Контрольная работа по "Химии". 45

Ректорський контроль’ 2008

Доведіть з фізико-хімічних позицій, що сульфатна кислота належить до числа сильних кислот.

H₂SO₄ має досить великі константи дисоціації по першому і другому ступеню дисоціації:

H₂SO₄ ® H⁺ + HSO₄^-;

HSO₄^- ® H⁺ + SO₄^2-

Порахуйте, скільки кг оксиду сірки (VI) SO₃ міститься в 9 т 92 %-ої сульфатної кислоти H₂SO₄.

6758,96 кг » 6759 кг SO₃.

Чим зумовлено те, що технічна сульфатна  кислота за ДСТУ виробляється українськими підприємствами саме 92-96 %-ою.

Тому, що цим концентраціям приблизно  відповідає евтектична суміш з мінімальною температурою замерзання.

Оксид сірки(IV) зріджується при температурі ~263 К (-10 °С). Як забезпечити його зрідження при температурі вище 289 К (+25 °С)?

Це  може здійснити при відносно невеликому стискуванні (компріюванні) SO₂ (відповідь у цифрах: ~0,414 МПа).

Рекомендуєте  Ви чи ні виробляти або зберігати  олеум (надконцентровану сульфатну  кислоту) в апаратах з чавуна?

Ні, тому що у часі чавун розтріскується з причини проникнення H₂SO₄×SO₃ у пори і дефекти поверхні чавуна, взаємодії з Si, утворення SiO₂ з більшим об’ємом, аніж у Si (далі зрозуміло).

Складіть  схему отримання з вітчизняної  природної сірковмісної сировини сульфідних концентратів кольорових і важких металів (міді, цинку, плюмбуму тощо), а також флотаційного сірчаного колчедану.

Здрібнення  до частинок менших 0,1-0,3 мм, перша флотація (з утворенням концентратів MeS і флотаційних хвостів), друга флотація: флотоколчедан і „пуста порода”.

Розрахуйте  необхідну для добування 1 т мнг (моногідрату) H₂SO₄ кількість сірчистого газу (в нм³), що містить 10 % (об.) оксиду сірки(IV) при його втраті 5 %. Перерахуйте об’єм цього газу в реальний газ (м³) при температурі 773 К.

~2351 нм³; ~6657 м³.

Наведіть  хімічну схему появи оксиду сірки(IV) в викидних газах кольорової металургії (в т.ч. вітчизняної) на прикладі нікельвмісної сировини (сульфідної) з домішками мінералів піриту (FeS₂) і троїліту FeS.

2FeS₂ ® 2FeS + S₂­;

4FeS + 7O₂ ® 2Fe₂O₃ + 4SO₂­;

2NiS + 3 O₂ ® 2NiO + 2SO₂­;

S₂ + 2O₂ ® 2SO₂­

У чому Ви вбачаєте причину екстремальної (якої саме?) температурної залежності в’язкості рідкої сірки?

Спочатку  в’язкість „падає”, а потім до температури ~ 190 °С зростає і знов зменшується. Причина: розрив сполуки октациклосірки на довгі молекули S₈, а потім розрив їх до S₆, S₄ тощо.

Яким  показником характеризують швидкість корозії металевих конструкційних матеріалів у середовищі агресивних хімічних речовин? Як практично її визначити?

Глибинний показник корозії, мм/рік. Визначити у часі зміну маси пластини відомої площі, г/(см²×год).

Вкажіть, як утворюються так звані „травильні розчини”. Яким є їх приблизний склад? Як, на Вашу думку, їх можливо утилізувати?

При травленні (обробки металевих поверхонь сульфатною кислотою) металів.

2-10 % H₂SO₄; 10-25 % FeSO₄.

FeSO₄×nH₂O: переробляти в коагулянт.

Або: FeSO₄×після термічної обробки переробляти в червоний пігмент a-Fe₂O₃; SO₂ – на виробництво H₂SO₄;  H₂SO₄ –розкладати до SO₂ або до S₂, наприклад:

2H₂SO_4(г) ® SO₂ + H₂O +0,5O₂;

2SO₂ + 4H₂ ® 4H₂O + S₂;

2SO₂ + CH₄ ® 2H₂O + S₂ + CO₂.

