Гетерогенно-каталитические процессы

Гетерогенно-каталитические процессы. Гетерогенный катализ на твердом катализаторе. Внешняя и внутренняя поверхность катализатора. Пути развития поверхности катализатора (применение пористых носителей для каталитически активных веществ, целенаправленное получение пористой структуры катализаторов). Классификация пор в структуре адсорбентов и катализаторов. Степень использования внутренней поверхности. Контактные массы и их состав. Технологические характеристики и требования к промышленным катализаторам.

Стадии гетерогенно-каталитических процессов и области их протекания. Микрокинетика гетерогенно-каталитических процессов. Адсорбция на поверхности катализатора. Скорость химического превращения на поверхности катализатора.

Макрокинетика гетерогенно-каталитических процессов. Внешняя и внутренняя диффузия как лимитирующая стадия процесса. Оптимальные форма, размер зерен и пористая структура катализатора.

Выбор оптимального режима гетерогенно-каталитических процессов: температуры, давления, объемной скорости. Пути интенсификации гетерогенно-каталитических процессов.

Химические реакторы

Химические реакторы и их классификация. Требования к химическим реакторам как основному элементу ХТС. Математическое и физическое моделирование химических реакторов. Материальный баланс реакторов, работающих в стационарном и нестационарном режимах. Вывод характеристических уравнений для реакторов идеального смешения и вытеснения.

Каскад реакторов. Аналитический и графический методы расчета реакторов.

Сравнение эффективности работы реакторов, описываемых различными моделями (идеального смешения, идеального вытеснения, каскада). Выбор оптимальной схемы и организации потока в реакторе.

Тепловой баланс реактора. Изотермический, адиабатический, политропический режимы работы реакторов. Уравнение теплового баланса для идеальных реакторов.

Теплообмен в реакторах. Способы осуществления оптимального температурного режима. Выбор типа реактора с учетом теплового режима.

Устройство промышленных реакторов. Реакторы для гомогенных, гетерогенных некаталитических, гетерогенно-каталитических процессов.

Инженерное оформление химико-технологических

Процессов

Инженерное оформление химико-технологических процессов на примерах получения различных химических продуктов(с учетом профиля специальности). Физико-химические основы получения химических продуктов, построение функциональной и технологической схем их получения. Аппаратурное оформление отдельных узлов. Технологический режим, оптимальные условия, технологические параметры.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Вариант 0

1. Классификация химико-технологических процессов.

2. Равновесие химической реакции, факторы, влияющие на состояние химического равновесия.

3. Сравнение реакторов различного типа по интенсивности, селективности и выходу.

Вариант 1

1. Технологические показатели химико-технологического процесса (степень превращения, выход, селективность, производительность, интенсивность, расходные коэффициенты).

2. Пути и способы интенсификации гомогенных процессов.

3. Каскад реакторов, методы расчета каскада реакторов

Вариант 2

1. Классификация вод. Физико-химические показатели качества воды.

2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ – жидкость.

3. Промышленные реакторы для каталитических процессов, виды, характеристика.

Вариант 3

1. Сырье химической промышленности, классификация видов сырья, методы обогащения.

2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ – твердое.

3. Реактор идеального вытеснения; вывод характеристического уравнения.

Вариант 4

1. Основные стадии промышленной водоподготовки. Методы умягчения воды.

2. Способы увеличения движущей силы процесса, коэффициента скорости, поверхности массообмена для систем твердое – твердое, жидкость – твердое, жидкость – газ.

3. Классификация реакторов.

Вариант 5

1. Энергетическая база химической промышленности. Виды используемой энергии, вторичные энергоресурсы, энерготехнологические схемы.

2. Способы увеличения скорости обратимых экзо- и эндотермических реакций.

3. Реактор идеального смешения непрерывный; вывод характеристического уравнения.

Вариант 6

1. Основные направления рационального и комплексного использования сырья и энергии в химической промышленности.

2. Необратимые экзо- и эндотермические реакции. Выбор оптимального технологического режима.

3. Промышленные реакторы для гетерогенных процессов в системе газ – твердое.

Вариант 7

1. Состав и способы получения промышленных катализаторов. Требования к промышленным катализаторам.

2. Влияние температуры, давления, концентрации на степень превращения и скорость процессов различного вида ( обратимых и необратимых, экзо- и эндотермических).

3. Классификация химических реакторов по тепловому режиму, уравнение теплового баланса реактора.

Вариант 8

1. Принципы составления материального баланса химико-технологических процессов.

2. Промышленный катализ, виды катализа. Механизм действия катализаторов. Основные стадии гетерогенного катализа.

3. Промышленные реакторы для гетерогенных процессов в системе газ – жидкость.

Вариант 9

1. Принцип составления энергетического баланса химико-технологических процессов.

2. Реактор идеального смешения периодический; вывод характеристического уравнения.

3. Гетерогенный процесс, его особенности. Стадии гетерогенного процесса. Лимитирующая стадия гетерогенного процесса и способы ее определения.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

Водоподготовка

Благодаря универсальным свойствам вода широко применяется в химической промышленности в качестве сырья, химического реагента, растворителя, теплоносителя, хладоагента.

Качество воды определяется ее физико-химическими характеристиками, основными из которых являются прозрачность, цвет, запах, температура, солесодержание, жесткость, окисляемость, рН и др. В зависимости от назначения воды к ней предъявляются определенные требования по содержанию примесей, которые регламентируются нормативно-технической документацией (ГОСТ, ТУ). Для большинства производств основным качественным показателем служит жесткость, обусловленная содержанием в воде солей кальция и магния. Она выражается в ммоль × экв ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в 1 л воды. Различают три вида жесткости: временную (карбонатную, либо устранимую), постоянную (неустранимую) и общую (сумму временной и постоянной).

