общая хим. технология

ББК 35я72

УДК 66 (076.1) О28

Рассмотрен и рекомендован к изданию редакционно-издательским советом университета

Авторы:

Л.С. Ещенко, М.Т. Соколов, О.Б. Дормешкин, В.Д. Кордиков

Рецензенты:

заведующий лабораторией ИОНХ НАНБ, чл.-кор. НАНБ, д-р хим. наук, профессор Ф.Ф. Можейко;

старший преподаватель кафедры химии БНТУ канд. техн. наук А.А. Меженцев

Общая химическая технология : Лабораторный практикум для О28 студентов специальностей 1-48 01 01 «Химическая технология

«Химическая технология переработки древесины», 1-48 02 01

36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» очной и заочной форм обучения / Л.С. Ещенко, М.Т. Соколов, О.Б. Дормешкин,

В лабораторном практикуме рассмотрены вопросы теории по курсу «Общая химическая технология», дано описание лабораторных работ, порядок их выполнения и оформления.

ВВЕДЕНИЕ Интенсификация и модернизация действующих производств,

их укрупнение и комбинирование, развитие экологически чистых и безотходных технологий, создание энерго- и материалосберегающих технологических схем требует подготовки инженеров-технологов широкого профиля для предприятий, проектных и научноисследовательских организаций. Большое значение в данной подготовке отводится изучению дисциплины «Общая химическая технология». В курсе «Общая химическая технология» рассматриваются химические производства как химикотехнологические системы и изучается химическая технология как быстро развивающаяся прикладная наука, имеющая предмет исследования – химико-технологический процесс, цель исследования

– создание высокоэффективных химико-технологических систем, основные методы исследования – математическое моделирование химических процессов, опирающееся на основные физикохимические закономерности.

Основной целью курса «Общая химическая технология» является приобретение знаний основных закономерностей химического производства на основе использования положений общенаучных (химия, физика, физическая химия, математика) и общеинженерных дисциплин (процессы и аппараты химических производств), овладение умениями применения указанных закономерностей к анализу стадий химико-технологического процесса и создания оптимальных химико-технологических систем, выполнения химико-технологических расчетов и навыками практического использования полученных знаний в своей профессиональной деятельности.

Для лучшего усвоения и закрепления теоретических положений основных разделов лекционного курса предусматривается выполнение лабораторного практикума. При подготовке к выполнению лабораторных работ по той или иной теме студент обязан проработать лекционный материал и, усвоив основные закономерности, характерные для данной системы, применить их при рассмотрении конкретного химико-технологического процесса.

Полученные знания по основным закономерностям химической технологии необходимы для последующего изучения спецтехнологий.

4

1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

На первом занятии студенты проходят инструктаж по технике безопасности в лаборатории общей химической технологии.

Для выполнения лабораторных работ группа студентов разбивается на подгруппы по 2−3 человека.

Перед выполнением работы студенты сдают коллоквиум или допуск к выполнению работы по согласованию с преподавателем. При этом студент должен знать основные теоретические положения того или другого процесса, устройство лабораторной установки и порядок выполнения лабораторной работы, расчет основных показателей процесса.

После сдачи коллоквиума или допуска студенты получают от преподавателя задания для выполнения лабораторной работы, в случае необходимости проводят предварительные расчеты.

Цель выполнения лабораторных работ – это практическое изучение основных закономерностей химико-технологических процессов, установление на основании экспериментальных данных зависимости степени, скорости превращения исходных реагентов от условий проведения процесса (температуры, концентрации, соотношения реагентов и их расхода).

По итогам работы оформляется отчет (один на подгруппу) на отдельных листах либо в специальной тетради, который должен содержать:

∙фамилии исполнителей;

∙название лабораторной работы;

∙цель и задание по работе;

∙схему лабораторной установки;

∙краткое описание порядка выполнения работы;

∙результаты экспериментов (оформляются в виде таблиц, графиков);

∙выводы по полученным результатам и их обоснование.

Работа считается выполненной после представления оформленной лабораторной работы преподавателю и ее защиты. В процессе защиты студент должен продемонстрировать навыки квалифицированной обработки экспериментальных результатов и умения теоретического обоснования полученных результатов и зависимостей.

5

2. ВОДОПОДГОТОВКА

Цель работы – изучение способов промышленной водоподготовки, стандартных методик определения жесткости воды и их использования при выполнении лабораторных работ.

2.1. Общие положения

Вода – один из важнейших факторов жизни на Земле. Ежедневно человечество расходует до 7 млрд. т воды, что соответствует по массе общему количеству полезных ископаемых, добываемых за год. Основными потребителями воды являются химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли промышленности, черная и цветная металлургия, энергетика, мелиорация. Классификация воды по целевому назначению представлена на рис. 1.

6

Согласно рис. 1, различают следующие разновидности технической воды: энергетическая, охлаждающая, технологическая. Энергетическая вода используется при получении пара (для питания парогенераторов) и как рабочее тело при передаче тепла от источника к потребителю (горячая вода). Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. При этом вода не соприкасается с материальными потоками. Технологическая вода подразделяется на средообразующую, промывающую и реакционную. Средообразующая вода используется для растворения твердых, жидких и газообразных веществ, получения суспензий при обогащении, гидротранспорте продуктов и отходов производства; промывающая вода – для промывки газообразных (абсорбция), жидких (экстракция) и твердых продуктов; реакционная – в качестве реагента, а также при азеотропной отгонке. Технологическая вода непосредственно контактирует с реагентами и продуктами процесса.

