Общая химическая технология и химические реакторы. Сборник задач. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

__________________________

ФГБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Н. Ю. САННИКОВА, А. С. ГУБИН, Л. А. ВЛАСОВА, П. Т. СУХАНОВ, С. С. НИКУЛИН

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2021

1

УДК 66.0(075)

ББК Л10я7 O-28

Научный редактор профессор О. В. КАРМАНОВА

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра химии и химической технологии материалов Воронежского государственного технического университета;

д.х.н. Г. В. ШАТАЛОВ (Воронежский государственный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Общая химическая технология и химические реакторы.

O-28 Сборник задач [ Текст] : учеб. пособие / Н. Ю. Санникова, А. С. Губин, Л. А. Власова [ и др.]; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. − Воронеж : ВГУИТ, 2021. – 59 с.

ISBN 978-5-00032-534-6

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлениям 18.03.01 «–Химическая технология», 18.03.02 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 18.0502. – «Химическая технология материалов современной энергетики», 20.03.01– «Техносферная безопасность». Пособие содержит теоретические сведения об основных процессах общей химической технологии, химических реакторах и перечень задач, предназначенных для закрепления профессиональных компетенций.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, егорепродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

Тема 1. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ РАСТВОРОВ И ИХ ПЕРЕСЧЕТ

Раствором называется гомогенная (однородная) система, состоящая из растворенного вещества (или нескольких растворенных веществ) и растворителя. Растворитель - тот компонент, агрегатное состояние которого совпадает с агрегатным состоянием раствора.

Концентрация раствора – величина, измеряемая количеством растворенного вещества в определенном объеме или массе раствора или растворителя. Существуют разные способы выражения концентрации растворов.

Массовая доля ω (масс.д., % масс.)показывает число еди-

ниц массы растворенного вещества (г, кг) в 100 единицах массы раствора (г, кг) и рассчитывается по формуле:

w = mв-ва ×100,

mр-ра

где mр-ра – масса раствора, в котором содержится масса вещества

mв-ва ;

mр-ра = mв-ва + mр-ля .

Объемная доля φ (об.д., % об.)показывает число единиц объема растворенного вещества (см3, дм3) в 100 единицахобъема раствора (см3, дм3) и рассчитывается по формуле:

j = Vв-ва ×100,

Vр-ра

где Vр-ра – объем раствора, в котором содержится объем вещества

Vв-ва .

3

Мольная доля Х (мол.д., % мол.) показывает число моль растворенного вещества в 100 молях раствора и рассчитывается по формуле:

Х = nв-ва ×100 ,

nр-ра

где nр-ра – количество молей раствора, в котором содержится определенное количество моль веществаnв-ва .

Молярная концентрация См (молярность) показывает чис-

ло молей растворенного вещества в 1 л (1 дм3) раствора:

См = ν/V,

где количество вещества ν =m/M, а объем раствораV выражен в дециметрах кубических:

См = m / М·V,

где m – масса вещества, г; М – молярная масса вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

Молярная концентрация эквивалентаN С(нормаль-

ность) показывает, сколько моль эквивалента вещества находится в 1 дм3 раствора:

СN = m /Э ·V,

где m – масса вещества, г; Э – эквивалент, г/моль; V – объем раствора, дм3.

Моляльная концентрация mС (моляльностьпоказывает)

числомолей растворенноговещества в 1 кг (1000 г) растворителя.

где νв-ва – число моль вещества; mв-ва – масса вещества, г;mр-ля – масса растворителя, кг; М – молярная масса вещества, г/моль.

4

Титр Т - это масса вещества (г) в 1 мл (1 см3) раствора:

Т = m / V,

где m – навеска вещества, г; V – объем раствора, мл;

Т = Э · СN /1000

где Э – эквивалент вещества, г/моль;СN – молярная концентрация концентрация эквивалента моль/дм3; 1000 – коэффициент для пересчета размерности (в 1 л 1000 мл).

