Каждый вариант контрольной работы включает 5 задач по основным разделам курса. По каждой задаче предусмотрено до 10 видов заданий. Студент решает вариант, соответствующий последней цифре шифра, а номер задания (примера) – соответствующий предпоследней цифре шифра. Так, если номер зачетки 480345 – студент решает задачи 5-го варианта, задание (пример) 4.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Вариант 0

1. Классификация химико-технологических процессов.

2. Равновесие химической реакции, факторы, влияющие на состояние химического равновесия.

3. Сравнение реакторов различного типа по интенсивности, селективности и выходу.

Вариант 1

1. Технологические показатели химико-технологического процесса (степень превращения, выход, селективность, производительность, интенсивность, расходные коэффициенты).

2. Пути и способы интенсификации гомогенных процессов.

3. Каскад реакторов, методы расчета каскада реакторов

Вариант 2

1. Классификация вод. Физико-химические показатели качества воды.

2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ – жидкость.

3. Промышленные реакторы для каталитических процессов, виды, характеристика.

Вариант 3

1. Сырье химической промышленности, классификация видов сырья, методы обогащения.

2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ – твердое.

3. Реактор идеального вытеснения; вывод характеристического уравнения.

Вариант 4

1. Основные стадии промышленной водоподготовки. Методы умягчения воды.

2. Способы увеличения движущей силы процесса, коэффициента скорости, поверхности массообмена для систем твердое – твердое, жидкость – твердое, жидкость – газ.

3. Классификация реакторов.

Вариант 5

1. Энергетическая база химической промышленности. Виды используемой энергии, вторичные энергоресурсы, энерготехнологические схемы.

2. Способы увеличения скорости обратимых экзо- и эндотермических реакций.

3. Реактор идеального смешения непрерывный; вывод характеристического уравнения.

Вариант 6

1. Основные направления рационального и комплексного использования сырья и энергии в химической промышленности.

2. Необратимые экзо- и эндотермические реакции. Выбор оптимального технологического режима.

3. Промышленные реакторы для гетерогенных процессов в системе газ – твердое.

Вариант 7

1. Состав и способы получения промышленных катализаторов. Требования к промышленным катализаторам.

2. Влияние температуры, давления, концентрации на степень превращения и скорость процессов различного вида ( обратимых и необратимых, экзо- и эндотермических).

3. Классификация химических реакторов по тепловому режиму, уравнение теплового баланса реактора.

Вариант 8

1. Принципы составления материального баланса химико-технологических процессов.

2. Промышленный катализ, виды катализа. Механизм действия катализаторов. Основные стадии гетерогенного катализа.

3. Промышленные реакторы для гетерогенных процессов в системе газ – жидкость.

Вариант 9

1. Принцип составления энергетического баланса химико-технологических процессов.

2. Реактор идеального смешения периодический; вывод характеристического уравнения.

3. Гетерогенный процесс, его особенности. Стадии гетерогенного процесса. Лимитирующая стадия гетерогенного процесса и способы ее определения.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. Водоподготовка

Вариант 0

Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава. Определить массу известкового молока и технической соды, необходимых для умягчения воды.

Вариант 1

Определить карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды заданного состава, а также массу фосфата натрия (Na₃PO₄ × 12H₂O), необходимого для ее умягчения.

Вариант 2

Определить продолжительность работы катионитового фильтра без регенерации до исчерпания обменной способности.

Вариант 3

Рассчитать массу известкового молока и раствора соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.

Вариант 4

Определить массу каустической соды, необходимой для устранения карбонатной жесткости. Определить, на сколько изменится общая жесткость воды после устранения карбонатной жесткости.

Вариант 5

Рассчитать объем катионита, необходимого для умягчения воды в течение заданного времени.

Вариант 6

Определить массу известкового молока для умягчения воды заданного состава

Вариант 7

Рассчитать массу соляной кислоты, необходимой для перевода карбонатной жесткости в некарбонатную. Чему будет равна после этого некарбонатная жесткость?

Вариант 8

После кипячения пробы воды в течение 1 часа ее жесткость уменьшилась на Х ммоль × экв/л. Определить массу гашеной извести и технической соды, необходимых для умягчения воды известково-содовым способом.

