72792

Рассмотрены и рекомендованы к изданию институтом химической переработки биомассы дерева и техносферной безопасности

Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 1 декабря 2015 г.

Составитель ст. преподаватель Е. В. Нестерова

Отв. редактор доктор технических наук, профессор А. А. Леонович

Рецензент

кафедра технологии древесных композиционных материалов и инженерной химии СПбГЛТУ

Общая химическая технология: методические указания и кон-

трольные задания для студентов заочной формы обучения по направлению подготовки бакалавров 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»/ сост. Е. В. Нестерова. – СПб.: СПбГЛТУ, 2016. – 20 с.

Методические указания предназначены для закрепления теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса «Общая химическая технология». В представленных методических указаниях излагаются теоретические вопросы и расчетные задания для выполнения контрольной работы, основные расчетные соотношения и пояснения к решению предложенных задач.

Темплан 2015 г. Изд. № 223.

2

ВВЕДЕНИЕ

Основным звеном любой химико-технологической схемы является химический реактор, т. е. устройство для проведения химических реакций.

Впромышленности химической переработки древесины химические реакции осуществляются в варочных аппаратах при воздействии щелока на измельченную древесину, при приготовлении этого раствора, при отбелке и облагораживании целлюлозы, при регенерации минеральной части щелоков. Воздействуя растворами серной кислоты на древесину, можно получить сахара: гексозные, которые после сбраживания перерабатываются на спирт и дрожжи, и пентозные, которые используются в производстве ксилита и фурфурола. Под действием высоких температур идут реакции разложения древесины с образованием угля, жидких и газообразных продуктов.

Вгидравлических прессах при определенных температурах и давлении проводят полимеризацию или поликонденсацию связующего с древесным материалом, в результате чего получают различные пластики: древесноволокнистые и древесностружечные плиты, слоистые пластики.

Расчет оборудования для проведения этих реакций невозможен без знания кинетических констант реакций, условий тепло- и массообмена, гидродинамической структуры потока. При определении кинетических констант: константы скорости реакции, энергии активации, порядка реакции, константы равновесия используются такие термодинамические понятия, как тепловой эффект реакции, свободная энергия Гиббса.

Определение численных значений этих величин, изучение общих закономерностей и методов расчета химических процессов, расчет и выбор реакторов представляют главную цель изучения данного курса.

Таким образом, задачей изучения дисциплины является формирование у студентов знаний, умений и навыков, обеспечивающих их квалифицированную оценку химико-технологических процессов и химических реакторов, а предметом дисциплины «Общая химическая технология» являются: численное определение термодинамических и кинетических констант химических реакций, времени пребывания реагентов в аппаратах при заданной производительности и степени превращения, гидродинамических и тепловых условий проведения реакций, а также выбор типа реактора, определение оптимальных условий работы и конструкции реакторов.

3

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КУРСА

По существующему учебному плану подготовки бакалавров заочной формы обучения по направлению 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» дисциплина «Общая химическая технология» изучается на четвертом курсе в виде очных и заочных занятий.

Очные занятия, проводимые во время лабораторно-экзаменационной сессии, представляют собой лекционные и практические занятия. В предсессионный период студент-заочник должен выполнить самостоятельно контрольную работу по расчету кинетики химических процессов и реакторов.

Согласно учебной программе дисциплины, студенты изучают следующие разделы:

1.Статика химико-технологических процессов: общие закономер-

ности химических процессов; классификация химико-технологических процессов; основные понятия, определения и обозначения, составление материального и теплового баланса процесса; условия равновесия.

2.Кинетика гомогенных реакций: скорость химических реакций,

определение константы скорости реакции интегральным методом для различных типов реакций; определение порядка реакции; определение энергии активации.

3.Кинетика гетерогенных реакций: классификация гетерогенных процессов; определение лимитирующей стадии гетерогенного процесса; кинетика гетерогенных процессов с сохранением формы частицы с нереагирующим ядром; кинетика гетерогенных процессов с разрушением частиц; определение временных границ стадий гетерогенного процесса; промышленный катализ: гомогенный и гетерогенный катализ.

4.Химические реакторы: классификация химических реакторов, материальный баланс реакторов, характеристические уравнения, комбинированные модели; тепловой баланс реакторов: зависимость степени превращения от температуры, построение оптимального температурного профиля; конструкции реакторов.

