Комплексное использование сырья и утилизация отходов. Сборник задач. Учебное пособие

20. На станцию водоочистки производительностью 30 000 м3/сут поступает вода с повышенной цветностью и мутностью. Определите недельный расход раствора коагулянта (с содержанием 15 % мас. действующего вещества) и флокулянта (раствор полиакриламида, 0,3 % мас.) станцией, если на 1 дм3 очищаемой воды расходуется 30 мг раствора коагулянта и 0,8 мг раствора флокулянта. Производственные потери их 8 %. Подберите коагулянт для очистки данной воды.

21.Для водоочистки применяют раствор коагулянта, содержащий 10 % мас. действующего вещества (в пересчете на

безводный реагент). Определите суточный расход раствора коагулянта, если для обработки 1 дм3 воды данного типа необходимо 25 мг раствора. Производительность станции 30 000 м3/сут. Коагулянт - железный купорос (содержание примесей в коагулянте 4,5 % мас.). Назовите преимущества применения железного купороса по сравнению с сульфатом алюминия.

22.Определите суточную потребность станции водоочистки в коагулянте, содержащем 0,98 массовых долей

составляют 4 %. Учитывая тип коагулянта, определите метод для отделения твердой фазы.

23. Вода, используемая для хозяйственно-бытовых нужд, с концентрацией фтора менее 0,5 мг/дм3 должна подвергаться фторированию. Определите массу раствора NaF с массовой долей 2,5 %, приготовленного из фторида натрия с массовой долей основного вещества 0,9, необходимого для фторирования 1 000 м3 природной воды с концентрацией фтора 0,4 мг/дм3 до концентрации 0,8 г/м3 (санитарной нормы).

24. Определите время работы колонки с натриевым катионитом до регенерации, если в нее поступает вода с жесткостью 5,0 мг-экв/дм3 и скоростью потока 10 м3/ч. Объем катионита 2 м3, его сорбционная емкость 1 200 моль/м3.

41

25.Определите сорбционную емкость катионита (Е), если высота его слоя в колонке 1,6 м, диаметр колонки 1,5 м, время работы без регенерации 75 часов. Жесткость воды, поступающей

вфильтр, 5 мг-экв/дм3, остаточная жесткость 0,02 мг-экв/дм3, объемная скорость потока 8 м3/ч.

26.Сколько потребуется универсального катионита КУ-2, сорбционная емкость (Е) которого 2,2 моль/кг, для обеспечения

(без учета регенерации) беспрерывной двадцатидневной работы фильтров производительностью 70 080 м3 воды в год. Среднюю жесткость исходной воды принять равной 6,1 мг-экв/дм3.

27.Для определения сорбционной емкости сульфоугля им заполнили колонку объемом 200 см3. Объем пропущенной через колонку воды с жесткостью 7,05 мг-экв/дм3 до появления в фильтрате ионов Са2+ составил 11,35 дм3. Определите сорбционную емкость катионита (моль/м3).

28.В течение какого времени катионитовый фильтр с сульфоуглем (сорбционная емкость 500 моль/м3) будет работать

без регенерации (до исчерпания обменной способности), если объем катионита в фильтре 18 м3, скорость проходящей через него воды 50 м3/ч и общая жесткость воды: а) 3,75 мг-экв/дм3; б) 1,5 мг-экв/дм3.

29.При обработке 0,6 дм3 жесткой воды карбонатом натрия в осадок выпало 80 мг карбоната кальция. Определите жесткость воды, если она обусловлена только сульфатом кальция?

30.Сколько граммов CaSO4 содержится в 1 м3 воды, если

жесткость воды, обусловленная присутствием этой соли, равна

4мг-экв/дм3?

31.Определите временную, постоянную и общую жесткость природной воды, в 1 м3 которой содержатся следующие

соли: MgSO4 - 100 г, FeCl2 - 150 г, NaNO3 - 150 г, Ca(HCO3)2 - 50 г. Для решения задачи необходимо определить, какие из приведенных солей, являются солями жесткости.

42

32.Для определения перманганатной окисляемости воды

приготовили растворы: 0,210 г KMnO4 в 500 см³ воды и 0,415 г. Н2С2О4∙2Н2О в 500 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем раствора KMnO4, взятый для окисления пробы воды объемом 100 см³ составил 25 см³, объем добавленного раствора

Н2С2О4 – 25 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование избытка Н2С2О4 – 8,8 см³.