Мольная доля компонента Х– это отношение числа молей данного вещества к общему числу молей всех веществ в растворе. Если раствор содержит два компонента (1 – растворенное вещество, 2 – растворитель), то мольные доли находятся следующим образом:

Х1 = ν1 / (ν1 + ν2), Х2 = ν2 / (ν1 + ν2),

где ν1 – число моль растворенного вещества;ν2– число моль растворителя. В сумме Х1 + Х2 = 1.

ЗАДАЧИ

10 %-ного раствора 1,109 г/мл. Задача 3.

Какова молярность раствора, в 300 мл которого содержится 10,5 г едкого калия?

5

Сколько грамм фосфорной кислоты содержится в 1200 мл 0,3 М раствора ?

6

7

Задача 22.

В процессе кристаллизации фракции F получается два продукта: основной целевой D и побочный С. При условии, что СF = 52 % масс., СD = 45 % масс., Сс = 98 % масс., определить массу фракции F и побочного продукта С, если масса целевого продукта D равна 500 кг.

Задача 23.

Процесс ректификации осуществляется по следующей схеме:

Дистиллят (Сd)

Кубовый остаток (Cw)

Рассчитать массы фракций и кубового остатка, еслимасса дистиллята составляет 1 т, при вииусло: Сf = 68 % масс.;

Сd = 15 % масс. и Сw = 15 % масс.

Задача 24.

В процессе кристаллизации фракции F получается два продукта: основной целевой D и побочный С. Определить массу фракции F и продукта С, если масса продукта D равна 1 т, при условии Сf = 77 % масс ., СС = 93 % масс ., СD = 50 % масс .

Задача 25.

Сколько было подано на упаривание раствора нитрата натрия и какова масса упаренного раствора, есликонцентрация исходного раствора 16 мол. %, а упаренного 55 мол. % и масса воды составляет 500 кг.

Задача 26.

При сушке 1 т сыройдревесины ее масса уменьшилась до 970 кг. Определить влажность высушенной продукции, если в исходном продукте содержание влаги составило 10 % масс.

Задача 27.

Определить концентрацию раствора Н2SO4, полученного при соединении 125 кг концентрированной Н2SO4 с содержанием 20 % масс. SO3 c 225 кг разбавленной Н2SO4 кислоты с массовой долей 0,45 ед.

8

Задача 29.

Сколько было подано на упаривание раствора нитрата натрия и какова масса упаренного раствора, есликонцентрация исходного раствора 18 % мол., а упаренного 37 % мол. и масса воды составляет 470 кг.

Задача 30.

Рассчитать необходимую массу олеума с массовой долей 0,18 ед. для приготовления Н2SO4 с массовой долей и 0,9 ед., учитывая, что разбавление ведется раствором Н2SO4 с массовой долей 0,7 ед. и массой 0,65 т.

Задача 31.

К этиловому спирту массой 40 г и плотностью 0,789 г/см3 добавили воду до объема 100 3см. Определить массовую долю спирта в растворе.

Задача 32.

Необходимо рассчитать молярную концентрацию раствора, полученного при растворении Na2SO4 массой 43,0 г с 400 г H2O, если плотность полученного раствора 1,12 г/см3.

Задача 33.

К раствору массой 250г, массовая доля соли в котором 0,1 ед., прилили воду объемом 150 см3. Принять плотность воды равной 1 г/см3, определить концентрацию соли в полученной смеси.

SO3 и 240 кг раствора серной кислоты с концентрацией 20 % масс.

9

Тема 2. КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Критерии эффективности необходимы для оценки полноты использования возможностей осуществления химическойреакции.

Степень превращения(конверсии) – отношение количест-

ва вещества, вступившего в реакцию, к его начальному количеству. Термин «количество» означает в данном случае либо количество молей вещества, либо его массу.

Для простой необратимой реакции типа А → R

где ХА – степень превращения вещества;NАо, NА – количество реагента А в начальный момент времени и по окончании процесса (в условиях равновесия).

Из уравнения (1) следует, что количество реагента А равно

NА = NАо – (1 – ХА).

Если реакция протекает без изменения объема

где САо, СА – концентрации вещества А в начальный момент времени и в условиях равновесия.

Из уравнения (2)

СА = САО (1 – ХА).

Для обратимых реакций важным понятием является равновесная степень превращения – это доля исходного реагента, использованного в химическом превращении.

10