ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №1
ВВЕДЕНИЕ:
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОС ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА. РАСХОДНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ. ВЫХОД ПРОДУКТА.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример1. Запасы угля Боготольского месторождения Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса составляют 6940 млн. т. Определите объем диоксида серы (н.у.), который будет загрязнять воздух при полном использовании всех запасов этого угля в качестве энергетического топлива. Массовая доля серы в угле в среднем 0,8%. Какую массу 100%-ной серной кислоты можно получить из дымовых газов, если бы 15% всего SO2 удалось уловить?
Решение:
Реакции протекают по уравнениям:
S + O2 = SO2;
2SO2 + O2 = 2SO3;
SO3 + H2O = H2SO4.
Масс серы, вступившей в реакцию, равна:
m(S) = m(S) · ω(S) = 6940 · 109 · 0,008 = 55,52 · 109 кг, где ω(S) – массовая доля серы в каменном угле.
Количество серы, вступившей в реакцию, равно
ν(S)р = m(S) / M(S) = 55,52 · 109 / 32 = 1,735 · 109 кмоль.
Согласно первому уравнению количество диоксида серы, образующегося в результате сгорания каменного угля, равно:
ν(SO2)1 = ν(S) = 1,735 · 109 кмоль.
По условию улавливается 15% диоксида серы, поэтому количество диоксида серы, перерабатываемого в серную кислоту, с учетом его степени улавливания α(SO2) равно:
ν(SO2)2 = ν(SO2)1 · α(SO2) = 1,735 · 109 · 0,15 = 0,26025 · 109 = 260,25 · 106 кмоль.
В соответствии со стехиометрическими коэффициентами в уравнениях реакций:
ν(H2SO4) = ν (SO3) = ν(SO2)2
Таким образом, масса серной кислоты равна:
m(H2SO4) = M(H2SO4) · ν(H2SO4) = 98 · 260,25 · 106 = 25504,5 · 106 кг = 25,505 · 109 кг = 25,505 млн. т.
Ответ: масса серной кислоты, получаемой из улавливаемых дымовых газов, образующихся при сгорании каменного угля, равна 25,505 млн. т.
Пример2. Рассчитайте расходный коэффициент (Fр) известняка на 1 т негашеной извести, которая получена путем обжига известняка с массовой долей СаСО3 0,85. Состав негашеной извести в долях (масс.): СаО – 0,95; СаСО3 – 0,012; примеси – 0,038.
Решение:
Реакция обжига извести протекает по уравнению:
СаСО3 → СаО + СО2.
Масса чистого вещества оксида кальция в негашеной извести равна:
m(CaO) = М(CaO)·ω(CaO)·= 1∙0,95 = 0,950 т = 0,950∙106 г;
Количество чистого вещества оксида кальция равно:
ν(CaO) = 0,950∙106 / 56 = 16964 моль.
Количество карбоната кальция равно количеству оксида кальция согласно уравнению реакции
ν(CaСO3) = ν(CaO) = 16964 моль.
Масса карбоната кальция равна:
m(CaСO3) = М(CaСO3) ·ν(CaСO3)·= 16964∙100∙106 = 1,694·106 г = 1,694 т.
Масса известняка составляет
m(известняка) = m(CaСO3) / ω(CaСO3) = 1,6964 / (0,85 – 0,012) = 2,024 т.
В расчете массы известняка учитывается, что неразложившийся карбонат кальция остается в составе негашеной извести, поэтому доля разложившегося карбоната кальция будет составлять (0,85 – 0,012)
Fр = m(известняка) / m(извести) = 2,024/1,0 = 2,024 т/т.
Ответ: Расходный коэффициент известняка равен 2,024 т/т.
Пример3. На производство 1 т азотной кислоты с массовой долей HNO3 0,65, получаемой окислением аммиака NH3, расходуется 186,2 кг NH3. Рассчитайте выход HNO3 и расходный коэффициент аммиака.