33.Для определения перманганатной окисляемости была отобрана проба воды объемом 100 см³. Для анализа приготовили

растворы: 0,28 г. KMnO4 в 500 см³ воды и 0,500 г Н2С2О4∙2Н2О в 500 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем рас-

твора KMnO4, взятый на окисление воды, составляет 50 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 30 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование щавелевой кислоты, – 9,3 см³.

34.Для определения перманганатной окисляемости воды

приготовили растворы: 0,0632 г KMnO4 в 150 см³ воды и 0,3155 г. Н2С2О4∙2Н2О в 200 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем раствора KMnO4, взятый для кипячения с пробой воды объемом 50 см³, равен 25 см³, объем добавленного

раствора Н2С2О4 – 10 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование щавелевой кислоты, – 6,8 см³.

35.Для определения перманганатной окисляемости воды

приготовили растворы: 0,0412 г KMnO4 в 100 см³ воды и 0,3200 г Н2С2О4∙2Н2О в 500 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем раствора KMnO4, взятый на окисление, - 25 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 20 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование Н2С2О4 , – 10,2 см³, объем пробы воды, взятый на окисление, – 50 см³.

36.Приготовили растворы: 0,0881 г KMnO4 в 200 см³ воды

и0,143 г Н2С2О4∙2Н2О в 200 см³ воды. Для определения перманганатной окисляемости воды пробу воды, объемом 100 см³, сначала кипятили с раствором перманганата калия, затем добавили раствор щавелевой кислоты, для связывания непрореагировавшего перманганата калия. После этого избыток щавелевой ки-

43

слоты оттитровали раствором перманганата калия. Рассчитайте окисляемость воды в пересчете на кислород, если объем раствора KMnO4, взятый на окисление воды, составил 50 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 40 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование избытка щавелевой кислоты, – 4,3 см³.

37. Для определения перманганатной окисляемости воды приготовили растворы: 0,0216 г KMnO4 в 100 см³ воды и 0,085 г Н2С2О4∙2Н2О в 200 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем раствора KMnO4, взятый на окисление - 25 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 20 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование избытка щавелевой кислоты, – 12,8 см³, объем пробы воды, взятый на окисление, -

20см³.

38.Для определения перманганатной окисляемости воды была отобрана проба воды объемом 100 см³. Сначала ее кипятили с раствором перманганата калия объемом 25 см³. Затем для

связывания непрореагировавшего перманганата калия в воду добавили 20 см3 раствора Н2С2О4, приготовленного растворением 0,0630 г Н2С2О4∙2Н2О в 500 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование избытка щавелевой кислоты, – 7,2 см³. Для всех этапов анализа использовали раствор перманганата калия, полученный растворением 0,0632 г KMnO4 в 100 см³ воды.

39.Для определения перманганатной окисляемости воды

приготовили растворы: 0,1122 г KMnO4 в 200 см³ воды и 0,2144 г Н2С2О4∙2Н2О в 250 см³ воды. На окисление пробы воды объемом

25см³ было взято 20 см³ раствора перманганата калия. Объем

раствора Н2С2О4, добавленного для связывания избытка перманганата калия, – 20 см³. Рассчитайте окисляемость воды, если на титрование щавелевой кислоты было израсходовано 6,8 см³, раствора KMnO4.

40.Для определения перманганатной окисляемости воды

приготовили растворы: 0,03208 г KMnO4 в 100 см³ воды и 0,1650 г Н2С2О4∙2Н2О в 500 см³ воды. Рассчитайте окисляемость

44

воды, если объем раствора KMnO4, взятый на окисление - 40 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 25 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование щавелевой кислоты, – 5,8 см³, объем пробы воды, взятый на окисление, - 100 см³.

41.Для определения окисляемости была отобрана проба воды объемом 50 см³. Для анализа приготовили растворы: 0,084 г

KMnO4 в 200 см³ воды и 0,384 г Н2С2О4∙2Н2О в 500 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды, если объем раствора KMnO4, взятый на окисление воды - 25 см³, объем добавленного раство-

ра Н2С2О4 – 25 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование щавелевой кислоты, – 8 см³.