Таким образом, в результате изучения дисциплины студент должен: знать: основные принципы организации химического производства,

основы теории процесса в химическом реакторе, методику выбора реактора и расчета процесса в нем;

уметь: определять основные характеристики химических процессов, выбирать рациональную схему производства заданного продукта, определять кинетические константы процесса, производить выбор типа реактора, определять параметры наилучшей организации процесса в химическом реакторе;

4

владеть: методами определения и расчета кинетических констант химико-технологических процессов, методами расчета и анализа процессов в химических реакторах, методами выбора химических реакторов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Кондауров, Б. П. Общая химическая технология: учеб. пособие / Б. П. Кондауров. – М.: Академия, 2005. – 336 с.

2.Нестерова, Е. В. Общая химическая технология. Кинетика химических процессов. Химические реакторы: текст лекций /Е. В. Нестерова. –

СПб.: СПбГЛТУ, 2013. – 92 с.// http://e.lanbook.com/Ресурс СПбГЛТУ.

3.Кузнецова, И. М. Общая химическая технология. Основные концепции проектирования ХТС: учебник / И. М Кузнецова [и др.]. – СПб.: Лань, 2014. – 384 с.// http://e.lanbook.com.

4.Харлампиди, Х. Э. Общая химическая технология. Методология

проектирования химико-технологических процессов: учеб. пособие /

Х. Э. Харлампиди. – СПб.: Лань, 2013. – 448 с. // http:/e.lanbook.com.

Дополнительная

1.Кинетика химических процессов. Расчет кинетических констант: метод. указания / сост.: Н. Н. Калинин, Е. В. Нестерова. – СПб.: СПбГЛТА, 2011. – 32 с.// http://e.lanbook.com/Ресурс СПбГЛТУ.

2.Построение оптимального температурного профиля по длине реактора идеального вытеснения: метод. указания/ сост.: Е. В. Нестерова, Н. Н. Калинин.

–СПб.: СПбГЛТА, 2011. – 20 с. // http://e.lanbook.com/РесурсСПбГЛТУ.

УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Выполненное контрольное задание является итогом процесса самостоятельной проработки студентом всех разделов курса «Общая химическая технология». К выполнению контрольного задания студент обращается только после изучения основного учебного материала в соответствии с программой курса.

Студенты обязаны строго придерживаться вариантов контрольного задания согласно своему шифру (номеру зачетной книжки). Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются.

5

В задание входят три теоретических вопроса, ответы на которые могут быть найдены в основной рекомендуемой литературе. С ответа на эти вопросы следует начинать выполнение контрольного задания. В предложенных вопросах отражены основные направления курса: основные понятия статики химико-технологических объектов, модели гидродинамических структур потоков и методы их изучения, кинетические закономерности химических реакций в основных типах реакторов. Ответы на эти вопросы должны быть полными с представлением необходимых графиков, схем установок, рисунков. Номера вопросов определяются по последней цифре номера зачетной книжки. Если номер зачетной книжки оканчивается на 4, то номера вопросов 4, 14, 24, если на 0 – то вопросы

10, 20, 30 и т. д.

Решение отдельных задач контрольного задания необходимо выполнять с учетом раздела «Указания к решению контрольных заданий». Исходные данные для решения выбираются в таблице вариантов в каждой задаче по последней цифре шифра (номера зачетной книжки студента).

Если какие-либо задачи или вопросы непонятны или студент не смог найти их в литературе, то их нельзя пропускать, а надо обратиться к преподавателю за консультацией. Недопустимы пространные выписки из учебной литературы (в случае необходимости обязательно сделать подробную ссылку на литературный источник) или распечатки из интернета.

При выполнении контрольной работы следует руководствоваться следующими правилами:

1.Контрольное задание должно быть выполнено полностью, т. е. необходимо ответить на все вопросы, решить все задачи и выполнить все графические построения.

2.Обязательно выписывать полностью конкретные (по своему варианту) условия задачи.

3.Необходимо указывать единицы измерения всех используемых величин, а аналитическое решение задач сопровождать краткими пояснениями.