Якщо  вміст SO₂ в викидних газах виробництва H₂SO₄ складає 0,01 %, то він (вміст SO₂ ) нижче чи вище ГДК на SO₂ в атмосфері робочого (виробничого) приміщення відповідного цеху (10 мг/нм³)?

В 1 м³= 1000 л × 0,0001 = 0,1 л SO₂.

=292 мг/нм³.

Перевищує в 29 разів.

Яким  є механізм негативного впливу сполук фтору на гетерогенні каталізатори з кремнеземною матрицею?

SiO₂ + 4 HF^(г) ® SiF₄­ + 2H₂O.

Дайте пояснення термінам „фактор і  коефіцієнт форми” твердих несферичних  часток.

Відношення d_несфер/d_ш того ж об’єму („фактор форми”).

Відношення F_несфер/F_ш того ж об’єму („коефіцієнт форми”).

Наведіть величину максимально можливої концентрації оксиду сірки(IV) в сірчаному газі при спалюванні сірки в атмосферному повітрі (дозування повітря у піч – за стехіометрією по кисню (оксигену).

За доказом: ~ 21 % об.

Який  з існуючих методів видалення недогарків від печей КШ здається Вам найбільш раціональним? Чому? Запропонуйте свій спосіб.

Є шнековий, з транспортними трубами, гідравлічний, пневмотранспорт, „редлери” зі скребками тощо. Вибір – за студентом, як й його аргументація.

Чому  недогарок (після спалювання сірчаного  колчедану), що містить ~ 50 % феруму, не можна безпосередньо утилізувати в металургійному виробництві? Як його підготувати до утилізації??

Дуже  дрібний, містить залишки сірки. Треба провести агломерування недогарку разом з максимально можливим випалюванням цієї сірки (на агломераційних установках з циркуляцією випалювальних газів, щоб збільшити вміст, %, SO₂ в них).

Зобразити на графіку Х – Т хід процесу контактного окиснення оксиду сірки(IV) в п’ятиполковому контактному апараті з нерухомими шарами ванадієвого каталізатора. Нанесіть на цей же графік також криву X_p=f(T) та лінію оптимальних температур (ЛОТ).

Графік X=f(T), X_p=f(T), ЛОТ, охолодження газу проміж шарами Кт.

Якщо  в викидному газі сульфатнокислотного  виробництва міститься 0.01% SO₂ , то це перевищує чи ні середнедобове ГДК по  SO₂ у атмосфері населених пунктів (0.15 мг/м³)?

Перевищує майже а 2000 разів( приблизно 290 мг/м³)

Надайте фізико-хімічне обґрунтування прогресивній ідеї здійснювати контактне окиснення  оксиду сірки(IV) за схемою: „подвійне контактування – подвійна абсорбція” (ПК-ПА). Чи подальший розвиток цієї ідеї до ПтК-ПтА (потрійне контактування – потрійна абсорбція) є перспективним, з Вашої точки зору? Чому „так” або чому „ні”?

Зсув  рівноваги зворотної реакції  праворуч за рахунок виведення продукту з зони реакції. ПтК-ПтА ще в більшій мірі буде стимулювати цей процес.

Чи  є раціональним, з точки зору рівноваги, збільшення тиску при окисненні  SO₂ у виробництві сульфатної кислоти?

Реакція SO₂ + 0,5О₂ Û SO₃ протікає зі зменшенням об’єму і за принципом Лє-Шателіє, застосування тиску буде сприяти зсуву рівноваги газової реакції праворуч (у бік цільового продукту SO₃), себто є раціональним.

Підрахуйте, чому буде дорівнювати густина газової  суміші при 593 К, якщо при нормальній температурі (293 К) вона (густина) має значення 1,43 кг/м³?

Примітка: тиск суміші –  не змінюється.

  кг/м³.

Чому  дорівнює густина газової суміші наступного складу, % об.: 12 SO₂; 2,8 О₂; 85,2 N₂ при Т=293 К? (молярні маси М_і = 64 (SO₂); 32 (О₂); 28 (N₂).