42.Для определения перманганатной окисляемости воды

приготовили растворы: 0,034 г KMnO4 в 100 см³ воды и 0,184 г Н2С2О4∙2Н2О в 250 см³ воды. Рассчитайте окисляемость воды,

если объем раствора KMnO4, взятый для окисления воды, – 25 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 20 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование избытка щавелевой кислоты, – 6,8 см³. Объем пробы воды 40 см³.

43.Приготовили растворы: 0,474 г KMnO4 в 1500 см³ воды

и0,1600 г Н2С2О4∙2Н2О в 250 см³ воды. Для определения перманганатной окисляемости воды пробу воды, объемом 50 см³, сначала кипятили с раствором перманганата калия, затем добавили раствор щавелевой кислоты, для связывания непрореагировавшего перманганата калия. После этого избыток щавелевой кислоты оттитровали раствором перманганата калия. Рассчитайте окисляемость воды в пересчете на кислород, если объем раство-

ра KMnO4, взятый на окисление воды, составил 30 см³, объем добавленного раствора Н2С2О4 – 20 см³, объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование избытка щавелевой кислоты, – 3,8 см³.

44.Для очистки сточной воды, содержащей коллоиднодисперсные частицы размером 1-100 мкм, применяют коагуляцию. Сточную воду с рН близким к 7 обработали следующим коагулянтами: а) хлоридом железа (III), б) сульфатом алюминия, в) сульфатом железа (II). При этом протекает процесс гидролиза

45

данных солей. Напишите соответствующие уравнения ступенчатого гидролиза данных солей. Какие ионы накапливаются в воде и как изменяется рН? Мешают ли эти ионы осуществлению полного гидролиза? В какую сторону смещается равновесие реакции гидролиза? Предложите вещества, которые необходимо добавить в сточную воду, содержащую коагулянт, для полного его гидролиза. Напишите соответствующие уравнения.

45.На сооружениях очистки сточных вод применяют сульфат алюминия. Напишите уравнения, протекающие в жидкой фазе при введении в стоки соли алюминия. Для полного осаждения гидроксида алюминия применяют щелочь, т.к. наличие катионов алюминия в воде жестко регламентировано. Гидроксид алюминия образуется при рН 5,5–7,5. При рН меньше 4,4 осадок не образуется, а образуются основные растворимые соли, а при рН больше 8,5 гидроксид алюминия растворяется с образованием алюминатов. Составьте уравнения взаимодействия соли алюминия со щелочью с образованием гидроксида алюминия, основных солей и алюмината.

46.Составьте блок схему очистки сточной воды, имеющей кислую реакцию среды. Назовите стадии процесса. Подберите соответствующий коагулянт и оборудование.

47.В качестве коагулянта при очистке воды используется хлорид железа (III) и сульфат железа (II), при этом воду хлорируют. Запишите уравнения реакции хлорида железа (III) с солями временной жесткости, например, с солью кальция; реакции сульфата железа (II) с хлором; реакции образующихся веществ с солями временной жесткости. Сравните свойства веществ, образующих гранулы, при использовании коагулянтов – соединений алюминия и железа. Какие из них растворяются при повышении щелочности с разрушением гранул и быстрее осаждаются в виде хлопьев после коагуляции из-за большой относительной молекулярной массы?

46

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Практическая целесообразность и рентабельность химического производства определяются технико-экономическими показателями, важнейшими из которых являются расходный коэффициент сырья и выход продукта, производительность аппарата, интенсивность процесса (аппарата).

Расходный коэффициент сырья и выход продукта

Расходным коэффициентом сырья (Fp) называется

масса каждого вида сырья (кг, т), затрачиваемая на единицу готового продукта, полученного в процессе данного производства. Выражается расходный коэффициент в тоннах на тонну, кубических метрах на тонну, килограммах на килограмм.

Выход продукта (η) – это отношение практически полученной массы продукта – Gпр к теоретически возможной массе

– Gтеор (может быть выражен в процентах или долях единицы):

Если производственный процесс состоит из нескольких стадий, и каждой из них соответствует определенный выход, то общий выход готового продукта по всему процессу в целом определяется произведением всех выходов по отдельным стадиям, т.е. следующим уравнением:

η = η1 η2 ... ηn ,

где η1, η2, ηn - выход продукта по отдельным стадиям процесса

производства.

