Контрольная работа по "Химии"

Вариант 18

 

1. Описать значение и область применения промышленного катализа. Сущность и виды катализа.

 

Каталитические  процессы в настоящее время составляют основу химической технологии, причем область их применения расширяется: около 90% новых производств, освоенных  за последние годы химической промышленностью, основаны на взаимодействии, протекающем в присутствии катализаторов.

Под катализом  понимают изменение скорости химических реакций под воздействием веществ  —катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются после его окончания химически неизменными. Катализ называется положительным, если катализатор ускоряет реакции, и отрицательным, если скорость реакции под воздействием катализатора снижается.

Применение  катализаторов облегчает практическое осуществление Многих химических реакций; скорость некоторых из них увеличивается в тысячи и даже миллионы раз. Очень многие промышленные процессы удалось осуществить только благодаря применению катализаторов.

К числу каталитических процессов относятся важнейшие  крупнотоннажные производства, например такие, как получение водорода, аммиака, серной и азотной кислот и многих других важнейших химических продуктов. Особенно велико и разнообразно применение катализа в технологии органических веществ и в производстве высокомолекулярных соединений.

Отрицательный катализ применяется значительно  реже: катализаторы, замедляющие скорость процесса, называют также ингибиторами.

Катализаторами  могут быть вещества, находящиеся  в любом из трех агрегатных состояний. К твердым катализаторам можно  отнести металлы и их оксиды, например Fe при синтезе аммиака, Pt при окислении аммиака, V₂0₅ при окислении SO₂, А1₂0₃ при крекинге нефтепродуктов и др.

Жидкими катализаторами служат обычно кислоты и основания, например, H₂SO₄ и Н₃РО₄ применяются при алкилировании ароматических углеводородов, при изомеризации н-бутилена в изобутилен и др.

Примером  газообразных катализаторов может  служить BF₃ в процессах полимеразиции некоторых углеводородов.

Каталитические- процессы можно разделить на две  группы: гомогенные и гетерогенные. В гомогенно-каталитических реакциях реагирующие вещества и катализатор  составляют одну фазу, а в гетерогенно-каталитических реакциях — разные фазы. В особую группу выделены микрогетерогенные  и ферментативные каталитические процессы. Микрогетерогениый катализ происходит в жидкой фазе с участием коллоидных частиц металлов в качестве катализаторов. Ферментативный катализ наблюдается в биологических системах с участием сложных комплексов (часто белковой природы), называемых ферментами.

Каталитические  реакции подчиняются общим законам  химии и термодинамики, но имеют  при этом свои особенности, так как  в них всегда участвует один дополнительный компонент — катализатор. Действие катализаторов принципиально отличается от действия других факторов, способствующих интенсификации химических реакций, например, температуры, давления, радиационного воздействия и др. Повышение температуры может ускорять реакцию вследствие увеличения энергетического уровня реагирующих молекул, т. е. их активации за счет вводимого извне тепла. При этом изменяется внутренняя энергия системы и смещается положение равновесия.

Катализатор же не влияет ни на равновесие химической реакции, ни на все другие термодинамические характеристики реакций. Изменяя в равной степени скорость прямой и обратной реакций, катализатор способствует повышению скорости достижения равновесия при данных условиях.

Теория каталитических процессов относится к числу сложных и недостаточно полно изученных областей современной физической химии. В настоящее время еще нет общей теории, позволяющей предвидеть каталитическое действие различных веществ на ту или иную химическую реакцию. Существует несколько теорий, объясняющих механизм действия катализаторов, из которых наиболее распространенной теорией, служащей основой современных представлений о катализе, является теория промежуточных соединений.

Согласно этой теории, медленную реакцию между  исходными веществами можно заменить двумя или несколькими более  быстрыми реакциями с участием катализатора, который образует с исходными веществами промежуточные непрочные соединения. Ускоряющее действие катализатора состоит в понижении энергии активации реакций образующихся промежуточных соединений, что оказывает очень сильное влияние на скорость реакции. При практическом применении большое значение имеет технологическая характеристика промышленных катализаторов (активность, температура зажигания, производительность, селективность, отравляемость, прочность и др.).