кг/м³.

Яким  повинен бути діаметр газоходу для  відводу 20000 м³/годину сірчистого газу при Т = 1173 К з печі КШ (киплячого шару), якщо лінійна швидкість цього газу в газоході дорівнює 25 м/с?

 м²;

 м.

Відповідь: ~ 1,1 м.

Вірним  чи невірним є твердження про те, що сірчистий газ на виході з печі киплячого шару буде мати температуру більшу, аніж температура цього газу в самому киплячому шарі?

Вірним (тому що в надшаровому просторі частинки продовжують догорати, а охолоджуючих елементів там немає).

Підрахуйте  залишкову запиленість сірчистого газу після циклону, якщо на вході  до нього запиленість дорівнювала 290 г/м³, а ступінь очищення дорівнює 90,1 %. Температура газу при цьому не змінювалася.

~ 28,7 г/м³.

Буде чи не буде ефективно працювати електрофільтри для очищення сірчистого газу від пилу при підключення електрофільтру до джерела змінного току?

Не буде (тому що часта зміна полярності коронуючого і осаджувального електродів не дасть змоги частинкам (зарядженим) пилу досягти осаджувального електроду)

Підрахуйте  кількість чистого селену за реакцією відновлення 1 кг SeO₂ – домішки сірчистого газу у виробництві сульфатної кислоти з сірчаного колчедану:

SeO₂ + 2SO₂ + 2H₂O ® Se¯ + 2H₂SO₄

Вихід Se – 100 %; ; .

~ 711,3 г (0,711 кг).

Сполуки фтору переходять у випалювальний  газ (при випалі сірчаного колчедану) з флюориту CaF₂ за реакцією пірогідролізу:

CaF₂ + H₂O CaO + 2HF­

Підрахуйте при 100 %-му виході кількість утвореного фтороводню з 1 т флюориту.

~ 512 кг = 0,512 т.

Підрахуйте  необхідний об’єм ванадієвого каталізатора (в м³), якщо на контактування надходить 30000 м³/годину сірчистого газу при часі контактування 0,57 сек. Коефіцієнт запасу для каталітичного шару дорівнює 4.

~ 19 м³.

Якщо з відомими припущеннями вважати, що швидкість реакції окиснення сірки(ІV) підкоряється кінетичному рівнянню   , підрахуйте, у скільки разів зросте ця швидкість при збільшенні тиску у 2 рази.

~ в 2,8 разів.

Якщо  в викидних газах виробництва контактної сульфатної кислоти міститься 0,01 % об. SO₂, то чи перевищує цей показник ГДК по SO₂ в атмосфері населених пунктів (0,15 мг/м³)? Отже переведіть концентрацію SO₂ (в %) в мг/м³ (чи навпаки - мг/м³ в % об.).

Перевищує набагато: 0,01 % об. SO₂ @ 290 мг/м³; 0,15 мг/м³ @ 0,000005 % = 5×10^-6 %.

Швидкість каталітичного окиснення  SO₂ у виробництві сульфатної кислоти підкоряється рівнянню Арреніуса. На скільки відсотків підвищиться константа (К) швидкості цієї реакції при зміні температури від 673 К до 773 К (к₀=0,225; Е=59871 Дж/моль; R=8,31 Дж/(моль×град))

К₆₇₃ @ 5×10^-6 (Па^-1×с^-1);

К₇₇₃ @ 2×10^-5 (Па^-1×с^-1);

себто збільшиться на ~ 333 %

Розрахуйте  коефіцієнт надлишку повітря на контактне окиснення 100 м³ SO₂, якщо об’єм повітря на цей процес складає 339 м³ (прийняти, що концентрація кисню в повітрі дорівнює 21 % об.).

~ 1,42.

Розрахуйте  коефіцієнт надлишку повітря на повне спалювання 1 т чистого мінералу піриту (FeS₂), якщо об’єм цього повітря складає 3081 м³ (прийняти, що концентрація кисню в повітрі дорівнює 21 % об., а рівняння реакції має наступний вигляд: 4FeS₂ + 11O₂ ® 2Fe₂O₃ + 8SO₂). .

