Методичка лабы ОХТ. Практикум москва 2019
 Скачать 2.89 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МИРЭА – РОССИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРАКТИКУМ Москва — 2019 УДК 66.0 (075) ББК я О 75 Основы химической технологии Электронный ресурс Практикум. — М МИРЭА – Российский технологический университет, 2019. — 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) Практикум разработан в помощь студентам, выполняющим лабораторные работы по тематике Технология производства органических и неорганических веществ. Предназначено для студентов бакалавриата направлений Химия, Химическая технология, Биотехнология, Материаловедение технологии материалов, Стандартизация и метрология. Описание каждой работы сопровождается кратким теоретическим введением. Издание дополнено и переработано в соответствии с новыми учебными планами. Практикум издается в авторской редакции. Авторский коллектив Брук Лев Григорьевич, Егорова Екатерина Владимировна, Калия Олег Леонидович, Кацман Евгений Александрович, Пермякова Наталия Анатольевна, Путин Алексей Юрьевич, Устюгов Александр Викторович, Цыганков Владимир Николаевич, Шварц Александр Леонидович. Рецензент Флид Виталий Рафаилович, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой физической химии имени ЯК. Сыркина ИТХТ имени МВ. Ломоносова РТУ МИРЭА Минимальные системные требования Наличие операционной системы Windows, поддерживаемой производителем. Наличие свободного места в оперативной памяти не менее 128 Мб. Наличие свободного места в памяти хранения (на жестком диске) не менее 30 Мб. Наличие интерфейса ввода информации. Дополнительные программные средства программа для чтения файлов (Adobe Reader). Подписано к использованию по решению Редакционно-издательского совета МИРЭА – Российского технологического университета от ___ __________ 2019 г. Объем ___ Мб Тираж 10 © МИРЭА – Российский технологический университет, 2019 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................... 4 РАЗДЕЛ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ХТП) И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХТП .............................................................................................. 5 1.1. Классификация химико-технологических процессов. 5 1.2. Основные технологические критерии эффективности ............................................ 13 1.3. Материальный баланс ХТП ...................................................................................... 19 1.4. Технологические параметры ХТП ............................................................................ 22 РАЗДЕЛ 2. ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ............................. 25 2.1. Каталитическое окисление аммиака ........................................................................ 25 2.2. Электрохимическое получение гидроксида натрия, хлора и водорода диафрагменным методом ................................................................................................. 41 2.3. Контактное окисление оксида серы) ................................................................... 61 РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ................................... 73 3.1. Получение альдегидов и кетонов окислительным дегидрированием спиртов ...... 73 3.2. Получение бутадиена (дивинила) из этанола по методу СВ. Лебедева .......... 92 3.3. Получение низкомолекулярных алкенов пиролизом фракций нефти .................. 105 РАЗДЕЛ 4. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ................................................ 119 СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ ........................................................................................ 