Состав исходной смеси для производства искусственного камня. (Фотогалерея «Наши технологии» на одноименной странице. Что входит в состав искусственного облицовочного камня, производимого на гибких эластичных литьевых формах. По существу, декоративный облицовочный камень, о котором мы говорим, представляет собой типичный пескобетон на основе портландцемента, изготовленный методом вибролитья в специальные гибкие эластичные матрицы — формы и особым образом окрашенный. Рассмотрим основные компоненты бетонной смеси для производства искусственного облицовочного камня методом вибролитья. Вяжущее — основа любого искусственного облицовочного камня. В данном случае это портландцемент марки М-400 или М-500. Чтобы качество бетона всегда оставалось стабильно высоким, рекомендуем использовать только «свежий» цемент (как известно, он быстро теряет свои свойства со временем и от неправильного хранения) одного и того же завода-изготовителя с хорошей репутацией. Для производства декоративного облицовочного камня применяется как обычный, серый цемент, так и белый цемент. В природе существует ряд цветов и оттенков, которые можно повторить только на белом цементе. В остальных случаях применяется серый портланд (из соображений экономической целесообразности).

Многие отечественные производители искусственного облицовочного камня в последнее время активно применяют гипс в качестве вяжущего. При этом утверждают, что их изделия являются керамзитобетоном. И, как правило, на стендах компаний действительно представлен керамзитобетон. Но есть один момент, определяющий поведение производителей искусственного облицовочного камня. Стоимость гибких эластичных литьевых форм, позволяющих в точности повторить фактуру камня, очень высока.

А при соблюдении технологии оборачиваемость литьевых форм, то есть время с момента заливки бетона до момента распалубки изделия, составляет 10-12 часов, против 30 минут на гипсе. Именно это подталкивает компании использовать гипс в качестве вяжущего. Да и цена гипса как минимум в пять раз ниже цены белого цемента. Все это обеспечивает компаниям сверхприбыль. Но цена вопроса для конечного потребителя очень высока! Крайне низкая морозостойкость и прочность таких изделий не позволит долго наслаждаться видом фасадов.

На представленных фотографиях изделия из гипса спустя один год после монтажа. Четко просматривается множественные трещины и разрушения. Поэтому использование этого материала в промышленных масштабах затруднительно. Исходя из стоящих перед нами задач, мы предпочитаем изготавливать искусственный облицовочный камень — материал по свойствам твердости и истираемости приближенный к натуральному камню, годный и для внешней и для внутренней облицовки, а не хрупкие и капризные к воздействию воды декорации. Наполнитель. В зависимости от вида применяемых наполнителей искусственный облицовочный камень на цементной основе бывает «тяжёлым» (2-2,4 г/см.куб.) или «лёгким» (около 1,6 г/см.куб.). В идеале тяжёлый бетон используется для производства тротуарного камня, декоративной тротуарной плитки, бордюров, цокольных обрамлений, для интерьерного камня. Для производства искусственного облицовочного камня, используемого для внешней отделки, применяют легкие бетоны.

Примерно так и поступают производители, работающие по американской технологии. В регионах, к сожалению, используется преимущественно тяжёлый бетон. Конечно, делать декоративный камень на песке гораздо проще, но лёгкий камень всегда будет предпочтительнее для потребителя. Это лишь вопрос возможности выбора. Для производства тяжёлого искусственного облицовочного камня используется крупный кварцевый песок фракции 0,63-1,5 мм (применение мелкого песка ухудшает прочностные характеристики бетона) и, когда это уместно, мелкий щебень, например, мраморный, фракции 5-10 мм. «Лёгкий» облицовочный камень изготавливают с применением керамзитового песка. Но при производстве искусственного облицовочного камня на керамзите следует учитывать следующий фактор. В июле 2001 года к нам поступила информация от покупателей о появлении на поверхности изделий (легкий бетон) «выстрелов» (точечное вспучивание материала белого цвета). В результате консультации со специалистами было установлено, что «выстрелы» появляются в результате распада известковых включений находящихся в керамзите.

При взаимодействии свободного кальция с влагой (водой или её парами) происходит химическая реакция сопровождаемая увеличением объема зерен свободного кальция в результате чего создается эффект так называемого «выстрела». CаО + Н2О = Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 Особенность данной химической реакции в том, что она протекает весьма продолжительное время — до 6 месяцев. Производители керамзита выпускают продукцию согласно ГОСТа, который допускает наличие зерен извести до 3% от общей массы. Эффект «выстрелов» снижает потребительские свойства продукции, поэтому была поставлена задача поиска нового наполнителя для производства легких бетонов.

Было замечено, что реакция известкового распада вызывает разрушение поверхности продукции ТОЛЬКО при внутренней отделке помещений. При использовании продукции для отделки цоколей и фасадов зданий видимых разрушений отделочного материала не наблюдается. Согласно, утверждения сотрудника НИИЖБ, известковый распад нивелируется при использовании продукции для внешней отделки зданий. В связи с выявлением данной закономерности, с августа 2001 г. продукция для внутренних работ выпускается не на керамзите, а на другом (более тяжелом) заполнителе. Для перехода на единый наполнитель мы предлагаем следующие пути решения данной проблемы: 1. Использовать в качестве наполнителя дробленый керамзит фракции не ниже 2 см. 2. Создать отвалы керамзита с выдержкой на открытой площадке не менее 6-9 месяцев.