Решение:
Получение азотной кислоты из аммиака протекает в три стадии:
4NH3 + 5О2
4NO + 6H2О;
2NO + О2 = 2NО2;
4NО2 + О2 + 2H2О = 4HNO3.
Из уравнений реакций следует, что
ν(NH3) = ν(NО) = ν(NО2) = ν(HNO3);
ν(NH3) = ν(HNO3) = m(NH3) / M(NH3) = 186,2 / 17 = 10,953 кмоль;
m(HNO3) = M(HNO3) · ν(HNO3) = 63 · 10,953 = 690 кг.
Массу раствора можно определить, зная массовую долю кислоты в растворе:
m(раствора HNO3) = m(HNO3) / ω(HNO3) = 90 / 0,65 = 1061,6 кг (теоретически)
Практически получена 1 т раствора HNO3 (содержащего 650 кг HNO3).
η (HNO3) = η (раствора HNO3) = (1000/1061,6)·100% = 94,2%
Fр (NH3) = 186,2 / 1000 = 0,186 кг/кг.
Ответ: Выход азотной кислоты равен 94,2%.Расходный коэффициент аммиака равен 0,186 кг/кг.
Пример 4. Составьте материальный баланс выпаривания раствора аммонийной селитры NH4NO3 по следующим данным: На выпарку поступает 12 т 70%-ного раствора селитры, в результате выпаривания получается селитра, содержащая 89% NH4NO3.
Решение:
Масса чистого вещества нитрата аммония в исходном растворе, поступающем на выпарку, равна:
m(NH4NO3) = mр-ра 1·ω1(NH4NO3) = 12·0,7 = 8,4 т.
Масса воды в этом растворе составляет:
m1(Н2О) = 12 – 8,4 = 3,6 т.
Масса нитрата аммония в растворе остается неизменной, так как в результате выпаривания из раствора удаляется вода. Масса нитрата аммония в конечном продукте составляет 89%. Зная это можно вычислить массу всего конечного продукта:
mр-ра 2(после выпаривания) = m (NH4NO3) / ω2(NH4NO3) = 8,4 / 0,89 = 9,438 т.
Масса воды в конечном продукте составляет:
m2(Н2О) = 9,438 – 8,4 = 1,038 т.
По разности масс растворов можно определить, сколько было выпарено воды. m(Н2О пар) = mр-ра 1 – mр-ра 2 = 12,0 – 9,438 = 2,562 т.
В «Приход» записываем массу NH4NO3 и массу воды. В «Расход» записываем массу NH4NO3, массу воды, оставшейся в растворе, и массу образовавшегося водяного пара.
Приход: Расход:
m(NH4NO3) = 8400 кг m(NH4NO3) = 8400 кг
m1(Н2О) = 3600 кг m2(Н2О) = 1038 кг
m(Н2О пар) = 2562 кг
Всего: 12000 кг Всего: 12000 кг
Ответ: Масса исходных веществ равна 12000 кг. Масса выпаренной воды и конечного продукта также равна 12000 кг.
Пример 5. Определите производительность (в кг/час) печи для сжигания серы при ее производительности по сере 60 т/сут и составьте материальный баланс. Степень превращения серы 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент избытка воздуха α = 1,5.
Решение:
Реакция протекает по уравнению:
S + O2 = SO2; ΔН < 0
Производительность печи в час
П = 60 ∙ 1000 / 24 = 2500 кг/час.
Масс серы, вступившей в реакцию, равна:
m(S)р = m(S) · β(S) = 2500 ∙ 0,95 = 2375 кг, где β(S) – степень превращения серы.
Тогда в виде паров неокисленной серы осталось m(S) · [1 – β(S)] = 2500 ∙ 0,05 = 125 кг
Количество серы, вступившей в реакцию, равно
ν(S)р = m(S) / M(S) = 375 / 32 = 74,22 кмоль.
