Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Задачи и упражнения по химической технологии неорганических веществ. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФГБОУ ВО
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
О. А. КОЗАДЕРОВА, С. И. НИФТАЛИЕВ, К. Б. КИМ
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
ПО ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2019
2
УДК 66.02
ББК Л20я7
К59
Научный редактор профессор С.И. НИФТАЛИЕВ
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра технологии неорганических веществ и материалов
Казанского национального исследовательского
технологического университета;
д-р хим. наук О.Б. РУДАКОВ
(Воронежский государственный технический университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Козадерова, О. А.
К59
Задачи и упражнения по химической технологии неорга-
нических веществ [Текст] : учеб. пособие / О. А. Козадерова,
С. И. Нифталиев, К. Б. Ким; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2019. – 59 с.
ISBN 978-5-00032-418-9
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО под-
готовки выпускников по направлению 18.03.01 – «Химическая технология». Оно
предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплины «Химическая технология неорганических веществ» блока 1.
2801000000 34
К
ОК2(03) 2019
Без объявл.
ISBN 978-5-00032-418-9
УДК 66.02
ББК Л20я7
Козадерова О.А., Нифталиев С.И.,
Ким К.Б., 2019
ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т
инж. технол.», 2019
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского
государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование
(воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
3
1. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
1.1. Расчет степени превращения реагента,
выхода продукта и селективности
В основе решения задач проектирования и эксплуатации
химического производства лежит расчет материально-тепловых
балансов химико-технологических процессов, основанный на законе сохранения массы и энергии. Для оценки отдельных этапов
процесса помимо общих экономических показателей используют
также технологические критерии эффективности, которые отражают химическую и физико-химическую сущность явлений,
происходящих в аппаратах технологической схемы: степень превращения реагента (Хi), выход продукта (
i
), селективность (Si).
Пример 1. Вычислите состав реакционной смеси для
процесса:
А + В → С + 2D, (1)
если начальное количество реагента А – 30 молей, В – 40 молей,
а степень превращения реагента А – 0,8.
Степень превращения – это доля исходного реагента, ис-
пользованного на химическую реакцию или отношение количества реагента, принявшего участие в реакции, к его исходному
количеству:
i,0 i
i
i
i,0 i,0
n - n
Δn
X = = ,
nn
(2)
где Х
i
– степень превращения реагента; n
i,0
– количество реагента
в исходной реакционной смеси; ni – количество реагента в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе; ni – изменение количества вещества i в ходе реакции.
Для процесса (1) справедливо соотношение:
4
С
А В D
А В С D
Δn
Δn Δn Δn
= = = ,
(3)
где i – стехиометрический коэффициент перед формулой вещества.
Зная степень превращения исходного вещества А и его
начальное количеств, можно найти состав смеси по окончании
процесса: nA, nB, nC, nD:
A A,0 A
n n (1 X )
, (4)
В
B B,0 A A,0
A
n n X n ,
(5)
C
C C,0 A A,0
A
n n X n ,
(6)
D
D D,0 A A,0
A
n n X n .
(7)
Количество исходных веществ – А и В – уменьшается в ходе реакции, а количество продуктов – C, D – возрастает.
В качестве ключевого реагента, через степень превращения которого выражают количества продуктов, выбирают реагент, взятый либо в недостатке, либо в стехиометрическом соотношении к другому.
Решение. По уравнениям (4) - (7) определим состав смеси
по окончании реакции:
A A,0 A
n = n (1 - X ) = 30 (1 - 0,8) = 6 (молей),
В
B B,0 A A,0
A
ν
n = n - X n = 40 - 0,8 30 1 = 16 (молей),
ν
5
C
C C,0 A A,0
A
ν
n = n + X n = 0 + 0,8 30 1 = 24 (моля),
ν
D
D D,0 A A,0
A
ν
n = n + X n = 0 + 0,8 30 2 = 48 (молей).
ν
Ответ: nA, nB, nC, nD, моль: 6, 16, 24, 48.
Пример 2. Для процесса А + 2В → С вычислите состав ре-
акционной смеси, если начальное мольное соотношение реагентов в = 4, степень превращения реагента А равна 0,6 и получено 3 моля продукта С.
Решение. По уравнению (6) найдем исходное количество
реагента А:
C C,0 A
A,0
AC
(n n )
(3 - 0) 1
n = = = 5 (молей).
X 0,6 1
Зная величину в, находим n
В,0
. в = 4 означает, что n
В,0
:
n
А,0
= 4:1. Следовательно, n
В,0
= 20 молей.
Если степень превращения реагента А равна 0,6, то в соответствии с уравнением (4) по окончании реакции в системе оста-
нется
A A,0 A
n n (1 X ) 5 (1-0,6) = 2
моля компонента А.
По уравнению (5) находим количество реагента В в реакционной смеси:
ВВ
B B,0 A A,0 А,0 A A,0
AA
n n X n = 4 n X n =
2
= 4 5 - 0,6 5 = 14 (молей).
1
По уравнению (6) определяем количество продукта С:
C
C C,0 A A,0
A
1
n n X n = 0 + 0,6 5 3 (моля).
1
Ответ:
A B C
n ,n ,n
, моль: 2, 14, 3.
6
Можно показать, что
A0 B0
BA
AB
n / n
XX
/
. (8)
Уравнение (8) устанавливает связь между степенями превращения реагентов А и В и позволяет рассчитать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения
другого.
Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходных реагентов. Эта величина принимает значение от 0 до 1. Если реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом
соотношении, то их степени превращения равны между собой.