3. Создание неоднородного наполнителя из кварцевого песка и более легкого искусственного наполнителя. 4. Использование шлаковой пемзы. однако насыпная масса готового изделия увеличится до 1800-2000 кг/м3. Легкий заполнитель должен отвечать следующим требованиям. насыпная масса около 600 кг/м3. песок фракции 0-0,5 см или 0-1 см (наличие мелкой фракции 15% от объема. прочность на сжатие 18 кг/см (показатель керамзита. водопоглощение до 25% (показатель керамзита. При производстве искусственного облицовочного камня, декоративной тротуарной плитки, малых архитектурных изделий на гибких эластичных литьевых формах могут использоваться следующие наполнители: Шлаковая пемза, Шлак гранулированный, Щебень и песок шлаковые, Пеностекло, Вспученный перлитовый песок, Жестковспученный перлит, Вспученный вермокулит, Пенополистерол, Кварцевый песок обагощенный, Мраморная крошка, Песок строительный (белый), Песок формовочный, Пемза вулканическая. Пигменты и красители. Важнейшая составная часть декоративного облицовочного камня — это используемые пигменты (красители). Умелое или неумелое применение красящих веществ напрямую отражается на внешнем виде конечного продукта. В опытных руках обыкновенный бетон прямо на глазах превращается в нечто совершенно неотличимое от натурального «дикого» камня. Как этого добиться? Для окраски цемента применяются минеральные неорганические пигменты (оксиды титана, железа, хрома) и специальные свето-, атмосферостойкие красители. Опытные производители обычно выбирают красящие вещества таких фирм, как Bayer, Du Pont, Kemira и других, не менее авторитетных. Это связано не только со стабильно высоким качеством их продукции, но также и с широким ассортиментом. Так, Bayer предлагает несколько десятков железноокислых пигментов. Комбинируя их между собой, можно подобрать практически любой необходимый оттенок цвета. Итак, портландцемент, керамзитовый песок и пигменты — это основной состав искусственного облицовочного камня. Многие производители изделий из архитектурного бетона этим и ограничиваются, несмотря на то, что имеется огромное количество всевозможных добавок в цементы для улучшения тех или иных характеристик. В любом крупном городе можно найти поставщиков отечественных и импортных присадок для бетонов. Это различные суперпластификаторы, которые улучшают удобоукладываемость и повышают прочность бетонов; полимерно-латексные добавки, благотворно влияющие на долговечность бетона; ускорители твердения бетонов и воздухововлекающие добавки; объёмные гидрофобизаторы, во много раз снижающие водопоглощение (полезно для фасадного, цокольного и тротуарного камня); химические волокна для дисперсного армирования, что резко повышает трещиностойкость и многое другое. Применять что-либо из этих добавок или нет — решайте сами, хотим лишь порекомендовать использовать защитные пропиточные составы для обработки поверхности декоративного облицовочного камня. Правильно подобранный гидрофобизатор для бетона позволит добиться следующих результатов. повысит эстетичность восприятия камня и устранит «пыльность» — характерную особенность любого цементного бетона. увеличит срок эксплуатации фасадного камня (дело тут в том, что процесс разрушения декоративного бетона в первую очередь отражается на цветонасыщенности ещё задолго до появления первых признаков разрушений, причиной чему — обнажение частичек заполнителя на лицевой поверхности камня. резко уменьшит риск появления высолов на поверхности камня, являющихся настоящим бедствием для цементных декоративных бетонов, из-за чего им следует уделять самое пристальное внимание.

Состав равновесной смеси можно выразить, используя:

а) степень диссоциации ()

б) степень превращения ()

в) выход продукта (х)

Рассмотрим на примерах все эти случаи:

а) по степени диссоциации

Степень диссоциации () – это доля продиссоциировавших молекул от исходного числа молекул. Ее можно выразить через количество вещества

где n дисс – число распавшихся молей исходного вещества;n исх – число молей исходного вещества до реакции.

Пусть до реакции было, например, 5 моль NO 2 , а α – степень диссоциации NO 2 .

По уравнению (1.20)
, непрореагировавшим NO 2 останется (5 – 5).

По уравнению реакции при диссоциации 2 молей NO 2 получается 2 моля NO и 1 моль O 2 , а из 5 получается соответственно 5 молей NO и молей О 2 . Равновесная строчка будет такой:

б ) по степени превращения

Степень превращения вещества () – это доля прореагировавших молекул данного веществa к исходному числу молекул этого вещества. Выражаем через количество вещества в молях

(1.21)

Пусть взято 2 моля СО и 2 моля Н 2,  - степень превращения водорода в реакции

Поясним равновесную строчку. Исходим из вещества, для которого известна степень превращения, т. е. Н 2 . Из уравнения (1.21) получаем n реаг = n исх · = 2 .

Из стехиометрического уравнения видно, что СО расходуется в 3 раза меньше, чем Н 2 , то есть если Н 2 реагирует 2, то СО прореагирует, а остальное останется к моменту равновесия не прореагировавшим. Также рассуждаем в отношении продуктов, используя стехиометрическое уравнение.

в) по выходу продукта .

Выход продукта (х) – количество конечного вещества в молях. Пусть "х" выход метанола в реакции

во всех трех случаях рассуждения аналогичны и исходят из вещества, для которого что-либо известно (в примерах эта величина подчеркнута).