Количество диоксида серы, образовавшегося по реакции, равно количеству серы, вступившей в реакцию:
ν(SO2)р = ν(S)р = 74,22 кмоль;
m(SO2)р = M(SO2) · ν(SO2)р = 64 · 74,22 = 4750 кг
Количество кислорода, необходимого для сжигания серы равно количеству серы согласно уравнению реакции. С учетом коэффициента избытка ν(O2)общ = ν(S)р · α(O2).
Тогда масса кислорода, необходимого для сжигания серы, с учетом коэффициента избытка равна:
m(O2)общ = M(O2) · ν(O2)р = M(O2) · ν(S)р · α(O2) = 32 ∙ 74,22 ∙ 1,5 = 3562,5 кг.
Объем кислорода, необходимого для сжигания серы, равен:
V(O2)общ = Vм · ν(S)р · α(O2) = 22,4 ∙ 74,22 ∙ 1,5 = 2493,8 м3.
Объем азота, входящего в состав воздуха составит:
V(N2) = [V(O2) / φ(N2)] φ(O2) = 0,79 ∙ V(O2) / 0,21 = 9381,4 м3.
Масса азота, входящего в состав воздуха составит:
m (N2) = М(N2) · ν(N2) =· М(N2) ∙ V (N2) / Vм = 28 · 9381,4 / 22,4 = 11726,76 кг.
Массу азота рассчитывают, поскольку азот входит в состав воздуха и поступает в печь вместе с кислородом. Азот проходит через печь «транзитом», не вступая ни в какие химические реакции, поэтому его масса остается постоянной. Однако эту массу необходимо знать для расчета мощности насосов, подающих воздух в печь.
Масса кислорода, оставшегося в избытке:
m(O2) изб = 3562,5 ∙ 0,5 / 1,5 = 1187,5 кг.
Вещества. взятые для осуществления процесса, записываем в столбец «Приход». Вещества, образовавшиеся в результате реакции, не вступившие в реакцию, а также оставшиеся в избытке, записываем в столбец «Расход».
Приход: Расход:
m(S)р = 2500 кг m(S)ост = 125 кг
m(О2)общ = 3562,5 кг m(SO2) = 4750 кг
m(N2) = 11726,76 кг m(О2)изб = 1187,5 кг
m(N2) = 11726,76 кг
Всего: 17789,26 кг Всего: 17789,26 кг
Ответ: Масса исходных веществ равна 17789,2 кг. Масса продукта реакции – диоксида серы, недоокисленной серы, избыточного кислорода и азота также равна 17789,26 кг.
Задачи для самостоятельного решения
1 Химическое загрязнение ос отходами производства
1.1. Определите, какую массу пыли за год рассеет на прилегающих площадях ТЭС мощностью 0,5 млн. кВт, работающая на буром угле Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса, если ее КПД 15%. Потери с уносом составляют 1,5% от массы угля. Сколько ж/д вагонов грузоподъемностью 60т необходимо для перевозки этой пыли? Теплота сгорания угля данного месторождения 16960 кДж/кг.
1.2. На нефтеперерабатывающем заводе из-за неплотности соединения коммуника-ций иногда происходит утечка бензина. Каковы будут потери бензина в месяц и в год при утечке одной капли бензина в секунду, если объем капли составляет 0,5 мл? Сколько км мог бы проехать автомобиль в месяц и в год на потерянном топливе при его расходе 15л на 100км?
1.3. Ориентировочные расчеты показывают, что только на крупных электростанциях страны в зольных отходах накапливается ежегодно около 3 млн.т Fe2O3. Такую золу можно было бы использовать как потенциальное сырье. Сколько чугуна можно было бы получить при использовании 10-летних запасов золы ТЭС? Суммарные потери в производстве составляют 25%, примеси в чугуне – 5%(масс.).
