Контрольная работа по "Технологии химических производств"

Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра экономики и менеджмента

в химической промышленности 
 

Контрольная работа

по дисциплине:

ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
 

Выполнил:____________________________________

студент____курса______спец.____________________

группа____№  зачет. книжки______________________

Подпись:______________________________________ 

Преподаватель: ________________________________

Должность:____________________________________

Оценка:_______Дата:____________________________

Подпись:______________________________________ 
 

Санкт-Петербург

2009

     Оглавление:

     Вопросы:

     1. Ионнообменный метод обессоливания и умягчения воды……3

     2. Способы повышения  скорости процесса………………………...5

     3. Классификация, ресурсы  и рациональное  использования сырья…………………………………………………………………………...8

     4. Основные технико-экономические  показатели химических  процессов……………………………………………………………………..14

     Задачи:

     Задача №1……………………………………………………………..18

     Задача №2……………………………………………………………..20

     Список  литературы………………………………………………….21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ионообменный метод обессоливания и умягчения воды 

     Метод ионного обмена основан на свойстве некоторых твёрдых тел (ионитов) поглощать из раствора ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода, а аниониты подвижные анионы гидроксила. В качестве катионитов применяют сульфоугли, алюмосиликаты (пермутит, цеолит и др.), в качестве анионитов искусственные смолы, например карбомидные.

     Соответственно, процессы ионного обмена подразделяются на Н (Na) – катионирование, например:

     Na₂[Кат] + Ca(НСО₃) ↔ Са[Кат] + 2Na₂CO₃

и анионирование, например:

     Ан[OH] + HCl ↔ Ан[Cl] + H₂O,

где: [Кат] и [Ан] – не участвующая в обмене матрица ионита.

     Поскольку процесс ионного обмена обратим, установление равновесия в системе  означает прекращение процесса обессоливания. Поглощающая способность ионита характеризуется его объёмной ёмкостью, равной количеству ионов кальция и магния, которое может поглотить единица объёма или массы ионита, выраженное в граммэквивалентах: г-экв/м³ и        г-экв/кг. От величины обменной ёмкости при данном объёме ионита зависит время рабочего цикла ионитовых фильтров. При насыщении ионита он может быть регенерирован промывкой растворами для Н катионов кислоты, Na катионов хлорида натрия и для анионитов раствором щёлочи. В приведённых выше примерах работы анионитов при этом протекают реакции:

     Са[Кат] + 2NaCl ↔ Na₂[Кат] + CaCl₂ и

     [Ан]Cl + KOH ↔ [Ан]OH + KCl.

     Полное  обессоливание воды обеспечивается её дистилляцией (термическое обессоливание) обычно после того, как вода предварительно очищена с помощью ионитовых фильтров.

     Вода  постепенно проходит через катионовый и анионовый фильтры и поступает  распыляясь в дегазатор, где из неё  удаляют растворённый диоксид углерода, кислород и другие газы. Для регенерации катионита в фильтр периодически подаётся кислота или раствор хлорида натрия, для регенерации анионита – раствор щёлочи.

     Умягчением  называется обработка воды для понижения  её жёсткости, т.е. уменьшения концентрации ионов Са⁺² и Mg⁺² различными физическими, химическими и физико-химическими методами.

     При физическом методе воду нагревают до кипения, в результате чего растворимые  гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в и карбонаты, выпадающие в осадок:

     Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂.

     Этим  методом удаляется только временная  жёсткость.

     К химическим методам умягчения относятся фосфатный и известковосодовый, заключающиеся в обработке воды тринатрийфосфатом или смесью гидроксида кальция и карбоната натрия. В первом случае протекает реакция образования нерастворимого трикальцийфосфата, выпадающего в осадок:

     3СаSO₄ + 2Na₃PO₄ = 3Na₂SO₄ + Ca₃(PO₄)₂.

     Во  втором случае протекают две реакции. Бикарбонаты магния и кальция  реагируют с гидроксидом кальция, чем устраняется временная жёсткость:

     Ca(HCO₃) + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O,

а сульфаты, нитраты и хлориды – с карбонатом натрия, чем устраняется постоянная жёсткость:

     CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄.