Зная состав равновесной смеси, можно выразить константу равновесия. Так, для случая "в"

а из уравнения (1.19)

Выход вещества в долях (или %) – отношение количества образовавшегося продукта к общему количеству вещества в равновесной смеси:

В данном примере:

1.3.4 Влияние различных факторов на смещение равновесия (на состав равновесной смеси)

Влияние давления (или объема) при Т= const

Если система является идеальной, то константа равновесия К р не зависит от давления (или объема). Если же реакция идет при высоких давлениях, то надо пользоваться уравнением:

, (1.22)

где f – фугитивность.

Kf не зависит от давления, величина же K p от давления зависит, но по мере уменьшения давления приближается к величине К f , поскольку реальная газовая смесь приближается к идеальному состоянию, f  p . Так, для реакции:

при 350 атм K f = 0,00011 K Р = 0,00037

При невысоких давлениях можно считать К Р не зависящей от давления, то есть
. В дальнейшем будем рассматривать именно этот случай.

Из соотношения (1.12) видно, что величины
,
будут зависеть от давления, поэтому, не влияя на константу равновесия , изменение давления может влиять на состав равновесной смеси, на выход продуктов.

(1.23)

Уравнение (1.23) показывает, что влияние давления на
обусловлено величинойn:

n  0, реакция идет с увеличением числа молей газообразных продуктов, например:

, то есть при повышении общего давления К х уменьшается, уменьшается и количество продуктов в равновесной смеси, то есть равновесие смещается влево, в сторону образования COCl 2 .

n = 0-2-1= -3

, то есть с увеличением давления K x (и выход продукта) увеличивается.

K = K = const. В данном случае состав равновесной смеси не зависит от давления.

Добавление инертного газа при Р = const влияет на смещение равновесия аналогично уменьшению давления. Инертным газом в химическом равновесии считаются газы, не взаимодействующие с реагентами или продуктами реакции.

Увеличение объема при постоянном давлении влияет на смещение равновесия аналогично уменьшению давления.

Влияние соотношения между компонентами

На состав равновесной смеси оказывает влияние и соотношение взятых для реакции реагентов.

Наибольший выход продуктов будет при стехиометрическом соотношении. Так для реакции

соотношение водорода и азота 3:1 даст наибольший выход аммиака.

В ряде случаев необходима высокая степень превращения одного из реагентов даже в ущерб выходу продукта.

Например, при образовании хлористого водорода по реакции

необходимо более полное превращение хлора, чтобы в равновесной смеси было как можно меньше Cl 2 . Равновесная смесь растворяется в воде и таким образом получается соляная кислота. При этом водород почти не растворяется в воде и не содержится в кислоте, в то время как свободный хлор растворяется и ухудшается качество соляной кислоты.

Для достижения максимальной степени превращения Cl 2 берут второй реагент, Н 2 , в большом избытке.

Увеличение степени превращения обоих компонентов можно добиться, если выводить из реакционной зоны продукты реакции, связывая их в малодиссоциирующие, труднорастворимые или нелетучие вещества.

Влияние температуры на равновесие

Опыт показывает, что температура оказывает большое влияние на состав равновесной смеси, в одних реакциях увеличивая содержание продуктов реакции, в других - уменьшая. Количественно эта зависимость отражается уравнениями изобары (1.24) и изохоры (1.25) Вант-Гоффа:

(1.24)
(1.25)

Из этих уравнений видно, что изменение константы равновесия при увеличении температуры (а значит и изменение выхода продукта реакции) определяется знаком теплового эффекта H и U:

H0 или U0 - реакция эндотермическая (с поглощением тепла). Правые части уравнений больше нуля, это означает, что и производные больше нуля:

> 0;
> 0

Таким образом, функции lnK p и lnK c (а также K p и K c) увеличиваются с ростом температуры.

H0 или U0 - реакция экзотермическая (с выделением тепла).

< 0;
< 0

Константа равновесия убывает с ростом температуры, т.е. убывает содержание продуктов реакции в равновесной смеси, а увеличивается содержание исходных веществ.

Таким образом, повышение температуры способствует более полному протеканию эндотермических процессов. Проинтегрируем уравнение изобары.

Пусть Hf(Т) разделим переменные и интегрируем,

;
(1.26)

Как видим, константа равновесия зависит от температуры по экспоненциальному закону:
, а в координатах ln K = f() зависимость линейная (уравнение 1.26, рисунок 1.7)

Рисунок 1.7 – Температурная зависимость константы равновесия

Определенное интегрирование уравнения изобары дает:

(1.27)

Зная величину константы равновесия при одной какой-либо температуре, можно найти К р при любой другой при известном значении H.

разованием воды. Раствор, полученный после пропускания газов через воду, имел кислую реакцию. При обработке этого раствора нитратом серебра выпало 14,35 г белого осадка. Определить количественный и качественный состав исходной смеси газов. Решение.

Газ, который горит с образованием воды, - водород, он мало растворим в воде. Реагируют на солнечном свету со взрывом водород с кислородом, водород с хлором. Очевидно, что в смеси с водородом был хлор, т.к. образующийся НС1 хорошо растворим в воде и с AgN03 дает белый осадок.

Таким образом, смесь состоит из газов Н2 и С1:

1 моль 1 моль

НС1 + AgN03 -» AgCl 4- HN03.