Для производственных целей осуществляют предварительную очистку воды. Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс технологических операций, обеспечивающих очистку воды до необходимых требований. Основными операциями являются: очистка воды от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием, коагуляция, умягчение или обессоливание, дегазация и обеззараживание.

Наиболее широко в промышленных масштабах применяются операции умягчения и обессоливания. Для умягчения воды используют следующие методы: физические (кипячение, выпаривание), химические (реагентные: известковый, содовый, натронный, фосфатный), физико-химические (ионный обмен). Для обессоливания используют физический (дистилляция) и физико-химические (электроосмос, ионный обмен) методы.

Пример.Рассчитать массу извести, содержащей 85 % основного вещества (СаО), и соды, содержащей 98 % основного вещества (Na₂CO₃), для умягчения 1000 м³ воды с общей жесткостью 8,5 ммоль × экв/л, в том числе постоянная (некарбонатная) жесткость – 4,0 ммоль × экв/л.

Решение. В процессе умягчения воды известково-содовым методом известь вводится в процесс в виде водного раствора гидроксида кальция, получаемого путем гашения извести водой по реакции

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂. (1)

В процессе умягчения воды гидроксид кальция реагирует с солями временной жесткости с образованием труднорастворимых соединений по следующим реакциям:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + 2Н₂О; (2)

Mg(НСО₃)₂ + 2Са(ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + Mg(ОН)₂¯ + 2Н₂О. (3)

Для определения массы извести необходимо знание величины временной (карбонатной) жесткости, которая находится как разность между общей и постоянной жесткостью:

Ж_К = Ж_О - Ж_Н = 8,5 - 4,0 = 4,5 ммоль × экв/л, или 4,5 моль × экв/м³.

Масса Са(ОН)₂, необходимая для устранения временной жесткости в 1 м³ воды, определяется по формуле

m Са(ОН)₂ = Ж_К × M (1/2Са(ОН)₂),

где M (1/2Са(ОН)₂) – молярная масса эквивалента Са(ОН)₂.

m Са(ОН)₂ = 4,0 × (74 / 2) = 148,0 г/м³ (0,148 кг/м³).

Масса Са(ОН)₂, необходимая для умягчения 1000 м³:

m’Са(ОН)₂ = m Са(ОН)₂ × V H₂O,

где V H₂O – объем умягчаемой воды, м³.

m’Са(ОН)₂ = 0,148 × 1000 = 148,0 кг.

Массу оксида кальция, необходимого для получения 148 кг гидроксида кальция, рассчитываем в соответствии с уравнением реакции (1):

m CаO = m’Са(ОН)₂ × М CаO / М Са(ОН)₂,

где М CаO – молярная масса СаО; М Са(ОН)₂ – молярная масса Са(ОН)₂.

m CаO = 148 × 56 / 74 = 112 кг.

Масса технической извести, необходимой для умягчения 1000 м³ воды, определяется следующим образом:

m _ИЗВ = m CаO × 100 / 85,

где 85 – массовая доля СаО в извести, %.

m _ИЗВ = 112 × 100 / 85 = 131,8 кг.

Сода для умягчения воды вводится для устранения солей постоянной жесткости:

CaCl₂ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + 2NaCl;

CaSO₄ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + Na₂SO₄.

Определим массу Na₂CO₃, необходимого для устранения постоянной жесткости в 1 м³ воды:

m Na₂CO₃ = Ж_П × M (1/2 Na₂CO₃),

где M (1/2 Na₂CO₃) – молярная масса эквивалента Na₂CO₃.

m Na₂CO₃ = 4 × (106 / 2) = 212 г/м³ (0,212 кг/м³).

Определяем массу технической соды, необходимой для умягчения 1000 м³ воды:

m _СОДЫ = (m Na₂CO₃ / Х Na₂CO₃) × VH₂O,

где Х Na₂CO₃ – массовая доля Na₂CO₃ в соде; V H₂O – объем умягчаемой воды, м³.

m _СОДЫ = 0,212 / 0,98 × 1000 = 216,3 кг.

Вариант 0

Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава. Определить массу известкового молока и технической соды, необходимых для умягчения воды.

Вариант 1

Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава, а также массу фосфата натрия (Na₃PO₄ × 12H₂O), необходимого для ее умягчения.

Вариант 2

Определить продолжительность работы катионитового фильтра без регенерации до исчерпания обменной способности.

Вариант 3

Рассчитать массу известкового молока и раствора соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.

Вариант 4

Определить массу каустической соды, необходимой для устранения карбонатной жесткости. Определить, на сколько изменится общая жесткость воды после устранения карбонатной жесткости.

Вариант 5

Рассчитать объем катионита, необходимого для умягчения воды в течение заданного времени.

Вариант 6

Определить массу известкового молока для умягчения воды заданного состава

Вариант 7

Рассчитать массу соляной кислоты, необходимой для перевода карбонатной жесткости в некарбонатную. Чему будет равна после этого некарбонатная жесткость?

Вариант 8

После кипячения пробы воды в течение 1 часа ее жесткость уменьшилась на Х ммоль × экв/л. Определить массу гашеной извести и технической соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.

Вариант 9

Для обессоливания воды ее последовательно пропускают через Н-катионит и ОН-анионит. Определить объем Н-катионита, который необходим для удаления из воды имеющихся катионов в течение заданного времени.

• ⇐ Назад
• 123
• 4
• 5
• Далее ⇒