением свободного водорода и освобождением гидроксильных ионов, что может быть выражено следующим электронно-ионным уравнением:

2H+OH + 2е^- = Н₂↑ + 2ОН

Если отрицательными ионами электролита являются кислотные остатки кислородных кислот, то при электролизе разряжаются не кислотные остатки этих кислот, а ионы ОН из воды с выделением кислорода, что можно выразить уравнением:

4Н₂О — 4е^- = 4Н⁺ + 4ОН

4ОН^-  2Н₂О+О₂

Складывая оба уравнения, получаем:

2Н₂О — 4е^- = 4H⁺ + O₂

2. Определить выход по току (в%), если в течение 24 ч в электролизере раствора поваренной соли при силе тока 15500А было получено 4200 л электролитической щелочи с концентрацией NaOH 125 кг/м^3.

Решение:

По уравнению (1.3.4) масса гидроксида натрия теоретически должна была составить

практически было получено

Следовательно, выход по току по формуле (1.3.3) будет равен

Ответ: выход по току 94,6%.

3. Определите фактический расход электроэнергии (в киловатт-часах) на получение хлора массой 1 т и выход по энергии (в%), если среднее напряжение на электролизере 3,35В, выход по току 96%, а электрохимический эквивалент хлора равен 1,323 г/А*ч.

Решение:

Использовав формулу (1.3.7), определим фактический расход энергии

Если принять выход по току за 100%, то при теоретическом напряжении разложения NaCl, равном 2,17В, теоретический расход энергии на 1т хлора составит

В этом случае выход по энергии

Ответ: выход по энергии 62,2%; 2637 кВ/ч

Задачи для самостоятельного решения

1. Один из способов промышленного получения кальция – электролиз расплавленного хлорида кальция. Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л (н.у.)?

2. При электролизе раствора хлорида натрия в электролизе, работавшем в течении 24ч при силе тока 30000 А, было получено 8,5 м³ электролитической щелочи с концентрацией NaOH 120 кг/м^3. рассчитать выход по току (для щелочи)

3. Определить силу тока, необходимые для выработки 100% -ного гидроксида натрия массой 1720 кг в сутки в электролизере с железным катом при его непрерывной работе, если выход по току составляет 96%

4. Вычислить массу хлора, вырабатываемого за год заводом, на котором установлено 5 серий по 150 электролизеров с железными катодами при непрерывной работе в течении 350 дней, силе тока 34000 А и выходе по току 95%. Определить мощность генератора переменного тока электростанции, обеспечивающий потребности завода в электрической энергии при напряжении донной серии 550 В, если КПД выпрямителя тока составляет 95%.

5. Вычислить теоретический и практический расход электроэнергии на 1т 100% NаОН для электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Теоретическое напряжение разложения равно 3,168 В. Определить выход по энергии, если практическое напряжение разложения 4,4 В, а выход по току 92,5%.

6. Какие вещества, и в каком количестве выделяются на угольных электродах, если состав раствора 0,1 моль HgCl₂ и 0,2 моль CuCl₂ и через него пропускается ток силой 10 А в течение 1 ч?

7. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течении 10 мин выделилось 100 мл водорода при 18С и давлении

755 мм рт. ст. Вычислите силу тока.

8. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служит расплавленных хлорид магния. Вычислите выход по току, если в ванне, работающем при силе тока 40000 А, в течении 5 ч, выделилось 72,6 кг магния.

9. Определить количество электричества, необходимое для выделения 1 м³ водорода и 0,5 м³ кислорода, получаемое при электролизе воды. Теоретическое напряжение воды равно 1,23 В, а фактическое превышает его в 1,5 – 2 раза. Рассчитать фактический расход электрической энергии.

10. При электролизе раствора содержащего 2,895 г смеси FeCl₂ и FeCl₃, на катоде выделилось 1,12 г металла. Вычислите массовую долю каждого из компонентов исходной смеси, если электролиз проводили до полного осаждения железа.