х моль 14,35

При обработке 1 моль НС1 образуется 1 моль AgCl, а при обработке х моль 14,35 г или 0,1 моль. Mr(AgCl) = 108 + 2 4- 35,5 = 143,5, M(AgCl) = 143,5 г/моль,

v= - = = 0,1 моль,

х = 0,1 моль НС1 содержалось в растворе. 1 моль 1 моль 2 моль Н2 4- С12 2НС1 х моль у моль 0,1 моль

х = у = 0,05 моль (1,12 л) водорода и хлора вступило в реакцию при образовании 0,1 моль

НС1. В смеси было 1,12 л хлора, а водорода 1,12 л + 1,12 л (избыток) = 2,24 л.

Пример 6. В лаборатории имеется смесь хлорида и йодида натрия. 104,25 г этой смеси растворили в воде и пропустили через полученный раствор избыток хлора, затем раствор выпарили досуха и остаток прокалили до постоянной массы при 300 °С.

Масса сухого вещества оказалось равной 58,5 г. Определить состав исходной смеси в процентах.

Mr(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5, M(NaCl) = 58,5 г/моль, Mr(Nal) = 127 + 23 = 150 M(Nal) = 150 г/моль.

В исходной смеси: масса NaCl - х г, масса Nal - (104,25 - х) г.

При пропускании через раствор хлорида и йодида натрия йод вытесняется им. При пропускании сухого остатка йод испарился. Таким образом, сухим веществом может быть только NaCl.

В полученном веществе: масса NaCl исходного х г, масса полученного (58,5-х):

2 150 г 2 58,5 г

2NaI + С12 -> 2NaCl + 12

(104,25 - х) г (58,5 - х) г

2 150 (58,5 - х) = 2 58,5 (104,25-х)

х = - = 29,25 (г),

т.е. NaCl в смеси было 29,25 г, a Nal - 104,25 -- 29,25 = 75 (г).

Найдем состав смеси (в процентах):

w(Nal) = 100 % = 71,9 %,

©(NaCl) = 100 % - 71,9 % = 28,1 %.

Пример 7. 68,3 г смеси нитрата, йодида и хлорида калия растворено в воде и обработано хлорной водой. В результате выделилось 25,4 г йода (растворимостью которого в воде пренебречь). Такой же раствор обработан нитратом серебра. Выпало 75,7 г осадка. Определить состав исходной смеси.

С нитратом калия и хлоридом калия хлор не взаимодействует:

2KI + С12 -» 2КС1 + 12,

2 моль - 332 г 1 моль - 254 г

Мг(К1) = 127 + 39 - 166,

х = = 33,2 г (KI было в смеси).

v(KI) - - = = 0,2 моль.

1 моль 1 моль

KI + AgN03 = Agl + KN03.

0,2 моль х моль

х = = 0,2 моль.

Mr(Agl) = 108 + 127 = 235,

m(Agl) = Mv = 235 0,2 = 47 (r),

тогда AgCl будет

75,7 г - 47 г = 28,7 г.

74,5 г 143,5 г

KCl + AgN03 = AgCl + KN03

Х = 1 L_ = 14,9 (KCl).

Следовательно, в смеси было: 68,3 - 33,2 - 14,9 = 20,2 г KN03 .

Пример 8. На нейтрализацию 34,5 г олеума расходуется 74,5 мл 40%-ного раствора гидроксида калия. Сколько молей оксида серы (VI) приходится на 1моль серной кислоты?

100%-ная серная кислота растворяет оксид серы (VI) в любых соотношениях. Состав, выражаемый формулой H2S04*xS03, носит название олеума. Рассчитаем, сколько гидроксида калия необходимо для нейтрализации H2S04:

1 моль 2 моль

H2S04 + 2КОН -> K2S04 + 2Н20 xl моль у моль

у - 2*х1 моль КОН идет на нейтрализацию S03 в олеуме. Рассчитаем, сколько КОН необходимо для нейтрализации 1моль S03:

1 моль 2 моль

S03 4- 2КОН -> K2SO4 + Н20 х2 моль z моль

z - 2 x2 моль KOH идет на нейтрализацию SOg в олеуме. На нейтрализацию олеума идет 74,5 мл 40% -ного раствора КОН, т.е. 42 г или 0,75 моль КОН.

Следовательно, 2 xl + 2х 2 = 0,75,

98 xl + 80 х2 = 34,5 г,

xl = 0,25 моль H2S04,

х2 = 0,125 моль S03.

Пример 9. Имеется смесь карбоната кальция, сульфида цинка и хлорида натрия. Если на 40 г этой смеси подействовать избытком соляной кислоты, выделится 6,72 л газов, при взаимодействии которых с избытком оксида серы (IV) выделяется 9,6 г осадка. Определить состав смеси.

При действии на смесь избытка соляной кислоты могли выделиться оксид углерода (IV) и сероводород. С оксидом серы (IV) взаимодействует только сероводород, поэтому по количеству выделившегося осадка можно рассчитать его объем:

СаС03 + 2НС1 -> СаС12 + Н20 + C02t(l)

100 г - 1 моль 22,4 л - 1 моль

ZnS + 2НС1 -> ZnCl2 + H2St (2)

97 г - 1 моль 22,4 л - 1 моль

44,8 л - 2 моль 3 моль

2H2S + S02 -» 3S + 2Н20 (3)

xl л 9,6 г (0,3 моль)

xl = 4,48 л (0,2 моль) H2S; из уравнений (2 - 3) видно, что ZnS было 0,2 моль (19,4 г):

2H2S + S02 -> 3S + 2Н20.