4.Графические работы выполнять четко и аккуратно, с соблюдением необходимых масштабов. Если график имеет несколько кривых, то каждая из них должна быть специально обозначена (цветом, индексом и т. д.).

5.Контрольная работа должна быть оформлена в отдельной тетради. На титульном листе необходимо указать название учебного заведения и кафедры, название дисциплины, фамилию, имя и отчество студента, курс, направление подготовки, номер зачетной книжки.

Выполненная контрольная работа сдается лектору дисциплины.

6

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Теоретические вопросы

1.Общие закономерности химико-технологических процессов. Классификация химических процессов.

2.Материальный баланс химического процесса, расход реагентов.

3.Тепловой баланс химического процесса, тепловой эффект реакции.

4.Химическое равновесие, влияние на него температуры, давления, концентрации, определение константы равновесия.

5.Скорость химических процессов, определение кинетических констант, константа скорости реакции и порядок реакции.

6.Зависимость скорости реакции от температуры, определение энергии активации.

7.Структура кинетических уравнений. Определение константы скорости интегральным методом для необратимых реакций I порядка.

8.Определение константы скорости интегральным методом для реак-

ции II порядка типа А + В → Р + S.

9.Определение константы скорости интегральным методом для реакции n-го порядка.

10.Определение константы скорости реакции интегральным методом для обратимых реакций I порядка.

11.Определение концентрации и времени максимального выхода промежуточного продукта в последовательных реакциях.

12.Определение константы скорости реакции интегральным методом для параллельных реакций.

13.Определение порядка реакции методом проб и ошибок и методом характеристического времени.

14.Определение порядка реакции методом достижения определенной степени превращения и дифференциальный метод анализа опытных данных.

15.Определение лимитирующей стадии гетерогенного процесса.

16.Кинетика гетерогенных реакций, кинетическая и диффузионная области протекания реакций.

17.Определение лимитирующей стадии гетерогенных процессов с нереагирующим ядром.

18.Кинетика гетерогенных реакций с разрушением частиц.

19.Кинетика каталитических процессов, выбор катализатора, гомогенный катализ.

20.Гетерогенный катализ.

21.Классификация химических реакторов.

7

22.Характеристическое уравнение РИС периодического действия.

23.Характеристическое уравнение РИС непрерывного действия.

24.Характеристическое уравнение РИВ.

25.Тепловой эффект в реакторах, зависимость степени превращения от температуры из уравнений материального баланса.

26.Зависимость степени превращения от температуры в РИС периодического действия из уравнения теплового баланса.

27.Зависимость степени превращения от температуры в РИС непрерывного действия из уравнения теплового баланса.

28.Зависимость степени превращения от температуры в РИВ из уравнения теплового баланса.

29.Оптимальная температура процесса. Способы увеличения степени превращения при проведении необратимого эндотермического процесса.

30.Оптимальная температура процесса. Способы увеличения степени превращения при проведении необратимого экзотермического процесса.

Контрольные задачи

Задача 1. Определить расход воздуха для сжигания 100 м3 газа, если известен коэффициент избытка воздуха α. Определить содержание водяного пара в продуктах сгорания в массных и мольных концентрациях, если соотношение кислорода и азота в воздухе составляет:

О2 : N2 =1: 3,76.

8

Задача 2. Составить материальный баланс на 1 т продукта и определить тепловой эффект реакции (целевой продукт подчеркнут).

Задача 3. Определить константу скорости реакции в случае 0, 1, 2-го порядков, если через время τ после начала реакции достигнута степень

превращения исходного вещества ХА, а начальная концентрация исходного вещества − СА0 .

Задача 4. Определить константу скорости реакции первого порядка при температуре t3 , если при температуре t1 за время τ1 достигнута степень

превращения XA1 , а при температуре t2 за время τ2 достигнута степень превращения XA2 .

9

Задача 5. Сравнить объемы Рив и Рис Н для достижения одной и

той же степени превращения Х'А, равной 0,1; 0,5; 0,9 при проведении реакции A → P , если за время τ в Рис П была достигнута степень превращения XA .

Задача 6. В какой последовательности установить реакторы Рив и Рис Н для проведения реакции второго порядка, если известны значения k τ и CA0 .

Выбор последовательности установки реакторов необходимо обосновать (т. е. задача требует развернутого ответа).

10