Если же один из реагентов, например, В, взят в избытке,
то Х
В
< 1 даже если ХА = 1. Однако не всегда можно достичь
полного использования реагента (т.е. условия Х
i
= 1). Большин-
ство химических реакций обратимы. Для таких реакций при заданных условиях их осуществления предельным состоянием является состояние химического равновесия.
Для характеристики процесса с точки зрения получения
продукта реакции вводят еще один критерий эффективности –
выход продукта.
Выход продукта (i) – отношение реально полученного
количества продукта к максимально возможному его количеству,
которое могло бы быть получено при данных условиях протекания реакции.
Для простых необратимых реакций выход продукта и степень превращения исходного реагента совпадают. Для других
типов химических реакций эти два критерия эффективности различаются.
Пример 3. Вычислите выход продукта R для обратимой
реакции А + 2В ↔ 2R + S, если начальные количества реагентов
n
A,0
= 10 кмолей; n
B,0
= 25 кмолей. В реакционной смеси, выхо-
дящей из реактора, содержится 12 кмолей продукта R. Известно,
7
что в равновесной смеси при данных условиях проведения реакции содержится 2,5 кмоля реагента А.
Решение. Для обратимых реакций выход продукта равен
доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения реагента (Хi) от его равновесной степени превращения
(X
i,e
) для данных условий проведения реакции:
А
R
А,е
Х
Х
. (9)
Реагент В находится в избытке, поэтому расчет будем вести по реагенту А. По формуле (2) найдем реально достигнутую
степень превращения реагента А:
A,0 A
А
A,0
n - n
10 2,5
X = = = 0,75 (кмолей).
n 10
Для получения 12 кмолей продукта R в реакцию должно было
вступить 6 кмолей реагента А. Равновесная степень превращения
вещества А может быть определена так:
А
А,е
А,0
Δn
6
X = = = 0,6 (кмолей).
n 10
Найдем выход продукта R:
А
R
А,е
Х
0,6
η = = 0,8
Х 0,75
или 80 %.
Ответ: R = 80 %.
Пример 4. Вычислите выход продукта С в параллельных
реакциях:
А → С + М (целевая), (10)
2А → D + M (побочная), (11)
8
если известен состав реакционной смеси: nA = 1,25 моль,
n
C
= 1 моль,
D
n
= 2 моль.
В параллельных реакциях наряду с целевым продуктом С
получаются продукты побочной реакции, поэтому исходный реагент А расходуется не только на получение целевого продукта.
В связи с этим выход целевого продукта выражается следующим
образом:
С
С
C
A,0
A(целев)
n
= .
n
ν
(12)
Решение. Определим количество реагента А, израсходованного по реакциям (10) и (11), используя соотношение (3):
А(целев) А(побочн)
А А(целев) A(побочн) С D
СD
νν
n = n + n = n + n =
νν
12
= 1 + 2 = 5 (молей)
11
.
Найдем исходное количество реагента А:
А А,0 A
n = n + n = 1,25 + 5 = 6,5 молей.
По уравнению (12) определим выход целевого продукта С:
С
С
C
A,0
A(целев)
n
1
= = 0,15 или 15 %.
1
6,5
n
1
ν
Ответ: С = 15 %.
Пример 5. Для последовательной реакции
А С D (13)
9
рассчитайте состав реакционной смеси, если начальное количество реагента А – 16 моль, степень его превращения – 0,5 и селективность по продукту С – 0,75.
Полной селективностью процесса (S) называется отно-
шение количества основного исходного вещества, превратившегося в целевой продукт, к общему количеству превратившегося
вещества.
Для параллельных реакций (8) - (9) селективность выражается следующей формулой:
A(целев)
C
A(целев) A( целев)
C
A(целев) A (побочн)
A А( целев) А (побочн)
CD
CD
n
nn
S = = .
n n n
n + n
(14)
Для последовательных реакций, например (13), полная селективность по продукту С равна
С
С
A,0 A
А
n
S = .
(n n )
1.2. Расчет расходного коэффициента,
производительности аппарата и интенсивности процесса
Расходный коэффициент (Fp) - 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.
Различают практический расходный коэффициент, кото-
рый вычисляют с учетом выхода готового продукта, и теорети-
ческий. Последний рассчитывают исходя из предположения, что
выход продукта составляет 100 %.
10
Пример 6. На производство 1 т азотной кислоты
(65 % масс. HNO3), полученной окислением аммиака, расходу-
ется 186,2 кг NH3. Рассчитайте: теоретический и практический расходные коэффициенты по аммиаку; выход азотной кис-
лоты.
Решение. В 1 т HNO3 (65 % масс.) содержится 650 кг чистой кислоты, это и есть Gпр. Процесс получения азотной кис-
лоты HNO
3
выражается следующей схемой:
2 2 2
O O H O
3 2 3
NH NO NO HNO .
17 кг 63 кг
Расходные коэффициенты по аммиаку будут равны:
- теоретический:
теор
р
17 1
F 0,270 кг/кг,
63
- практический:
пр
р
186,2
F 0,286 кг/кг.
650
Это значит, что на получение чистой азотной кислоты
(100 % масс.) расходуется практически 0,286 кг аммиака NH3.
Для вычисления выхода азотной кислоты по аммиаку
рассчитаем, сколько кислоты теоретически должно получиться из 186,2 кг аммиака:
17 кг аммиака NH
3
дают 63 кг кислоты HNO3,
186,2 кг аммиака NH
3
дают х кг кислоты HNO
3
.
186,2 63
= = 690.
17
х
690 кг HNO3 (100 % масс.) или 690/0,65 = 1062 кг HNO3
(65 % масс.) может быть получено из 186,2 кг NH3.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]