     Физико-химический метод ионообменного умягчения  воды был описан выше. 
 
 

     Способы повышения скорости процесса 

     Скорость  реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:   

     V = ± ((С₂ – С₁) / (t₂ – t₁)) = ± (∆C/∆t)  

     где С₁ и С₂ - молярные концентрации веществ в моменты времени t₁ и t₂ соответственно (знак (+) – если скорость определяется по продукту реакции, знак (–) – по исходному веществу).  

     Реакции происходят при столкновении молекул  реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.  

     Факторы, влияющие на скорость химических реакций.   

     1.      Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H₂ и N₂ требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H₂O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.  

     Примеры   

     Фтор  с водородом реагирует со взрывом  при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует  медленно и при нагревании.

     Оксид кальция вступает в реакцию с  водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.  

     2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.  

     Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)  

     Скорость  химической реакции прямо пропорциональна  произведению концентраций реагирующих веществ.  

     aA + bB + . . . →. . .  

     V = k • [A]^a • [B]^b • . . .  

     Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.

     Физический  смысл константы скорости заключается  в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях  реагирующих веществ.

     Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.  

     3.      Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t₁ до t₂ изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:   
 

     (где  Vt₂ и Vt₁ - скорости реакции при температурах t₂ и t₁ соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).

     Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:  

     k = A • e ^–Ea/RT

     где

     A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

     R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль • К) = 0,082 л •  атм/(моль • К)];

     Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

     Энергетическая  диаграмма химической реакции.  

     А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.

     Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.  

     4.      Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.  

     5.      Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа"). 

     Классификация, ресурсы и рациональное использования сырья 

     Сырьём называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции. Сырьё – это основной элемент производства, от которого в значительной степени зависят экономичность производства, выбор технологии и аппаратуры и качество производимой продукции.

     В химическом производстве на различных  стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходные вещества или собственно сырьё, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целевой (готовый) продукт и отходы. 
 

                                                                                                        [побочный

                                                                                                       продукт]

      [Сырьё]           [полупродукт-1]         [полупродукт-2]                  

              [отходы-1]                   [отходы-2]                                                

                                                                                                           [ГОТОВЫЙ

                                                                                                     ПРОДУКТ]

     Полупродуктом называется сырьё, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потреблённое в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьём для последующей стадии, например:

      [Каменный уголь]    [Обработанный коксовый газ]    [Водород]    [Амиак]

     Побочным  продуктом называется вещество, образующееся в поцессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Побочные продукты, образующиеся при добыче или обогащении сырья, называются попутными продуктами.

     Отходами  производства называются остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утративших свои качества.

     Сырьём  для химической промышленности служат продукты горно-рудной, нефтяной, газовой, коксохимической, лесной и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, чёрной и цветной металлургии. Всё химическое сырьё подразделяется на группы по происхождению, химическому составу, запасам и агрегатному состоянию (схема ниже).

               по агрегатному

                    состоянию  
 
 

                  по химическому

                  состоянию 
 

                  по видам

                   запасов 

                         по происхождению      
 
 
 
 
 

     Химическое  сырьё также принято делить на:

• первичное (извлекаемое из природных источников)
• вторичное (промежуточные или побочные продукты промышленного производства и потребления, отходы)

и на:

• природное
• искусственное (полученное в результате промышленной обработки природного сырья).

     К веществам, используемым в качестве химического сырья, предъявляется  ряд общих требований. Сырьё для  химического производства должно обеспечивать:

• малостадийность производственного процесса;
• агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;
• минимальное рассеяние подводимой энергии;
• минимальные потери энергии с продуктами;
• возможно более низкие параметры процесса (температура, давление) и расход энергии на изменение агрегатного состояния реагентов и осуществление химико-технологического процесса;
• максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.

     В себестоимости продукции химической промышленности доля сырья достигает 70%. Поэтому проблема ресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче актуальна.

     В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является источником химического сырья, распределены в ней не равномерно по природе, концентрации и географическому размещению.

