Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии (стр. 9 из 16)
40 с, а энергия активации 125,5 кДж/моль?
2. В загрязненном воздухе содержится примесь монооксида углерода, который образуется при неполном сгорании твердого топлива и работе двигателей внутреннего сгорания. Монооксид углерода медленно окисляется кислородом воздуха до диоксида углерода. Допустим, что при определенных условиях скорость такой реакции составляет 0,05 моль/л*с, а концентрация диоксида углерода равна 0,2 моль/л*с. Рассчитайте концентрацию диоксида углерода через 10 с после указанного момента.
3. Один из важных видов сырья для органического синтеза — так называемый водяной газ, представляющий собой смесь водорода и монооксида углерода. Эту смесь получают при пропускании водяного пара через башни, наполненные раскаленным углем. Из водяного газа получают метанол, формальдегид и другие вещества. Рассчитайте значение константы скорости реакции получения водяного газа, если при концентрации водяного пара, равной 0,03 моль/л скорость реакции составляет 6,1 • 10 -5 моль/л*с.
4. В реакции А + В → С с общим порядок равным 1, k1 = 5*10-5 c-1 Определите концентрации веществ А и В и скорость через 1 час и через 5 ч, если начальная концентрации А составляет 0,2 моль/л.
5. Причиной появления опасного для здоровья тумана (смога) считают образование большого количества выхлопных газов автомобилей при высокой влажности воздуха. В смоге присутствует ядовитый диоксид азота, который получается при реакции монооксида азота с атомарным кислородом. Рассчитайте скорость этой реакции, если через 5 мин после начала наблюдений концентрация диоксида азота была равна 0,05 моль/л, а через 20 мин - 0,08 моль/л.
6. Уравнение реакции омыления уксусноэтилового эфира:
СН2СООС2Н5 + NаОН = СН3СООNa+ С2Н5ОН
Исходные концентрации реагирующих веществ до начала реакции были: [СН3СООС2Н5] =0,50 моль/л, [NаОН] = 0,25 моль/л. Определить, как и во сколько раз изменится скорость реакции в момент, когда концентрация [СН3СООС2Н5] стала равной 0,30 моль/л.
7. Атмосферные загрязнения, например фторированные и хлорированные углеводороды — фреоны (СС13F, СС12F2, СС1F3), разрушают защитный озоновый слой Земли. Фреоны химически стабильны в нижних слоях атмосферы, но в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и взаимодействует с озоном. Рассчитайте скорость такой реакции с образованием кислорода и монооксида хлора, если через 15 с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,30 моль/л, а через 35с (от начала реакции) стала равна 0,15 моль/л.
8. За реакцией дегидрирования бутана, протекающей по уравнению
С4Н10 → С4Н8 + Н2 при температуре 800 К, следили по объему реагирующих газов, занимаемому ими при давлении 101 кПа и 293 К. Объем реактора 0,2 л, скорость протекания реакции равна 1,33 • 10-2 кПа/с. Рассчитайте, через какое время после начала реакции изменение объема достигнет 0,01 л.
9. Рассчитайте изменения константы скорости реакции, имеющей энергию активации 191 кДж/моль, при увеличении температуры от 330 до 400 К.
10. Вычислите порядок реакции и константу скорости, если при изменении начальной концентрации с 0,502 моль/л до 1,007 моль/л время полупревращения уменьшится с 51 с до 26 с.
11. Для реакции омыления уксусно-этилового эфира при большом избытке воды константа скорости при 20ºС равна 0,00099 мин-1, а при 40С ее величина составляет 0,00439 мин-1. Определите энергию активации и константу скорости реакции при 30ºС.
3.2 Технико-экономические показатели химических производств
Значение химии становится особенно ясным, когда изучаемый материал связывается с практическими вопросами. Один из способов его связи с жизнью — решение задач на темы с производственны содержанием. Для химической промышленности, как отрасли материального производства имеет значение технический и экономический аспекты, от которых зависит нормальное функционирование производства. Технико-экономические показатели (ТЭП) отражают возможности предприятия выпускать продукцию заданной номенклатуры и качества, удовлетворяющий требованиям заказчика, и в заданном количестве. Они являются критериями, позволяющий установить экономическую целесообразность организации данного производства и его рентабельность.