 

2. Описать технологию получения азотоводородной смеси методом паровоздушной конверсии метана.

 

Блок-схема отделения паровоздушной  конверсии природного газа в технологической  нитке производства аммиака приведена  на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема отделения  конверсии природного газа в агрегате по производству аммиака: 1 – аппарат гидрирования сераорганических соединений; 2 – адсорбер сероводорода; 3 – печь первичного реформинга природного газа (трубчатая печь (Т.П.); 4 – реактор вторичного реформинга (шахтный реактор (Ш.Р.); 5, 6 – конвертеры монооксида углерода I и II ступени; 7 – блок очистки от СО₂ ; 8 – метанатор; ТО – теплообменники.

Природный газ вначале проходит через аппараты 1, 2 очистки от сераорганических соединений. В аппарат 1 подается часть производимого в отделении конверсии потока азотоводородной смеси; содержащие серу соединения реагируют с водородом, образуя сероводород, который удаляется из смеси в аппарате 2 при взаимодействии с оксидом цинка, либо адсорбцией на цеолите. Очищенный природный газ смешивается с водяным паром и поступает в реакционные трубы печи первичного реформинга 3 (трубчатой печи), заполненные никелевым катализатором. Здесь происходит превращение большей части СН₄ и сопутствующих углеводородов в смесь Н₂ , СО и СО₂. Итоговые уравнения основных реакций, протекающих в трубчатой печи можно записать в виде:

СН₄ + Н₂О  3 Н₂ + СО (1)

СО + Н₂О  Н₂ + СО₂ (2)

Суммарный процесс: СН₄ + 2Н₂О  4 Н₂ + СО₂ (3)

Реакция (1) идет с поглощением теплоты, реакция (2) – с ее выделением. Суммарный  тепловой эффект процесса определяется эндотермической реакцией (1), необходимая  теплота подводится к реакционным  трубам от сжигаемого в межтрубном пространстве природного газа.

Вслед за первичной конверсией природного газа проводится паровоздушная конверсия  остаточного количества углеводородов (вторичный реформинг) в шахтном реакторе 4. Данный аппарат выполняет в рассматриваемой схеме две важные функции: увеличение степени конверсии метана за счет значительного повышения температуры по сравнению с температурой, достигаемой в тепловой печи, и приготовление смеси газов с необходимым содержанием азота для последующего синтеза аммиака. В шахтном реакторе, загруженном никелевым катализатором, последовательно протекают реакции окисления горючей смеси газов кислородом воздуха, подаваемого на входе шахтного реактора, и реакции (1), (2). Среди реакций окисления превалирует реакция

2 Н₂ + О₂ 2 Н₂О , (3)

протекающая до полного исчерпывания кислорода. Реакция (3) преобладает среди  других реакций окисления, так как  в газовой смеси, поступающей  в шахтный реактор, количество водорода значительно превышает количество других горючих газов.

Обе функции шахтного реактора обеспечиваются за счет парадоксального на первый взгляд решения – сжигания части  полученного на предыдущей стадии продукта в объеме реактора. В результате происходит адиабатный разогрев смеси, температура резко возрастает, вследствие чего и повышается степень конверсии  метана. Весь кислород, содержащийся в  подаваемом в шахтном реакторе воздухе, расходуется, и в смеси с продуктами конверсии остаются только другие компоненты воздуха – азот и аргон. Поэтому  для приготовления азотоводородной смеси в данной схеме отпадает необходимость в выделении азота из воздуха путем его сжижения и низкотемпературной ректификации.