Очевидно, что оксида углерода (IV) в смеси было:

6,72 л - 4,48 л = 2,24 л (С02).

Введение

Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза – более низкокипящим. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что бы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетон – бензол

Принципиальная схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси Х F .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Х w , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава Х p , получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

Рис. 1 Принципиальная схема ректификационной установки:

1 – емкость для исходной смеси; 2,9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.

Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия

Задание

Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси.

Смесь: ацетон – бензол .

Количество исходной смеси:
т/ч=15000 кг/ч

Состав исходной смеси:
% масс.

Состав кубового остатка:
% масс.

Состав дистиллята:
% масс.

Давление греющего пара: 5 ата

Давление в колонне: 1 ата

Вид контактных устройств: клапанные тарелки

1. Построение ступеней процесса ректификации

1. Пересчет массовых долей в мольные

,

где М А и М B – мольные массы ацетона и бензола, соответственно, кг/моль.

М А = 58 кг/моль; М B = 78 кг/моль

1. Материальный баланс колонны

Молярная масса исходной смеси

Мольный секундный расход смеси

Расход дистиллята

Подставим это выражение в , где F, D, W – расходы исходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кмоль/с.

кмоль/с

1. Равновесие между паром и жидкостью

Таблица 1. Равновесные составы жидкости (x ) и пара (y ) в мол. и температуры кипения (t ) в °C бинарных смесей при 760 мм. рт. ст.

Рис. 2 Кривая равновесия и положение рабочей линии при R мин

Рис. 3 Диаграмма t – x, y.

1 – линия жидкости; 2 – линия пара.

1. Минимальное флегмовое число

b max = 0,35 (рис. 2)

1. Рабочее флегмовое число

1.
; – коэффициент избытка флегмы

2.

3.

4.

5.

Рис. 4 Графическое определение числа теоретических тарелок при

Рис. 5 Графическое определение числа теоретических тарелок при

Рис. 6 Графическое определение числа теоретических тарелок при

Рис. 7 Графическое определение числа теоретических тарелок при

Рис. 8 Графическое определение числа теоретических тарелок при

1. Оптимальное флегмовое число

Таблица 2. Число теоретических ступеней при разных коэффициентах избытка флегмы

Рис. 9 Зависимость числа теоретических ступеней от флегмового числа

Рис. 10 Определение оптимального флегмового числа

График (рис. 10), построенный на основе данных (табл. 2), показывает, что минимальный объем колонны будет иметь место при R=2,655. Примем это флегмовое число для дальнейших расчетов и соответствующее ему число теоретических ступеней n тс в = 19; n тс н = 5

1. Мольный расход жидкости в верхней и нижней части колонны

1. Мольный расход пара в колонне

1. Физико-химические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны

1. Средние мольные концентрации жидкости и пара

моль. дол.

моль. дол.

По диаграмме t – x, y (рис. 3), при средних концентрациях жидкости и , определим средние температуры жидкости: °С и
°С

моль. дол.

моль. дол.,

где y D = x D ; y W = x W ; y F – состав пара, соответствующий составу исходной смеси x F (рис. 6)

По диаграмме t – x, y (рис. 3), при средних концентрациях пара и , определим средние температуры пара:
°С (334К) и
°С (347К);

1. Средние мольные массы жидкости и пара

1. Средние плотности жидкости и пара

Пересчет мольных концентраций в массовые:

масс. дол.

масс. дол.

кг/м 3 ,

где
и
– плотности ацетона и бензола соответственно при температуре °С,
кг/м 3 ,
кг/м 3

кг/м 3 ,

где и – плотности ацетона и бензола соответственно при температуре °С,
кг/м 3 , кг/м 3

где Т 0 – абсолютная температура, равная 273К

1. Средние вязкости жидкости и пара

,

где
и – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре °С,
,

,

,

,

,

где и – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре °С,
,

1. Массовые и объемные расходы жидкости и пара

Средние массовые расходы:

Объемные расходы:

Таблица 3. Параметры потоков пара и жидкости в колонне

	Наименование потока	Размерность параметра
	Жидкость в верхней части колонны		=63	=767,5	=5,12	=6,67∙10 -3
	Жидкость в нижней части колонны		=72,2	=802,6	=10,31	=1,29∙10 -2
	Пар в верхней части колонны		=62	=1,25
	Пар в нижней части колонны			=1,4	=7,95	=5,68

1. Гидравлический расчет колонны

1. Коэффициент увеличения нагрузки

1. Оценочная скорость пара

для верхней части колонны:

для нижней части:

1. Диаметр

верхней части колонны:

нижней части колонны:

1. Действительная скорость пара

Так как
принимаем колонну диаметром
в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

1. Относительная активная площадь тарелки

Периметр слива

%; сечение перелива 0,3м 2

1. Фактор нагрузки

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Коэффициент поверхностного натяжения для верхней части колонны:

где и – поверхностное натяжение смеси для верхней и нижней части колонны соответственно,
Н/м, Н/м

Примем минимальное расстояние между тарелками
м
;

м/с для нижней части колонны:

1. Проверка условий допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:

>

>

Видно, что условие не выполняется ни для верхней, ни для нижней частей колонны. Увеличивая последовательно расстояние между тарелками, а также диаметр колонны, найдем, что условие будет выполняться лишь при диаметре м;
м

Действительная скорость пара в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

Периметр слива
м; относительное свободное сечение
%; сечение перелива 0,52м 2

Относительное сечение перелива:

Относительная активная площадь тарелки:

Расстояние между тарелками м
;

Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для верхней части:

для нижней части колонны:

Условия допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:

>
>

>
>

Условия выполняются.