Основными источниками водоснабжения промышленных предприятий служат поверхностные и грунтовые воды. К поверхностным водам относятся реки, озера, искусственные водохранилища и каналы. В первую очередь для промышленного производства используются реки.

2.2. Качество воды и требования к ней

В 1 л воды, как правило, содержится около 1 г солей. В морской воде их значительно больше – от 5 г/л до 35 г/л. Пресные и морские воды различаются по суммарному содержанию солей, а также соотношением в них хлоридов, сульфатов и карбонатов. Речные воды делятся на маломинерализованные (до 200 мг/л), среднеминерализованные (200–500 мг/л) и повышенной минерализации (свыше 1000 мг/л). Наряду с солями, вода содержит некоторое количество сложных природных органических соединений

– гумусовых веществ. Содержание этих примесей в речных водах 5– 10 мг/л, в озерных – до 150 мг/л. В водах содержится значительное количество твердых взвесей, коллоидных веществ и примесей биологического характера (микроорганизмов, водорослей и др.).

Существует несколько классификаций примесей воды. Согласно наиболее известной и признанной классификации примесей

7

по фазово-дисперсному составу (по Л.А. Кульскому), они делятся на следующие группы:

1)вещества, которые образуют с водой взвеси, суспензии, эмульсии,

– удаляются с использованием сил тяжести и адгезии;

2)вещества в коллоидом состоянии и вирусы – удаляются окислением О2, О, Сl2, адсорбцией на золях Al(OH)3, Fe(OH)3;

3)молекулярные растворы, образованные газами и органическими веществами, – удаляются окислением, десорбцией газов и легколетучих веществ, адсорбцией на золях, гелях, твердых сорбентах (уголь), экстракцией (углеводородами), биологической очисткой;

4)ионные растворы (растворы солей, кислот и щелочей) – удаляются переводом в труднорастворимые соединения, ионным обменом, перегонкой, экстракцией, вымораживанием, электродиализом или электроосмосом.

Содержание растворенного кислорода в воде определяется ее температурой и реакциями, протекающими в водной среде: фотосинтеза (содержание кислорода увеличивается) и окисления органических соединений – химического и микробиологического (содержание кислорода уменьшается).

В зависимости от состава вод меняется рН. Для рек и озер этот показатель колеблется в пределах 5,0–8,5.

Содержание различных примесей, как растворенных, так и находящихся в виде взвеси в природных водах, обуславливает образование отложений, накипи и шлама на поверхностях теплообменной аппаратуры и парогенераторов, что приводит к их коррозии и ухудшению теплообмена. В условиях работы оборотных систем водоснабжения многократный нагрев воды до 40–45 °С и охлаждение ее в вентиляторных градирнях ведет к потерям диоксида углерода и отложению на поверхностях теплообменников и трубопроводов карбонатов кальция и магния в соответствии со следующими реакциями:

Са(HCO3)2 → CaСО3↓ + СО2− + Н2О;

Mg(HCO3)2 → MgСО3↓ + СО2− + Н2О.

Во избежание этого в производственных циклах используется специально подготовленная подпиточная вода, качество которой должно удовлетворять определенным техническим требованиям. Для примера в табл. 1 указаны основные показатели качества воды,

8

используемой для охлаждения продуктов в теплообменных аппаратах в некоторых отраслях промышленности.

Табл. 1. Показатели качества воды в системах охлаждения

Требования к питательной воде паровых котлов (парогенераторов) энерготехнологических процессов обусловлены необходимостью предотвращения накипеобразования и коррозии поверхностей нагрева. К основным показателям качества питательной

9

воды относятся: значение рН, общая жесткость, содержание кремниевой кислоты, растворенного кислорода, свободной углекислоты, железа, меди и других соединений. Качество питательной воды зависит от параметров генерируемого водяного пара.

Требования к воде, используемой в качестве реагента, экстрагента, абсорбента и т. д., связаны с особенностями проводимых процессов и указываются в технологических регламентах конкретных химических производств.

Питьевая вода в соответствии с ГОСТ 2874 должна содержать не более чем: бактерии – 100 шт/л; свободного хлора – 0,3 мг/л; рН – 6,8–7,3; жесткости – 7 ммоль × экв/л; солесодержание – менее 1 г/л; кроме этого ограничено количество тяжелых (Мо, W, Cr), легких (Ве, Al), радиоактивных (Sr, Ra) и ядовитых (As, Ta) элементов. Вода должна быть прозрачной, без цвета и не иметь запаха.

Для большинства производств основным показателем служит жесткость воды, обусловленная присутствием в ней солей кальция и магния. Жесткость выражается в ммоль × экв/л ионов Са и Mg. Различают три вида жесткости: временную, постоянную и общую.

Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды кипячением за счет образования нерастворимых средних и основных солей, которые выпадают в виде плотного осадка (накипи), согласно следующим химическим реакциям:

Са(НСО3)2 = СаСО3¯ + Н2О + СО2;

2Mg(НСО3)2 = MgСО3 × Mg(OH)2¯ + Н2О + 3СО2.

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли при кипячении из воды не удаляются.

Временная и постоянная жесткости в сумме дают общую

жесткость.

Природные воды по жесткости классифицируются следующим образом (ммоль × экв/л ионов Са и Mg): очень мягкая – 0,5–1,5;

мягкая – 1,5–3,0; средняя – 3,0–6,0; жесткая – 6,0–10,0; очень жесткая – более 10,0.

Окисляемость воды характеризуется присутствием в воде органических примесей и выражается в милимолях кислорода, который расходуется на окисление веществ, находящихся в 1 л воды.

10