126 4 ВВЕДЕНИЕ Лабораторный практикум предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям Химия, Химическая технология, Материаловедение, Биотехнология, «Техносферная безопасность в рамках изучения дисциплин Общая химическая технология, Химическая технология, Основы химической технологии Практикум состоит из двух циклов, посвященных технологии производства неорганических веществ и технологии производства органических веществ. В каждом цикле потри лабораторные работы. Цикл, связанный с производством неорганических веществ, включает работы Каталитическое окисление аммиака (первая стадия технологии производства азотной кислоты, Электрохимическое получение гидроксида натрия, хлора и водорода диафрагменным методом и расчётную работу Контактное окисление оксида серы (вторая стадия технологии производства серной кислоты. Второй цикл включает работы Получение альдегидов и кетонов окислительным дегидрированием спиртов, Синтез бутадиена по методу СВ. Лебедева», Получение низкомолекулярных алкенов пиролизом фракций нефти. Первый раздел содержит информацию о классификации химико- технологических процессов (ХТП), технологических критериях эффективности и других характеристиках ХТП. Второй и третий разделы содержат описания физико-химических основ ХТП, являющихся объектами исследования в лабораторных работах данного цикла, описание методик проведения соответствующих лабораторных работ и аналитического сопровождения. Описание каждой лабораторной работы заканчивается заданием для расчётов материального баланса и показателей процесса, а также списком рекомендуемой литературы. Четвёртый раздел включает краткие сведения о газовой хроматографии и устройстве газового хроматографа с детектором по теплопроводности. В результате выполнения лабораторных работ и соответствующих расчётов студенты получают представление о технологии производства важных продуктов основного органического и неорганического синтеза, а также навыки проведения технологического эксперимента и расчётов материального баланса и характеристик промышленных процессов 5 РАЗДЕЛ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ХТП) И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХТП 1.1. Классификация химико-технологических процессов Химико-технологический процесс (ХТП) – это совокупность физических и химических процессов, направленных на превращение исходных реагентов сырья) в необходимые для дальнейшей переработки или потребления вещества целевые продукты. ХТП классифицируют по сочетанию признаков, характеризующих типы процессов, лежащих в их основе, и по способу их осуществления. Эта классификация важна, поскольку тип ХТП определяет выбор условий и способа его реализации, в частности, температуры, давления, типа реактора, необходимость рециркуляции реагентов и т.д. В ХТП можно условно выделить часть, связанную с химическими превращениями – реакционную систему, и часть, включающую в основном физические процессы, направленные на выделение и очистку продуктов процесса. В практикуме Основы химической технологии основное внимание уделено химической составляющей ХТП. В связи с этим под обозначением «ХТП» будем подразумевать, в основном, реакционную систему. Основными признаками химического превращения являются а) химизм, включающий информацию о степени сложности протекающих реакций, их количестве и стехиометрии б) особенности термодинамики в) кинетические закономерности протекания ХТП; г) фазовая характеристика реакционной системы, в которой реализуют ХТП. Сточки зрения химизма ХТП делят на простые и сложные. Простой ХТП можно описать одним стехиометрическим уравнением превращения исходных реагентов, например, Аи В в продукты Р и R (1.1): аА вВ rR pP (1.1) где а, в, r и p – стехиометрические коэффициенты. При этом не все продукты основной реакции могут представлять одинаковую практическую ценность, поэтому их делят на целевые и побочные, которые могут найти применение или являться отходами производства. Сложный ХТП описывают более чем одним стехиометрическим уравнением, те. кроме основной реакции протекают параллельные, 6 последовательные и параллельно-последовательные превращения реагентов и продуктов. В результате протекания побочных реакций также образуются побочные продукты. Таким образом, сложный сточки зрения стехиометрии ХТП всегда включает основную реакцию, дающую целевые продукты (иногда вместе с побочными) и побочные реакции, приводящие к образованию побочных продуктов. С термодинамической точки зрения ХТП делят на необратимые и обратимые, экзотермические и