1. Удельная нагрузка жидкости на сливную перегородку

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

1. Фактор паровой нагрузки

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Подпор жидкости над сливным порогом в верхней части колонны:

для нижней части:

1. Глубина барботажа

Высота парожидкостного слоя на тарелках верхней части колонны:

на тарелках нижней части колонны:

1. Высота сливного порога

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

1. Динамическая глубина барботажа

м

1. Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении колонны

где - толщина клапана равная 0,001 м;
- плотность материала(сталь) равная 7700 кг/м 3

Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении верхних тарелок:

м/с

в свободном сечении нижних тарелок:

где
– коэффициент сопротивления

Коэффициент запаса сечения:

Так как > 1 и > 1, выбранное свободное сечение тарелок обеспечивает их равномерную работу, принимаем

1. Фактор аэрации

для верхних тарелок:

для нижних тарелок:

на верхних тарелках:

на нижних тарелках:

1. Высота слоя жидкости

на верхних тарелках:

на нижних тарелках:

1. Гидравлическое сопротивление тарелок

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

1. Высота сепарационного пространства между тарелками

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

где К 5 = 1 – коэффициент вспениваемости смеси

1. Межтарельчатый унос жидкости

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

1. Площадь поперечного сечения колонны:

Скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:

в переливных устройствах нижних тарелок:

Допустимая скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:

м/с в переливных устройствах нижних тарелок:

Действительная скорость жидкости в переливах меньше допустимых.

1. Локальная эффективность контакта

1. Коэффициент диффузии пара

,

где ; удельный объем ацетона и бензола соответственно

Коэффициент диффузии пара в верхней части колонны:

где
- температура пара в верхней части колонны

Коэффициент диффузии пара в нижней части колонны:

где
- температура пара в нижней части колонны

для верхней части колонны:

где и – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре °С, ,

где Ф = 1 – безразмерный параметр, учитывает ассоциацию молекул растворителя

Коэффициент диффузии жидкости для нижней части колонны:

,

где и – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре °С, ,

1. Число единиц переноса

в газовой фазе для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Число единиц переноса в жидкой фазе для верхней части колонны:

для нижней части:

Диаметр штуцера для входа флегмы,

Диаметр штуцера для выхода кубового остатка,

Список литературы

Ульянов. Б.А., Бадеников В.Я, Ликучев В.Г., процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие – Ангарск: Издательство ангарской государственной технической академии, 2005 г. - 903 с.

Дытнерский Ю.И. основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: химия, 1991.-496 с.

Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии – Изд. 2-е, испр. И доп. – Ангарск, АГТА, 2005 г. - 64 с.

колонн для разделения трехкомпонентных азеотропных смесей с использованием принципов переходимости разделяющих многообразий // Разделение жидких неидеальных смесей ...

... рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон -хлороформ в сложной колонне с боковой секцией

Дипломная работа >> Химия

... разделению ряда промышленных смесей . Их использование на установках газофракционирования для разделения смеси ... ректификационных комплексов с частично связанными тепловыми потоками: а – с боковыми отпарными секциями для разделения ... разделения смеси ацетон - ...

Разработка энергосберегающей схемы разделения трехкомпонентной азеотропной смеси бензолциклогексан-гексан

Дипломная работа >> Химия

Работы установки . Непрерывная ректификация многокомпонентных смесей осуществляется в установках , состоящих из ряда ректификационных колонн непрерывного действия , ... определяется выражением: 2.7.1 Так, для разделения смеси , состоящей из 3-х компонентов, ...

Методы разделения азеотропных смесей

Дипломная работа >> Химия

Применительно к разделению ряда промышленных смесей . Их использование на установках газофракционирования для разделения смеси изо-С4 ... под действием УФ облучения превращается в смесь бензилхлорида, a,a-дихлортолуола (бензальхлорид) и (трихлорметил)бензола (...

Учимся решать задачи на смеси органических веществ

Обобщение опыта преподавания органической химии в профильных биолого-химических классах

Одним из главных критериев усвоения химии как учебной дисциплины является умение учащихся решать расчетные и качественные задачи. В процессе преподавания в профильных классах с углубленным изучением химии это имеет особую актуальность, т. к. на всех вступительных экзаменах по химии предлагаются задачи повышенного уровня сложности. Наибольшую трудность при изучении органической химии вызывают задачи на определение количественного состава многокомпонентной смеси веществ, качественное распознавание смеси веществ и разделение смесей. Это связано с тем, что для решения таких задач необходимо глубоко понимать химические свойства изучаемых веществ, уметь анализировать, сравнивать свойства веществ разных классов, а также иметь хорошую математическую подготовку. Очень важный момент в обучении – обобщение сведений о классах органических веществ. Рассмотрим методические приемы формирования у учащихся умения решать задачи на смеси органических соединений.