Рентабельность процесса производства характеризуется следующими ТЭП: степень превращения, выход продукта, селективность, производительность, мощность и интенсивность аппаратуры, практический и теоретический расходный коэффициент.
В этом разделе рассматриваются задачи следующих типов:
1. Задачи, в которых обращается внимание на получение вещества или на применение его в производственных условиях.
2. Задачи на определение выхода получаемого вещества по отношению к теоретическому.
3. Задачи, вскрывающие химическую сторону технологии производства и требующие составления уравнения реакции по которой оно протекает.
4. Задачи, в которых обращается внимание на масштабы производства или размеры аппаратуры (башен, камер, колонок) и т. п.
Степень превращения( 
) – это отношение количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному количеству вещества. Допустим, протекает простая необратимая реакция типа А → В. Если обозначить через
исходное количество вещества А, а через 
- количество вещества А в данный момент, то степень превращения реагента А составит 
(2.1)Чем выше степень превращения, тем большая часть исходного сырья вступила в реакцию и полнее прошел процесс химического превращения.
Выход продукта (η) является показателем совершенства процесса и показывает отношение количества фактически полученного количества того или иного продукта к его теоретическому количеству.
; 
(2.2), (2.3)Производительность аппарата (П) определяет количество готового продукта m фактически вырабатываемый в единицу времени tпри заданных условиях процесса производства. Измеряется т/сут, тыс.т/год, кг/ч, нм3/сут.
(2.4)
Интенсивность аппарата – производительность, отнесенная к единице полезного объема или к единице полезной площади. Измеряется кг/м3и кг/м2
или 
(2.5), (2.6)
Максимально возможная производительность аппарата при оптимальных условиях процесса производства называется его мощностью W
W=Пmax(2.7)
Селективность – отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов, полученных в данном процессе, или к массе превращенного сырья за время t.
Если А → В, А → С, где В – целевой продукт, С – побочный продукт, то уравнение имеет следующий вид:
(2.8)Это отношение скорости превращения вещества А в целевой продукт к общей скорости расхода вещества А.
Расходный коэффициент Кр определяет расходы сырья, воды, топлива, электроэнергии пара на единицу произведенной продукции
(2.9)Gисх – затраты сырья, топлива, энергии при производстве продуктав количестве G. Измеряется в т/т, нм3/т, нм3/ нм3, кВт*ч/т.
Примеры решения задач
1. Сколько теоретически можно получить чугуна, содержащего 3% углерода и 3% других элементов, из 1 т железной руды, содержащей 80% железа?
Из каждой тонны железной руды, содержащей в среднем 80% магнитного железняка, выплавляют 570 кг чугуна, содержащего 95% железа. Каков был выход железа от теоретического?
Решение:
М(Fе3О4) = 232 г/моль
М(Fе) = 56 г/моль
Записываем формулу определения η(Fе):
Обеих величин в условии нет. Но m(Fе)пр можно рассчитать по массе чугуна и массовой доле железа в нем:
m(Fе)пр = 570 кг • 0,95 = 541,5 кг.
Сразу теоретическую массу железа по условию не вычислить. Можно найти массу магнитного железняка по массе руды и содержанию в ней массовой доли железняка:
m(Fе3О4) = 1000 кг • 0,8 = 800 кг.
По вычисленной массе магнитного железняка и его формуле найдем массу железа в нем:
800 > 232 в 3,45 раза => m(Fе) будет > 168 (56 • 3) тоже в 3,45 раза, т. е.
M(Fе) = 168 • 3,45 = 579,6 (кг).
Подставляя полученные значения практической и теоретической массы железа в первоначальную формулу, получим выход железа:
η(Fе) = 
Ответ: η(Fе) =93,4%.
2.Для получения формальдегида метиловый спирт необходимо окислить на серебряном катализаторе: СН3ОН + 0,5О2 = СН2О + Н2О. Кроме основных реакций протекают и побочные. Предположим, что на окисление подается 3,2 кмоль метилового спирта. Их них образовалось 1,8 кмоль формальдегида, 0,8 моль – побочных продуктов (суммарно) и остались неокисленными 0,6 кмоль метилового спирта. Необходимо найти степень превращения метилового спирта, выход формальдегида и селективность.