эндотермические. Необратимыми (односторонними) ХТП называют процессы, равновесие основной реакции которых практически полностью смещено в сторону образования продуктов во всем доступном для ХТП диапазоне изменения температуры и давления. Константа равновесия необратимого процесса остается больше чем 10 2 во всем доступном диапазоне условий. Необратимыми можно считать и процессы, равновесие которых во всём диапазоне доступных для ХТП условий практически полностью смещено в сторону исходных реагентов (константа равновесия очень мала. Такие процессы называют запрещенными по термодинамическим соображениям. Они не представляют практического интереса. Обратимый (двухсторонний) ХТП – это процесс, на положение равновесия которого можно в заметной степени повлиять изменением условий проведения. Если в результате удается подобрать условия проведения ХТП таким образом, чтобы константа равновесия имела величину или больше, а равновесный выход целевого продукта был близок кили кв долях) (см. ниже, то процесс называют обратимым смещенным. Если константа равновесия и равновесный выход продуктов основной реакции не достигают указанных значений в выбранных условиях проведения, то ХТП считают обратимым несмещенным. При разработке технологии необратимых процессов не возникает вопросов, связанных с термодинамическими ограничениями, и разработчики более свободны в выборе условий (см. ниже. При организации ХТП необходимо учитывать тепловой эффект протекающих реакций. Тепловой эффект реакции (Q) и изменение энтальпии Н) одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Реакции, протекающие с выделением тепла, называют экзотермическими (Q > 0, Н < 0), реакции, приводящие к поглощению тепла – эндотермическими (Q < 0, Н > 0). Тепловой эффект ХТП складывается из тепловых эффектов основной и побочных реакций. Если сумма тепловых эффектов положительна, те. 7 преобладают реакции, протекающие с выделением тепла, то ХТП является экзотермическим. Если преобладающий вклад в суммарный тепловой эффект вносят реакции, протекающие с поглощением тепла, то ХТП – эндотермический Часто под тепловым эффектом ХТП имеют ввиду тепловой эффект целевой реакции. Очевидно, для экзотермических ХТП необходимо обеспечить теплоотвод при соблюдении оптимального температурного режима в реакционной зоне или организовать автотермический режима для эндотермических процессов – решить проблему теплоподвода. Знаком и величиной теплового эффекта в значительной мере определяется выбор температурного режима проведения ХТП. С этой точки зрения различают изотермические и автотермические процессы. Первые проводят при постоянной температуре, отводя тепло экзотермических реакций и подводя тепло в случае эндотермических процессов. В случае экзотермических процессов наиболее экономичен вариант, при котором выделяющееся тепло расходуется на поддержание оптимальной для данного ХТП температуры. В последнем случае реактор изолируют для уменьшения потерь тепла в окружающую среду. Такие реакторы и процессы называют также адиабатическими. В автотермических процессах рационально используют тепло, выделяющееся при протекании реакций, и существенно упрощается устройство реактора. Константа равновесия связана с изменением стандартного изобарно- изотермического потенциала реакции уравнением (1.2): ΔG° = Н – Т = – RT lnK (1.2) Отсюда следует связь константы равновесия реакции и температуры изобара Вант-Гоффа) (1.3): 𝒍𝒏𝑲 = ∆𝑺 ° 𝑹 − ∆𝑯 ° 𝑹𝑻 (1.3) Это уравнение позволяет проводить термодинамический анализ реакционных систем при известных или рассчитанных по справочным данным изменениях стандартных энтальпии Ни энтропии (ΔS°) реакции. Равновесный выход продукта реакции или равновесная степень превращения реагента – это доля исходного реагента, превратившегося в продукты реакции к моменту достижения равновесия. Равновесный выход - величина более информативная в практическом плане, чем величина константы равновесия, поскольку это максимально достижимый выход в данных условиях. 