Углеводороды

• Где какое вещество (качественный состав)?
• Сколько вещества в растворе (количественный состав)?
• Как разделить смесь?

ЭТАП 1. Обобщение знаний о химических свойствах углеводородов с помощью таблицы (табл. 1).

ЭТАП 2. Решение качественных задач.

Задача 1 . Газовая смесь содержит этан, этилен и ацетилен. Как доказать присутствие в данной смеси каждого из газов? Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение

Из оставшихся газов бромную воду будет обесцвечивать только этилен:

С 2 Н 4 + Вr 2 = С 2 Н 4 Вr 2 .

Третий газ – этан – горит:

2С 2 Н 6 + 7О 2 4СО 2 + 6Н 2 О.

Таблица 1

Химические свойства углеводородов

Реагент	Представители углеводородов
	СН 3 СН 3 этан	СН 2 =СН 2 этилен	СНСН ацетилен	С 6 Н 6 бензол	С 6 Н 5 СН 3 толуол	С 6 Н 5 СН=СН 2 стирол	С 6 Н 10 циклогексен
Br 2 (водн.)	–	+	+	–	–	+	+
KMnO 4	–	+	+	–	+	+	+
Ag 2 O (р-р в NH 3 водн.)	–	–	+	–	–	–	–
Na	–	–	+	–	–	–	–
O 2	+	+	+	+	+	+	+

Задача 2. Выделите в чистом виде компоненты смеси, состоящей из ацетилена, пропена и пропана. Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение

При пропускании смеси через аммиачный раствор оксида серебра поглощается только ацетилен:

С 2 Н 2 + Аg 2 O = С 2 Аg 2 + НОН.

Для регенерации ацетилена полученный ацетиленид серебра обрабатывают соляной кислотой:

С 2 Аg 2 + 2НСl = С 2 H 2 + 2AgCl.

При пропускании оставшихся газов через бромную воду поглотится пропен:

С 3 Н 6 + Br 2 = С 3 H 6 Br 2 .

Для регенерации пропена полученный дибромпропан обрабатывают цинковой пылью:

С 3 Н 6 Вr 2 + Zn = С 3 Н 6 + ZnBr 2 .

ЭТАП 3. Решение расчетных задач.

Задача 3. Известно, что 1,12 л (н.у.) смеси ацетилена с этиленом в темноте полностью связывается с 3,82 мл брома ( = 3,14 г/мл). Во сколько раз уменьшится объем смеси после пропускания ее через аммиачный раствор оксида серебра?

Решение

С бромом реагируют оба компонента смеси. Составим уравнения реакций:

С 2 Н 4 + Br 2 = С 2 Н 4 Вr 2 ,

С 2 Н 2 + 2Вr 2 = С 2 Н 2 Вr 4 .

Обозначим количество вещества этилена через х моль, а количество вещества ацетилена через
y моль. Из химических уравнений видно, что количество вещества реагирующего брома будет в первом случае х моль, а во втором – 2y моль. Количество вещества газовой смеси:

= V /V M = 1,12/22,4 = 0,05 моль,

а количество вещества брома:

(Br 2) = V /M = 3,82 3,14/160 = 0,075 моль.

Составим систему уравнений с двумя неизвестными:

Решая систему, получим, что количество вещества этилена в смеси равно количеству вещества ацетилена (по 0,025 моль). С аммиачным раствором серебра реагирует только ацетилен, поэтому при пропускании газовой смеси через раствор Ag 2 O объем газа уменьшится ровно в два раза.

Задача 4. Газ, выделившийся при сгорании смеси бензола и циклогексена, пропустили через избыток баритовой воды. При этом получили 35,5 г осадка. Найдите процентный состав исходной смеси, если такое же ее количество может обесцветить 50 г раствора брома в тетрахлориде углерода с массовой долей брома 3,2%.

Решение

С 6 Н 10 + Br 2 = C 6 H 10 Br 2 .

Количество вещества циклогексена равно количеству вещества брома:

(Br 2) = m /M = 0,032 50/160 = 0,01 моль.

Масса циклогексена составляет 0,82 г.

Запишем уравнения реакций сжигания углеводородов:

С 6 Н 6 + 7,5О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О,

С 6 Н 10 + 8,5О 2 = 6СО 2 + 5Н 2 О.

0,01 моль циклогексена образует при сжигании 0,06 моль углекислого газа. Выделяющийся углекислый газ образует осадок с баритовой водой по уравнению:

СО 2 + Ba(OH) 2 = BaСО 3 + Н 2 О.

Количество вещества осадка карбоната бария (BaCO 3) = m /M = 35,5/197 = 0,18 моль равно количеству вещества всего углекислого газа.

Количество вещества углекислого газа, образовавшегося при сгорании бензола, составляет:

0,18 – 0,06 = 0,12 моль.

По уравнению реакции горения бензола рассчитываем количество вещества бензола – 0,02 моль. Масса бензола – 1,56 г.

Масса всей смеси:

0,82 + 1,56 = 2,38 г.

Массовые доли бензола и циклогексена равны соответственно 65,5% и 34,5%.

Кислородсодержащие
органические соединения

Решение задач на смеси в теме «Кислородсодержащие органические соединения» происходит аналогичным образом.

ЭТАП 4. Составление сравнительно-обобщающей таблицы (табл. 2).