V_теор. = 2464 м³; V_практ. = 3081 м³.

Коефіцієнт надлишку: 1,25.

Як  зміною температури в промислових  баштах відділення „мокрого” очищення від пилу і домішок сірчистого газу у виробництві сульфатної кислоти можна запобігти утворенню туману (мряки)?

Підвищенням температури (вище точки критичного пересичення газу парою сульфатної кислоти).

Опишіть режим зрошення башт кислотами (у  відділеннях „мокрого” очищення газу, абсорбційного одержання сульфатної кислоти тощо) під назвою „зрошення на себе”.

Після витікання кислоти з башт вони (кислоти) коректуються за складом, охолоджуються  і знов поступають на зрошення тих  же башт.

Підрахуйте ступінь (%) очищення сірчистого газу від пилу в циклонах, якщо на вході до циклонів ця запиленість складала 250 г/м³, а після циклонів – 1,7 г/м³ (Т=const).

99,3 % (приблизно).

В сірчаному колчедані міститься 0,03 % мас. CaSe (селеніду кальцію). При випалі колчедану в печах КШ („киплячого шару”) ~ 50 % селену переходить у газ у вигляді SeO₂. Підрахуйте кількість SeO₂ в газі, якщо випалу підлягає 1 т сірчаного колчедану. .

~ 0,14 кг (приблизно).

Спалювання  мінералу піриту протікає за реакцією:

4FeS₂ + 11O₂ ® 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 3415,7 кДж. Підрахуйте тепловий ефект цього процесу з розрахунку на 1 кг чистого піриту (при умові 100 %-го його спалювання). .

Приблизно 7116 кДж/кг.

При реалізації процесу «мокрого каталізу»  у виробництві сульфатної кислоти  з сірководневого газу прийнято проводити  процес окиснення H₂S у дві стадії: на першій стадії – при нестачі кисню (повітря), дозуючи останній у кількості 80 % від стехіометрії.

Розрахуйте цю кількість (нм³ повітря) на 1000 куб. метрів (нм3) сірководневого газу при об’ємній концентрації H₂S в ньому на рівні 56 %.

672 нм³ кисню або 3200 нм³ повітря

Розрахуйте потужність (N) на валу насосу (в кВт) для перекачування сульфатної кислоти за формулою:

При розмірності кВт  , якщо продуктивність насосу (Q) по розчину сульфатної кислоти задана в м³/годину, повний напір (Н) в [м]. Як представити Q і питому вагу (γ) розчину кислоти в цьому випадку, (себто, в якій розмірності), при наступних умовах: Q=65 м³/год, густина ρ=1360 кг/м³, H=120 м, η (ККД)=0,8?

N=36 кВт. Питому вагу слід представити не в кг (сили), а в кг (маси), себто . Q перевести в м³/с.

При вмісті в викидних газах в виробництві нітрозної H₂SO₄ 0,1 % (об.) NO₂, перевищується (і наскільки) чи ні при цьому ГДК в атмосфері населених пунктів (0,15 мг/м³)

Перевищується в 13 666 разів.

Аргументуйте необхідність при спалюванні сірчаного колчедану  в пічах КШ (киплячого шару) підтримувати температуру нижче температури  підплавлення поверхні частинок колчедану.

В такому випадку частинки (зерна) сірчаного колчедану при  частому контакті одне з одним  можуть злипнутись за рахунок адгезії  і утворити агломерати, що зупинить роботу пічей КШ.

Чим обумовлюється невелика лінійна швидкість газового пильового  потоку в електрофільтрі?

Під дією електричного полю частинки пилу, що заряджаються повинні  мати час, щоб подолати відстань від  коронуючого електроду до осаджуючого. Отже лінійна швидкість газового потоку повинна бути такою, щоб частинки у своєму русі на всьому шляху руху до осаджуючого електроду знаходилися в полі дії електростатичних сил.

Підрахуйте об’ємну  концентрацію SO₂ в сірчистому газі при повному спалюванні 1 т чистої сірки за участю 5350 нм³ повітря.

~13 % (об.) SO₂