1.4. Какая масса известняка, потребуется для связывания диоксида серы, образующегося при сгорании 1 т нефти с массовой доле серы 1,7%, если эффективность улавливания SO2 составляет 22%? С диоксидом серы реагирует негашеная известь, образующаяся при разложении известняка. Массовая доля CaCO3 в известняке равна 90%, а CaO в негашеной извести 85%.
1.5. Производство цинка в США в среднем составляет 600 тыс. т в год. Полагая, что весь цинк получают из цинковой руды, содержащей сульфид цинка, рассчитайте массу диоксида серы, которая может быть выброшена с дымовыми газами в атмосферу. Обогащенная цинковая руда содержит 48% (масс.) цинка. Выход цинка составляет 80%.
1.6. В процессе выплавки меди из Cu2S образуется диоксид серы. Если предполо-жить, что ежегодно получают 1,6 млн. т меди, то какая масса диоксида серы при этом выделяется в атмосферу? Степень улавливания SO2 составляет 50%.
1.7. ТЭС мощностью 100МВт потребляет в сутки около 7500 т угля, содержащего 3,8% серы. Сколько диоксида серы в год выбрасывает такая станция в атмосферу при отсутствии системы очистки дымовых газов и полном сгорании серы?
1.8. Запасы угля некотрого месторождения составляют 6,0 млн. т. Определите объем диоксида серы (н.у.), который будет загрязнять воздух при полном использовании всех запасов этого угля в качестве энергетического топлива. Массовая доля серы в угле в среднем 1,2%. Какую массу 100%-ной серной кислоты можно получить из дымовых газов, если бы 20% всего SO2 удалось уловить?
1.9. ТЭС работает на каменном угле, содержащем 1,65 серы и 6,5% несгораемых примесей. Среднесуточный объем облачности над станцией составляет 20 км3, а содержание сернистой кислоты в облаках 0,20 мг/м3. Считая станцию единственным загрязнителем атмосферы, определите, сколько тонн шлаков вывозится на свалку ежедневно.
1.10. Кислые сточные воды содержат 4,9г/л серной кислоты. Определите массу негашеной извести, необходимую для нейтрализации 500м3 сточных вод, если содержание CaO в товарном продукте равно 50%. Рассчитайте массу образующегося осадка.
1.11. Отходы производства содержат 1% (масс.) H2SO4 (ρ = 1,05 г/мл). Определите объем 0,10%-ного раствора Са(ОН)2, необходимого для нейтрализации 10 т отходов, содержащих H2SO4. Рассчитайте массу образующегося осадка.
1.12. Определите массу никеля (кг), рассеивающегося за год в окружающую среду со сточными водами предприятия (50000м3), если предварительно проводится осаждение никеля 5%-ной суспензией Ca(OH)2. Плотность суспензии примите равной 1000 кг/м3. Рассчитайте массу образующегося осадка Ni(OH)2.
1.13. Для удаления фосфатов из сточных вод используют их осаждение с помощью Al2(SO4)3. Концентрация фосфат-ионов в сточных водах равна 0,003% (масс.). Определите, какую массу Al2(SO4)3 необходимо закупать каждый год для обработки сточных вод, расход которых составляет 40 л/с. Определите массу осадка AlPO4, образующегося при полном осаждении фосфат-ионов.
1.14. Сточные воды одного из цехов содержат 12,6 г/л хлорида марганца (II). Объем стоков равен 200м3. Для осаждения марганца используется 1н. раствор щелочи. Определите объем раствора щелочи, необходимый для осаждения марганца. Вычислите массу образующегося осадка, принимая во внимание, что гидроксид марганца(II) окисляется кислородом, растворенным в воде, до MnO2·H2O.
1.15. Сточные воды гальванического цеха содержат 500 мг/л цианид-ионов. Какой объем ( при 200 C) озоно-кислородной смеси с массовой долей озона 3% (об.) потребуется на обработку 500м3 сточных вод. Реакция протекает по уравнению:
CN- + O3 = CNO- + O2.