ЭТАП 5. Распознавание веществ.

Задача 5. С помощью качественных реакций докажите присутствие в данной смеси фенола, муравьиной кислоты и уксусной кислоты. Напишите уравнения реакций, укажите признаки их протекания.

Решение

Из компонентов смеси фенол реагирует с бромной водой с образованием белого осадка:

С 6 Н 5 ОН + 3Вr 2 = С 6 Н 2 Вr 3 ОН + 3НВr.

Наличие муравьиной кислоты можно установить при помощи аммиачного раствора оксида серебра:

НСООН + 2Аg(NН 3) 2 ОН = 2Аg + NH 4 HCO 3 + 3NН 3 + НОН.

Cеребро выделяется в виде осадка или зеркального налета на стенках пробирки.

Если после добавления избытка аммиачного раствора оксида серебра смесь дает вскипание c раствором питьевой соды, то можно утверждать, что в смеси присутствует уксусная кислота:

СН 3 СООН + NaНСО 3 = СН 3 СООNа + СО 2 + Н 2 O.

Таблица 2

Химические свойства кислородсодержащих
органических веществ

Реагент	Представители кислородсодержащих соединений
	СН 3 ОН метанол	С 6 Н 5 ОН фенол	НСНО метаналь	НСООН муравьиная кислота	СН 3 СНО ацет- альдегид	НСООСН 3 метил- формиат	С 6 Н 12 О 6 глюкоза
Na	+	+	–	+	–	–	+
NaOH	–	+	–	+	–	+	–
NaHCO 3	–	–	–	+	–	–	–
Ba 2 (водн.)	–	+	+	+	+	+	+
Ag 2 O (р-р в NH 3 водн.)	–	–	+	+	+	+	+

Задача 6. В четырех пробирках без надписей находятся этанол, ацетальдегид, уксусная кислота и муравьиная кислота. При помощи каких реакций можно различить вещества в пробирках? Составьте уравнения реакций.

Решение

Анализируя особенности химических свойств данных веществ, приходим к выводу, что для решения проблемы следует воспользоваться раствором гидрокарбоната натрия и аммиачным раствором оксида серебра. Ацетальдегид реагирует только с оксидом серебра, уксусная кислота – только с гидрокарбонатом натрия, а муравьиная кислота – и с тем, и с другим реактивом. Вещество, не вступающее в реакцию ни с одним из реактивов, – этанол.

Уравнения реакций:

СН 3 СНО + 2Аg(NН 3) 2 ОН = СН 3 СООNH 4 + 2Аg + 3NН 3 + НОН,

СН 3 СООН + NаНСО 3 = СН 3 СООNа + СО 2 + НОН,

НСООН + 2Аg(NН 3) 2 ОН = 2Аg + NH 4 HСО 3 + 3NН 3 +НОН,

НСООН + NаНСО 3 = НСООNа + СО 2 + НОН.

ЭТАП 6. Определение количественного состава смеси.

Задача 7. На нейтрализацию 26,6 г смеси уксусной кислоты, ацетальдегида и этанола израсходовано 44,8 г 25%-го раствора гидроксида калия. При взаимодействии такого же количества смеси с избытком металлического натрия выделилось 3,36 л газа при н.у. Вычислите массовые доли веществ в данной смеси.

Решение

С металлическим Na будут реагировать уксусная кислота и этанол, а с КОН – только уксусная кислота. Составим уравнения реакций:

СН 3 СООН + Nа = СН 3 СООNа + 1/2H 2 , (1)

С 2 Н 5 ОН + Nа = С 2 Н 5 ONa + 1/2Н 2 , (2)

Задача 8. Смесь пиридина и анилина массой 16,5 г обработали 66,8 мл 14%-й хлороводородной кислоты ( = 1,07 г/мл). Для нейтрализации смеси потребовалось добавить 7,5 г триэтиламина. Рассчитайте массовые доли солей в полученном растворе.

Решение

Составим уравнения реакций:

С 5 Н 5 N + НСl = (С 5 Н 5 NH)Cl,

С 6 Н 5 NH 2 + НСl = (С 6 Н 5 NН 3)Cl,

(С 2 Н 5) 3 N + НСl = ((С 2 Н 5) 3 NН)Сl.

Рассчитаем количества веществ – участников реакций:

(HCl) = 0,274 моль,

((С 2 Н 5) 3 N) = 0,074 моль.

На нейтрализацию триэтиламина израсходовано также 0,074 моль кислоты, а для реакции со смесью: 0,274 – 0,074 = 0,2 моль.

Используем тот же прием, что и в задаче 3. Обозначим х – число моль пиридина и y – число анилина в смеси. Составим систему уравнений:

Решая систему, получим, что количество пиридина – 0,15 моль, а анилина – 0,05 моль. Рассчитаем количества веществ хлороводородных солей пиридина, анилина и триэтиламина, их массы и массовые доли. Они составляют соответственно 0,15 моль, 0,05 моль, 0,074 моль; 17,33 г, 6,48 г, 10,18 г; 18,15%, 6,79%, 10,66%.

ЛИТЕРАТУРА

Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Химия. 2400 задач для школьников и поступающих в вузы. М.: Дрофа, 1999;
Ушкалова В.Н., Иоанидис Н.В . Химия: конкурсные задания и ответы. Пособие для поступающих в вузы. М.: Просвещение, 2000.