Вариант 9

Для обессоливания воды ее последовательно пропускают через Н-катионит и ОН-анионит. Определить объем Н-катионита, который необходим для удаления из воды имеющихся катионов в течение заданного времени.

2. Шихтоподготовка и тукосмешение

Вариант 0

Элементарный фосфор получают при высокотемпературном восстановлении шихты, состоящей из фосфорита, кварцита и кокса, взятых в заданных соотношениях. Соотношения задают:

1) модулем кислотности (М_К), определяемым как отношение суммы молей (количества) оксидов кремния и алюминия к сумме молей (количеству) оксидов кальция и магния: М_К = (n_SiO2 + n_Al2O3) / (n_CaO + n_MgO);

2) нормой восстановителя (углерода), рассчитанной по реакции: Р₂О₅ + 5С = Р₂ + 5СО₂.

Рассчитать массы фосфорита, кварцита и кокса, необходимые для реализации условия Х.

Состав ингредиентов шихты, мас. доля, %

Вариант 1

Комплексное удобрение получают путем смешения двойного суперфосфата, карбамида и хлористого калия. Какие массы ингредиентов нужно взять для выполнения условиях Х и заданном соотношении N : P : К, если:

– двойной суперфосфат содержит, мас. доля, %: СаНРО₄ – 40,5; Са(Н₂РО₄)₂ – 10,5;

– карбамид содержит, мас. доля, %: N – 45,5;

– хлористый калий содержит, мас. доля, %: KCl – 95,0.

.............................

Вариант 2

Тугоплавкое стекло получают путем сплавления шихты, состоящей из поташа, кальцита и кварцита. Состав тугоплавкого стекла задан:

– А (мас. доля, %): К₂О – 18,4; СаО – 11,0; SiO₂ – 70,6;

– Б (мольная доля): К₂О – 0,11; СаО – 0,23; SiO₂ – 0,66.

В каких массовых соотношениях нужно смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

поташ: К₂СО₃ – 95,0; SiO₂ – 5,0;

кальцит: СаСО₃ – 90,0; SiO₂ – 10,0;

кварцит: SiO₂ – 95,0; СаСО₃ – 5,0.

........................

Вариант 3

Портландцемент получают путем спекания при 1500 °С шихты, состоящей из глины, огарка и известняка.

Состав ингредиентов шихты, мас. доля, %:

глина: SiO₂ – 70,0; Al₂O₃ – 10,0; Н₂О – 20,0;

огарок: Fe₂O₃ – 100,0;

известняк: СаСО₃ – 100,0.

Требуется получить портландцемент состава, мас. доля, %: алит (3СаО × SiO₂) – 50,0; белит (2СаО × SiO₂) – 25,0; трехкальциевый алюминат (3СаО × Al₂O₃) – 10,0; четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × Al₂O₃ × Fe₂O₃) – 15,0. В каких массовых соотношениях необходимо смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

.........................

Вариант 4

Кормовые обесфторенные фосфаты (КОФ) получают путем обжига при 1300 °С шихты, состоящей из фосфорита, известняка и фосфорной кислоты. Качество КОФ характеризуется содержанием Р₂О₅ мас. доля, % – 35,0 и соотношением числа молей (количества) оксидов кальция и фосфора – n_СаО / n_Р2О5 = 2,5.

В каких массовых соотношениях нужно смешать фосфорит, известняк и фосфорную кислоту, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

фосфорит: СаО – 30,0; Р₂О₅ – 20,0; SiO₂ – 50,0;

известняк: СаСО₃ – 90,0; SiO₂ – 10,0;

фосфорная кислота: Н₃РО₄ – 70,0; Н₂О – 30,0.

В расчете учесть потерю массы шихты вследствие испарения воды и декарбонизации.

...................

Вариант 5

Одним из способов переработки фосфогипса (отход производства экстракционной фосфорной кислоты) является способ получения на его основе цементного клинкера и серной кислоты. В основе лежит реакция

3CaSO₄ + SiO₂ + 3C = Ca₃SiO₅ + 3SO₂ + 3CO.

В каких соотношениях масс нужно смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

фосфогипс: СаО – 40,0; SO₂ – 57,1; SiO₂ – 2,9;

кварцит: СаСО₃ – 15,0; SiO₂ – 85,0;

кокс: СаО – 15,0; SiO₂ – 5,0; С – 80,0.