     Количественной  характеристикой распространённости элементов в природе служит кларк, величина, выражающая в массовых и  атомных процентах, или в граммах на тонну содержание данного элемента в земной коре (Табл. 1). 

     Табл. 1 Кларки некоторых элементов

     Из  табл. 1 следует, что всего 9 элементов  составляют более 98% массы земной коры; на все остальные элементы приходится всего 1,87%. Содержание углерода, представляющего  основу жизни и составляющего  основную часть горючих ископаемых, составляет только 0,35% массы земной коры.

     Все ресурсы химического сырья подразделяются на запасы, то есть выявленные и изученные  ресурсы и на потенциальные ресурсы. В свою очередь по степени изученности  и пригодности к эксплуатации запасы сырья делятся на три категории.

     К категории А относятся запасы, детально разведанные и подготовленные к разработке. К категории В  относятся запасы, установленные  в результате геолого-разведочных  работ. В категорию С включены запасы, определённые по результатам  геофизической разведки и изучения по естественным обнаружениям.

     Возможность использования сырья в химической промышленности определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного  компонента.

     Ценность  сырья зависит от уровня развития технологии и задач, стоящих перед производством и существенно меняется со временим.

     Доступность сырья определяется географическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов  извлечения. Отсутствие эффективных  методов (цианидного, ртутного) не позволяло в прошлом успешно извлекать золото из рассеянных месторождений.

     Существенное  влияние на возможность использования  запасов сырья оказывает концентрация полезного элемента. Многие элементы при относительно высокой концентрации в земной коре рассеяны, что затрудняет их использование в качестве химического сырья. Тем не менее в промышленности в целом и химической – в частности, характерна историческая тенденция использовать всё более распространённое сырьё, выраженная в правиле Вернадского, согласно которому «кларки промышленности стремятся к кларкам планеты».

     Запасы  основных видов сырья в СССР в % от мировых запасов выражались следующими цифрами: торф 60, калийные соли 60, фосфаты 33, древесина 33, ископаемые угли более 50, нефть 6 – 10, различное минеральное сырьё 25. В настоящее время на долю РФ падает 45% мировых запасов газа и 23% ископаемых углей. Существенным недостатком сырьевой политики России является  сохранение структуры экспорта, в которой 40,2% составляет топливо и 10,5% рудное сырьё, и всего 4,1 % продукты переработки сырья, хотя известно, что стоимость продукции прогрессивно возрастает с учётом с углублением переработки сырья.

     Высокая доля сырья в себестоимости химической продукции, быстрое истощение запасов  сырья (мировая добыча минерального сырья за первую половину ХХ века выросла в 3,4 раза), удорожание процессов добычи его (за последние годы себестоимость добычи нефти выросла в 2 раза, угля в 1,5 раза, природного газа в 2,5 раза) выдвинули две задачи:

• разработку объективной оценки скорости исчерпывания запасов химического сырья;
• рациональное использование химического сырья.

1. Количественной характеристикой скорости исчерпывания запасов сырья предложено считать «индекс использования резервов» (ИИР), который представляет процент расходования данного вида сырья в год. Чем выше ИИР, тем, очевидно, больше скорость расходования сырья, т.е.

t_{исчерп.} = 100/ИИР,

     где: t_исчерп – время исчерпывания запасов сырья в годах.

     ИИР зависит от численности населения  и возрастает с его увеличением. В табл. 2 представлены значения ИИР и соответствующее им время исчерпывания ресурсов основных видов химического сырья, рассчитанные для численности населения 3,56 · 10⁹ человек (графа I) и 10 · 10⁹ человек (графа II).

Табл. 2 Индекс использования ресурсов и время использования ресурсов.

     Из  данных таблицы следует, что разведанные запасы многих видов сырья могут быть исчерпаны уже при жизни ближайших поколений.

2. Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:
• применение более дешёвого сырья (местного, с минимальными затратами на добычу);
• использование вторичных материальных ресурсов (отходов производства и потребления, побочных продуктов других производств);
• использование менее концентрированного сырья (бедных руд);
• комплексная переработка сырья, т.е. метод, при котором в максимальной степени извлекаются и используются все ценные компоненты, содержащиеся в сырье.