Чем выше выход продукта, тем экономичнее производство. Снижение выхода продукта обусловлено загрязненностью сырья, потерей сырья в процессе транспортировки, негерметичностью аппаратуры, протеканием побочных реакций, обратимостью реакций.

47

Производительность и интенсивность аппарата

Производительность аппарата (П) - это количество готового продукта Gпр, практически выработанного данным

аппаратом в единицу времени (t) при данных условиях процесса производства, выражается в кг/ч, т/сут и др.:

Интенсивность аппарата (I) — это производитель-

ность, отнесенная к единице полезной площади (Sп) или к единице полезного объема (Vп) аппарата:

Единицы измерения интенсивности – кг/(м2 ч), кг/(м3 ч), т/(м2 сут), т/(м3 сут) и т.д.

Примеры решения типовых задач

Задача 1.

Определите расходный коэффициент аммиака в производстве азотной кислоты (без учета производственных потерь).

Решение. Процесс окисления аммиака при получении азотной кислоты отражается следующей схемой:

NH3 →O2 NO→O2 NO2 H2O→HNO3

48

На образование 63 кг азотной кислоты теоретически расходуется 17 кг аммиака, а для получения 1 кг кислоты расход аммиака составит:

17631 = 0,27 кг.

Ответ: расходный коэффициент NH3 равен 0,27 кг/кг.

Задача 2.

Теоретически 17 кг аммиака NH3 при окислении дают

63 кг азотной кислоты HNO3. Практически же получено 54 кг кислоты. Определите выход азотной кислоты.

Решение: По условию Gпр = 54 кг, a Gтеор= 63 кг, по уравнению (7) находим выход:

η = 5463100 = 85,7 %.

Ответ: выход азотной кислоты составил 85,7 %.

Задача 3.

При получении серной кислоты контактным способом на 1 т сжигаемого колчедана с содержанием 42 % мас. серы практически получается 1,2 т олеума, содержащего 20 % мас. «свободного» ангидрида SO3. Определите выход серной кислоты.

Решение. Процесс образования серной кислоты можно выразить схемой:

FeS2 →O2 2SO2 →O2 2SO3 →H2O 2H2SO4.

В 1 т колчедана с массовой долей серы 42 % содержится

420 кг серы, что соответствует 0,533420 = 788 кг FeS2 (подробнее, см. тему 1, примеры решения типовых задач 1 – 3). Из 788 кг

49

(120 и 98 молярные массы FeS2 и H2SO4, г/моль; 2 - множитель, учитывающий, что 1 моль FeS2 позволяет получить 2 моль H2SO4 согласно схеме процесса синтеза).

В 100 кг олеума с массовой долей SO3 20 % содержится 20 кг серного ангидрида SO3 и 80 кг H2SO4. Из 20 кг SO3 можно

получить 8020 98= 24,5 кг H2SO4 (80 и 98 – молярные массы SO3

и H2SO4, г/моль). Таким образом, 100 кг олеума с массовой долей

SO3 20 % эквивалентны 24,5 + 80,0 = 104,5 кг H2SO4.

Определим массу серной кислоты, которая соответствует 1,2 т олеума:

100 кг олеума – 104,5 кг H2SO4;

1200 кг олеума – х кг H2SO4.

х = 1254 кг.

По формуле (7) определим выход:

η = Gпр = 1254 = 0,974 или 97,4 %. Gтеор 1287

Ответ: выход серной кислоты составил 97,4 %.

Задача 4.

Согласно материальной отчетности на производство 1 т азотной кислоты (65 % мас. HNO3), полученной окислением аммиака, расходуется 186,2 кг NH3. Рассчитайте: теоретиче-

ский и практический расходные коэффициенты по аммиаку; выход азотной кислоты.

Решение. В 1 т HNO3 (65 % мас.) содержится 650 кг чис-

той кислоты, это и есть Gпр. Процесс получения азотной кислоты HNO3 выражается следующей схемой:

NH3 →O2 NO→O2 NO2 →H2O HNO3.

50