.........................

Вариант 6

Хрустальное стекло имеет состав, мас. доля: Na₂O – 0,06; PbO – 0,64; SiO₂ – 0,30. Его получают путем плавления шихты, состоящей из соды (Na₂CO₃), минерала церуссита (PbСО₃) и кварцита (SiO₂).

Состав исходных ингредиентов, мас. доля, %:

сода: Na₂CO₃ – 100,0;

церуссит: PbСО₃ – 95,0; SiO₂ – 5,0;

кварцит: SiO₂ – 98,0; PbO – 2,0.

В каких массовых соотношениях необходимо смешать указанные ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

В расчетах следует учесть потерю массы вследствие декарбонизации.

....................

Вариант 7

При выплавке литейного чугуна используют шихту, состоящую из железной руды, кокса и флюса. В каких массовых соотношениях нужно смешать руду, кокс и флюс, чтобы выполнить условие Х, получить чугун с содержанием железа (Fe) – Y (мас. долей) и выдержать модуль основности М_о – Z? М_о определяется как отношение суммы молей основных оксидов (СаО и MgO) к сумме молей кислых оксидов (SiO₂ и Al₂O₃):

М_о =  (n_CaO + n_MgO) / (n_SiO2 + n_Al2O3).

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

железная руда: Fe₂O₃ – 80,0; CaO – 5,0; MgO – 5,0; Al₂O₃ – 5,0;

флюс (доломит): СаСО₃ – 75,0; MgСО₃ – 25,0;

кокс: С – 85,0; СаО – 5,0; SiO₂ – 10,0.

Углерод ввести в состав шихты в соответствии со стехиометрией реакции

Fe₂O₃ + 1,5С = Fe  + 1,5СО₂.

................

Вариант 8

Смесь концентрированных азотной и соляной кислот, взятых в соотношении объемов 1 : 3, называют «царской водкой».

В каком соотношении масс нужно взять азотную кислоту с содержанием основного вещества Х и соляную кислоту с содержанием основного вещества Y, чтобы получить Z «царской водки»?

........................

Вариант 9

Экстракционную фосфорную кислоту (ЭФК) получают путем разложения природных фосфатов кальция (апатитов или фосфоритов) серной кислотой. При этом протекает реакция

Са₃(РО₄)₂ + 3H₂SO₄ + mН₂О = 3СаSO₄ × nH₂O + 2H₃PO₄ + (m – n)H₂O;

где m – определяется концентрацией используемой серной кислоты; n – число молей Н₂О, входящих в кристаллогидрат сульфата кальция.

Сколько нужно взять фосфорита или апатита (кг) и какой концентрации должна быть серная кислота, чтобы при 100 %-ном протекании реакции концентрация Р₂О₅ в полученной пульпе была заданной номером примера.

.......................

3. Материальный баланс

Вариант 0

Составить материальный баланс процесса обжига колчедана и рассчитать теоретический и фактический расходные коэффициенты по сырью, состав печного газа – мас. %, об. %:

4FeS₂ + 11O₂ = 8SO₂ + 2Fe₂O₃.

Вариант 1

Составить материальный баланс процесса каталитического окисления SO₂. Определить состав образующейся газовой смеси. Расчет вести на часовую производительность установки:

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃.

Вариант 2

Составить материальный баланс процесса получения азотной кислоты и рассчитать: а) выход оксида азота на поданный аммиак; б) теоретический и фактический расходные коэффициенты по сырью; в) состав газа после окисления аммиака. Расчет вести на часовую производительность газовоздушной установки на основе следующих реакций:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O; (1)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O; (2)

2NO + 1,5 O₂ + H₂O = 2HNО₃. (3)

...........................

Вариант 3

Составить материальный баланс производства хлорида водорода по следующим реакциям:

MeCl + H₂SO₄ = MeHSO₄ + HCl; (1)

MeCl + MeHSO₄= Me₂SO₄ + HCl. (2)

Поступают хлорид натрия (калия), содержащий NaCl, KCl и Н₂О, и серная кислота. Реакция (1) протекает необратимо, а реакция (2) – со степенью превращения a. Найти состав твердого продукта.

.......................