8 Связь равновесного выхода и константы равновесия определяется видом уравнения реакции. Покажем алгоритм нахождения этой связи на примере реакции получения метанола из синтез-газа (1.4): СОН СН 3 ОН (Предположим, что исходная смесь газов содержит 1 моль СО и 2 моля водорода (стехиометрическое соотношение. Метанол в исходной смеси отсутствует. Обозначим равновесный выход метанола на монооксид углерода буквой x. Тогда к моменту установления равновесия в равновесной газовой смеси содержится (1 – x) молей СО, (2 – 2x) молей Ни молей СН 3 ОН (из каждого исходного моля СО часть, равная х, превратилась в метанол) табл. 1.1). Таблица 1.1 – Равновесный состав системы получения метанола из синтез-газа Состояние системы СОН СН 3 ОН Исходная смесь, моль 1 2 0 Равновесная смесь, моль 1 – х 2 – х х Для того, чтобы связать константу равновесия (1.5) с равновесным выходом, выразим парциальные давления веществ, присутствующих в равновесной системе, через равновесный выход. Для этого воспользуемся выражением (1.6): 𝑲 𝑷 = 𝑷 𝑪𝑯𝟑𝑶𝑯 𝑷 𝑪𝑶 ∙ 𝑷 𝑯𝟐 𝟐 (1.5) 𝑷 𝒊 = 𝑵 𝒊 ∙ 𝑷 (1.6) где Р – парциальное давление ого вещества, P – общее давление в системе, Ni – мольная доля ого вещества ( 𝑵 𝒊 = 𝒏 𝒊 ∑ 𝒏 𝒊 − отношение количества молей данного вещества к сумме молей всех веществ, присутствующих в данной фазе системы, для данного случая ni = 3 – 2x). Тогда для рассматриваемого примера выражение для константы равновесия (1.5) перепишем с учетом выражений для парциальных давлений веществ (1.7, 1.8, 1.9): ) x 2 3 ( x P ) x x 2 2 x 1 ( x P P N P OH CH OH CH 3 3 (1.7) ) x 2 3 ( ) x 1 ( P P CO (1.8) 9 ) x 2 3 ( ) x 2 2 ( P P 2 H (1.9) После сокращений и преобразований получим (1.10): 3 2 2 3 3 3 P ) x 1 ( P 4 ) x 2 3 ( x ) x 2 3 ( ) x 1 ( P 4 ) x 2 3 ( x P K (1.10) Уравнения типа (1.10) позволяют не только исследовать взаимосвязь температуры и равновесного выхода (совместно с уравнением 1.3), но и определить чувствительность равновесного выхода к изменению давления (при постоянной температуре и константе равновесия. Так, легко показать, что для вышеприведенного примера величина константы равновесия и равновесный выход будут уменьшаться с увеличением температуры (Ни равновесный выход будет увеличиваться при увеличении давления (реакция протекает в газовой фазе с уменьшением количества молей. Причем, при малых х (х << 1) равновесный выход будет увеличиваться пропорционально Р 2 В первом приближении можно считать, что константа равновесия не зависит от давления и является функцией только температуры. Это совершенно верно при относительно низких давлениях и высоких температурах. При высоких давлениях законы для идеальных газов перестают описывать наблюдаемые зависимости. Для сохранения возможности пользоваться простыми законами были введены понятия активности (𝒂 𝒊 ) и коэффициента активности (𝜸 𝒊 ). Взаимосвязь активности и давления выражается уравнением (1.11). 𝒂 𝒊 = 𝑷 𝒊 ∙ 𝜸 𝒊 (1.11) А константа равновесия реакции, протекающей под давлением, должна выражаться через активности компонентов. Например, для реакции синтеза метанола из синтез-газа выражение для константы равновесия с использованием равновесных активностей и коэффициентов активностей выглядит следующим образом (1.12). 𝑲 𝒂 = 𝒂 𝑪𝑯𝟑𝑶𝑯 𝒂 𝑪𝑶 ∙ 𝒂 𝑯𝟐 𝟐 = 𝑷 𝑪𝑯𝟑𝑶𝑯 ∙ 𝜸 𝑪𝑯𝟑𝑶𝑯 𝑷 𝑪𝑶 ∙ 𝜸 𝑪𝑶 ∙ 𝑷 𝑯𝟐 𝟐 ∙ 𝜸 𝑯𝟐 𝟐 = 𝑲 𝑷 ∙ 𝑲 𝜸 (1.12) Поскольку при расчете по формулами) получают значение термодинамической константы равновесия Ка, а для расчета равновесного выхода необходимо значение измеряемой константы Кто необходимо для процессов, протекающих под давлением, рассчитывать К, так как эта величина 10 в этом случае будет отличаться от единицы. Для этого используют различные подходы, описанные в литературе по химической термодинамике. Таким образом, на величину константы равновесия реакции влияет температура в зависимости от знака теплового эффекта. Давление может влиять на величину К только через изменение К. На величину равновесного выхода влияет температура (через значение К, общее давление и соотношение концентраций (парциальных давлений веществ. Избыток одного реагента приводит к увеличению степени превращения другого(-их) реагента(-ов) и к уменьшению степени превращения реагента, находящегося в избытке. Большая величина константы равновесия и отсутствие термодинамических ограничений ( |