Выходящая из шахтного реактора смесь  после ступенчатого промежуточного охлаждения последовательно проходит реакторы 5 и 6, в которых происходит практически полная конверсия метана с образованием водорода на селективных катализаторах ( I ступень конверсии в реакторе 5 – на среднетемпературном железо-хромовом катализаторе и II ступень в реакторе 6 – на низкотемпературном цинк-хром-медном катализаторе ), обеспечивающих избирательное протекание реакции (2) при заторможенной реакции (1). Далее полученная азотоводородная смесь освобождается от углекислого газа абсорбцией раствором моноэтаноламина или бикарбоната калия в технологическом блоке 7. Оставшиеся в смеси незначительные примеси оксидов углерода, являющихся ядами для катализатора синтеза аммиака, нейтрализуют во вспомогательном каталитическом реакторе – метанаторе 8, в котором реакции (1) и (2) протекают справа налево, превращая оксиды углерода в метан, инертный по отношению к катализатору синтеза аммиака. Из метанатора очищенная азотоводородная смесь идет в отделение синтеза аммиака, небольшая часть смеси поступает в головной аппарат 1 схемы.

 

3. Определить количество чугуна, содержащего 95% железа, который можно получить из железной руды (Fe₃O₄), если расход руды составляет 15 тонн, а степень превращения руды 81%.

Решение:

Чугун получают по реакции  восстановления тетраоксида трижелеза моноксидом углерода по реакции:

Fe₃O₄+ 4CO →3Fe+4CO₂

Mr (Fe) =56; Mr (Fe₃O₄) =232

Исходя из содержания целевого компонента в продукте и степени  конверсии сырья, найдем массу образующегося  чугуна:

m (чугуна) =

Ответ: m (чугуна) = 9261,3 кг.

 

4. Определить массу жженой извести, содержащей 91% СаО, которая может быть получена из карбоната кальция. Расход карбоната 8 т. Степень превращения карбоната кальция 91%.

Решение:

Жженую известь получают по реакции разложения карбоната  кальция:

СаСО3 →СаО+CO₂

Mr (СаО) =56; Mr (СаСO₃) =100

Исходя из содержания целевого компонента в продукте и степени  конверсии сырья, найдем массу образующейся жженой извести:

m (жженой извести) =

Ответ: m (жженой извести) = 4480 кг.

 

5. Составить материальный баланс производства 100т азотной кислоты. Содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси 3%об. Степень окисления аммиака 89%.

Решение:

Азотную кислоту получают окислением аммиака  кислородом воздуха с последующей переработкой образующихся окислов азота.

Балансовое  уравнение производства азотной  кислоты из аммиака можно записать следующим образом:

NH₃ + 2О₂ = НNО₃ + Н₂О + 411,2 кДж/моль

Окисление аммиака до окиси азота производят на платиновом или окиснохромовом катализаторе.

Затем окись азота окисляют до двуокиси и последнюю поглощают водой и азотной кислотой.

В соответствии с балансовым уравнением из 1 кмоль NH₃ образуется 1 кмоль НNO₃. Количество аммиака, необходимое для производства 100 т НNO₃  составит

 т = 30319 кг,

где молекулярная масса: НNO₃ – 63; NH₃ – 17

Расход воздуха  на 1 т НNO₃ составит

 кг

 

В том числе:

кислорода

 кг

азота

 кг

 

Образуется  по реакции          NH₃ + 2О₂ = НNО₃ + Н₂О

воды

 кг

Расходуется кислорода

 кг

расходуется аммиака

 кг

Непрореагировало аммиака

30319-26984=3335 кг

непрореагировало кислорода

205868-101587=104281 кг

 

Результаты  расчетов сведены в таблицу.

 

 

Материальный  баланс на 100 т HNO₃

 

Приход		Расход
исходное вещество	кг	продукт	кг
Аммиачно-воздушная смесь: NH3общ. О2общ. N2	30319 205868 774455	НNO3 NH3непр. О2непр. N2 Н2О	100000 3335 104281 774455 28571
Итого	1010642	Итого	1010642

 

6. Рассчитать производительность печи пылевидного обжига колчедана, если ее диаметр 5,2 м, высота 9 м, а интенсивность 1100 кг/(м³*сут).

Решение:

Объем печи составляет

V=h=191,13 м³

Найдем производительность печи

=1100 · 191,13 = 210,13 т/сут  = 8760 кг/ч

 

 

 

Вариант 19

 

1.Описать методы производства водорода конверсией 
углеводородных газов. Привести сравнительный анализ этих методов.