Вариант 4

Составить материальный баланс получения сульфида натрия и рассчитать: а) интенсивность реактора (Vр = 10 м³); б) теоретические и фактические расходные коэффициенты по сырью; в) состав готового продукта; г) выход сульфида натрия:

Na₂SO₄ + 4H₂ ® Na₂S +4Н₂О.

.....................

Вариант 5

Составить материальный баланс производства метилового спирта, при котором протекают реакции

СО + 2Н₂ = СН₃ОН; (1)

2СН₃ОН = СН₃ООСН₃ + Н₂О. (2)

Рассчитать расход газа на 1000 кг чистого спирта и состав продуктов в мас.%.

..........................

Вариант 6

Составить материальный баланс производства раствора фосфатов натрия из экстракционной фосфорной кислоты и соды:

H₂SO₄ + Na₂CO₃ = Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O; (1)

6H₃PO₄ + 5Na₂CO₃ = 4Na₂HPO₄ + 5CO₂ + 5H₂O; (2)

H₂SiF₆ + Na₂CO₃ = Na₂SiF₆ + CO₂ + H₂O. (3)

Поступает фосфорная кислота, содержащая H₃PO₄, H₂SiF₆ и H₂SO₄. Нейтрализация осуществляется кальцинированной содой (99 % Na₂CO₃). Определить расход фосфорной кислоты и соды на 1 т продукта, содержащего 2,5 % влаги.

..........................

Вариант 7

Составить материальный баланс получения аммофоса на часовую производительность из экстракционной фосфорной кислоты и газообразного аммиака по следующим реакциям:

H₃PO₄ + NH₃ = NH₄H₂PO₄; (1)

NH₄H₂PO₄ + NH₃ = (NH₄)₂HPO₄; (2)

H₂SO₄ + 2NH₃ = (NH₄)₂SO₄; (3)

H₂SiF₆ + 2NH₃ = (NH₄)₂SiF₆. (4)

Реакции (1), (3) и (4) осуществляются до конца. Определить расход фосфорной кислоты и аммиака на 1 т продукта, содержащего 2 % влаги.

........................

Вариант 8

Сульфат аммония получают разложением серной кислотой каолина, боксита, гидроксида алюминия или нефелина по следующим  реакциям:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O; (1)

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O; (2)

Na₂O + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O. (3)

Кремнезем остается неразложенным. Выделяемый шлам состоит из кремнезема и неразложенных оксидов. Производительность системы по сульфату аммония и концентрация разбавленного водой раствора указаны в таблице. Составить материальный баланс на часовую производительность, определить расход сырья, кислоты и воды, а также количество и состав шлама на 1000 кг продукта, содержащего 91,5 % Al₂(SO₄)₃ × 18H₂O.

........................

Вариант 9

Составить материальный баланс производства аммиачной селитры по реакции

HNO₃ + NH₃ = NH₄NO₃.

Вычислить концентрацию образующегося раствора нитрата аммония.

........................

4. Энергетический (тепловой) баланс

Вариант 0

В котел-утилизатор поступает газ с температурой 1373 К. Определить расход воды на питание котла (Т = 313 К), если уходящий газ имеет температуру 773 К, а энтальпия пара 3010 кДж/кг.

Вариант 1

При получении олеума содержащий SO₃ газ с температурой 313 К орошается 20 %-ным олеумом с температурой 313 К. Определите количество подаваемого на орошение олеума при заданной степени абсорбции SO₃, если теплота конденсации газообразного SO₃ –          481,85 кДж/кг SO₃, теплота растворения жидкого SO₃ в 20 %-ном олеуме – 23,25 кДж/моль SO₃, температура уходящего газа – 323 К, температура олеума на выходе – 328 К. Средняя теплоемкость олеума – 1,344 кДж/(м³×град), газа – 1,42 кДж/(м³×град), или 2,04 кДж/(кг×град). Потерями тепла пренебречь.

.......................

Вариант 2

Для выделения аммиака из азотоводородной смеси заданного состава ее охлаждают водой с температурой 293 К. Определите расход воды на получение 1000 кг аммиака при заданных степени конденсации аммиака, начальной и конечной температурах газа; конечная температура воды – 308 К; энтальпия жидкого аммиака – 170 кДж/кг.

........................

Вариант 3

На выходе из контактного аппарата окисления SO₂ температура газа составляет Т₂, а степень окисления Х. Вычислите температуру Т₁ исходной смеси заданного состава:

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃;  DH_T° = - 107,7 кДж/моль.

..........................

Вариант 4

Вычислить температуру продуктов сгорания аммиачно-воздушной смеси, если температура исходной смеси Т₁:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + H₂O;  DH_T° = - 904 кДж/моль.

.......................

Вариант 5

В контактный аппарат для получения метанола поступает смесь указанного состава с температурой Т₁. Определите степень превращения СО, если температура смеси на выходе из аппарата 670 К:

СО + 2Н₂ = СН₃ОН; DH_T° = - 111 кДж/моль.

.........................

Вариант 6

Аммиак образуется из азотоводородной смеси стехиометрического состава по реакции

N₂ + 3H₂ = 2NH₃; DH_T° = - 89 кДж/моль.

Определите количество отводимого тепла, если смесь поступает с температурой Т₁, а выходит из аппарата с температурой Т₂ и содержит Х, % аммиака.

............................

Вариант 7

Водород получают каталитической конверсией метана:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂; DH_T° = 206,2 кДж/моль.

Какое количество тепла необходимо затратить для получения водорода, если потери тепла Х % от прихода? Соотношение СН₄ : Н₂О = 1 : Y. Температура газов на входе в реактор – Т₁, выходящих – Т₂, степень конверсии – a, %.

.........................

Вариант 8

В вакуум-испаритель поступает Х, т/ч раствора с температурой Т₁ К и охлаждается до Т₂ К. Определить количество испаренной воды, если теплосодержание пара 2610 кДж/кг, а теплоемкость раствора 2,26 кДж/(кг × град). Потерями тепла пренебречь.

Вариант 9

Составьте тепловой баланс реактора для получения водорода каталитической конверсией метана. Определите количество тепла, затраченное на проведение процесса:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂; DH_T° = 206,2 кДж/моль.

.......................

5. Химические реакторы

Вариант 0 (Вариант 5)

Нитрозные газы с содержанием компонентов, об. доля, %: NО – 10; O₂ – 8; N₂ – остальное, направляются для осуществления реакции оксиления окиси азота до двуокиси азота по реакции

2NO + O₂ = 2NO₂, (1)

кинетическое уравнение которой соответствует необратимой реакции 3-го порядка, в непрерывно действующий реактор идеального вытеснения при общем давлении 0,2 МПа с целью достижения степени превращения NO в NO₂, равной 90% при объемной скорости нитрозных газов (при н. у.), равной 30 000 м³/ч. Рассчитать объем реактора, обеспечивающий указанный процесс, при условии, что его температура и численное значение константы скорости реакции, а также общее давление (в МПа) отвечают номеру примера из таблицы.

Для Варианта 5 условие задачи остается тем же, за исключением общего давления, равного 0,3 МПа.

Вариант 1 (Вариант 6)

Используя условие Варианта 0, рассчитать объем реактора идеального смешения непрерывного действия, используя температуру и константу скорости из таблицы.

Для Варианта 6 условие задачи остается тем же, за исключением общего давления, равного 0,3 МПа.

Вариант 2 (Вариант 7)

Используя условие Варианта 0, рассчитать графически и численно объем каскада реакторов идеального смешения, состоящего из реакторов непрерывного действия равного между собой объема, используя температуру и константу скорости из таблицы.

Для Варианта 7 условие задачи остается тем же, за исключением общего давления, равного 0,3 МПа.

Вариант 3 (Вариант 8)

Используя условие Варианта 0, рассчитать графически и численно объем каскада реакторов идеального смешения непрерывного действия, состоящего из 3-х реакторов равного между собой объема, используя температуру и константу скорости из таблицы.

Для Варианта 8 условие задачи остается тем же, за исключением общего давления, равного 0,3 МПа.

Вариант 4 (Вариант 9)

Используя условие Варианта 0, рассчитать объемы реакторов непрерывного действия, образующих каскад, состоящий из реактора идеального смешения (1-й реактор по ходу движения сырья) и реактора идеального вытеснения (2-й реактор по ходу движения сырья), при дополнительном условии, что в первом реакторе каскада достигается степень превращения 45 %, а остальное – во втором реакторе каскада, используя температуру и константу скорости из таблицы.

Для Варианта 9 условие задачи остается тем же, за исключением общего давления, равного 0,3 МПа.