Расчетная работа По учебной дисциплине «Теоретические основы защиты окружающей среды», часть 1 (Вариант 14) (стр. 3 )

3) Определим равновесное давление ацетона при реальных парциальных давлениях компонентов реакции. Для этого необходимо перейти от Па к атм (1атм = 101300 Па), так как величина энергии Гиббса измерена при стандартном давлении 1 атм. Тогда:

Сац = Рац · RT = 22,8 · 10-132 · 8,314 · 623 = 1,2 · 10-127 моль/м3

Эта концентрация значительно ниже ПДК и, таким образом, метод каталитического дожигания в равновесных условиях позволяет практически полностью очистить воздух от паров ацетона.

4) Кинетика каталитической реакции окисления паров ацетона

Реальные процессы протекают в условиях, далеких от равновесия с определенной конечной скоростью и при повышенных температурах.

Скорость протекания реакции можно выразить с помощью кинетического уравнения:

ω = k1 · Cn1ац Сn2О2

где k1 –константа скорости, которая не зависит от концентрации реагентов и растет с увеличением температуры; n1 и n2 –частные порядки реакции по ацетону и кислороду.

В данном случае реакция протекает при большом избытке кислорода, поэтому можно принять СО2 = const, тогда

ω = k1 · Cn1ац = k1 · Сn2О2

где k = k1 · Сn2О2 ; С – концентрация ацетона; n –порядок реакции.

Окисление ацетона ведем на твердом катализаторе. Процесс- гетерогенный и может проходить в кинетической и диффузионной области. Для определения порядка реакции и константы скорости такого сложного процесса необходимы экспериментальные данные, например, изменение концентрации ацетона во времени и константы скорости при двух температурах.

Кинетика каталитического окисления ацетона при температуре 490˚С

K(530˚С)/k(490˚С) = 2,1

τ, с	0	1	5	10	15	20	40	60
С, моль/м3	10	1,94	0,738	0,481	0,374	0,313	0,203	0,158
lnC	2,3	0,66	-0,3	-0,73	-0,98	-1,16	-1,59	-1,85
1/C	0,1	0,52	1,36	2,08	2,67	3,19	4,93	6,33

Изменение константы скорости реакции при увеличении температуры

t1, ˚С	t2, ˚С	К2/К1
490	530	2,1

Целочисленный порядок реакции удобно определить графическим методом. Для этого интегрируем кинетическое уравнение при n = 0; 1 и 2 (пределы интегрирования 0- τ и С0 -С)

n = 0; - dc/dτ; С = С0 – kτ;

n = 1; - dc/dτ = kC; lnС = lnС0 – kτ;

n = 2; - dc/dτ = kC2; 1/С = 1/С0 – kτ;

Таким образом, имеем линейные уравнения при y =С; lnC или 1/С; х = τ. Если реакция протекает, например, по первому порядку, то экспериментальные данные должны дать линейный график в координатах lnC = f(τ), в других координатах получится криволинейная зависимость. Для этого дополняем таблицу строками lnC и 1/С и строим кинетические кривые в функциональных координатах уравнений.

Как видно, экспериментальные данные не подчиняются кинетическим уравнениям 0-, 1- и 2-го порядков. Вероятно, в данном случае порядок имеет дробную величину. В связи с этим применим дифференциальный метод анализа, который заключается в том, что при логарифмировании уравнения ω = k1 · Cn1ац = k1 · Сn2О2

lnw = lnk + nlnC

получается линейная зависимость lnw от lnC, а угловой коэффициент при этом равен n и отрезок отсекаемый на оси lnw равен lnk.

Скорость реакции вычисляем графическим дифференцированием кинетической кривой. Для этого разбиваем ось времени на одинаковые участки по ∆τ = 5 с и измеряем ∆С на каждом участке. Тогда заменяя криволинейную зависимость на каждом участке на линейную, получаем значения средней скорости реакции в пределах выбранных концентраций

Данные сводим в таблицу.

Определение порядка и константы скорости реакции окисления ацетона

τ, с	0	5	10	15	20
С, моль/м3	10	0,738	0,481	0,374	0,313
∆С, моль/м3	-	9,262	0,257	0,107	0,061
W=(∆С/ ∆τ)·102	185,24	5,04	2,14	1,22
СCp, моль/м3	5,369	0,6095	0,4275	0,3435
lnw	5,22	1,62	0,76	0,199
ln СCp	1,68	-0,495	-0,85	-1,614
k·103

Затем рассчитываем на каждом участке ССр = (Ci+1 - Ci)/2 и строим зависимость lnw = f (lnCСр). Наилучшим способом проводим прямую линию, отвечающую уравнению lnw = lnk + nlnC. Кинетический порядок реакции равен тангенсу угла наклона прямой.

Среднюю константу скорости реакции определяем, экстраполируя кривую к lnC = 0

lnk = 0,6

k = 1,81

Таким образом, кинетическое уравнение в данном случае можно записать:

Или после интегрирования этого уравнения получаем:

Из последнего уравнения рассчитываем константу скорости для заданных концентраций и времен k = и результаты вносим в таблицу. Средняя константа скорости равна

Что практически совпадает с измеренной графическим методом. Температурную зависимость скорости реакции передает уравнение Аррениуса:

Где k0 – предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации.

Экспериментальные данные позволяют рассчитать эти константы. Для этого логарифмируем и записываем уравнение Аррениуса для двух заданных температур:

Вычитаем первое уравнение из второго и вычисляем энергию активации

Рассчитываем предэкспоненциальный множитель

Большая величина Е показывает, что реакция протекает в кинетической области, т. к. для диффузионной области энергия активации не превышает 20 кДж/моль.

Энергия активации и предэкспонента в теории абсолютных скоростей реакции связаны с энтропией и энтальпией переходного состояния

Тогда энергия Гиббса образования переходного состояния равна

Таким образом, выполненные действия позволяют проводить расчет скорости процесса на выбранном катализаторе при заданных исходных концентрациях компонента и температурах, так как порядок реакции, энтропия переходного состояния и энергия активации не зависят от концентрации и температуры:

Задание 3.3 Адсорбционная очистка вентиляционных газов от вещества А (ацетона) и выделение его в чистом виде методом ректификации

1.  См. разд. 3.1.

2.  Вентиляционные газы очищаются от вещества А методом адсорбции при температуре 25˚ с использованием активного угля СКТ. Максимальная температура адсорбера t2 =35˚C, минимальная t1 =-15˚C. Адсорбция- экзотермический процесс, поэтому, чтобы снизить температуру в адсорбере вентиляционные газы разбавляют воздухом в 2 раза.

  2.1. Дать характеристику адсорбционного метода очистки газов

  2.2. Рассчитать процесс адсорбции.

  3. Десорбция вещества А (С2Н4О2) водяным паром позволила получить раствор с концентрацией хн = 0,10 в количестве Gн= 1000 кг. Методом ректификации при давлении Р получены дистиллят и кубовый остаток с концентрациями хД =0,005 и хК = 0,95 соответственно.

  3.1. Дать характеристику метода ректификации.

  3.2. Рассчитать процесс ректификации.

  4. Низкоконцентрированный раствор разбавляется другими сточными водами в 10 раз и направляется на биологическую очистку.

  4.1. Дать характеристику биохимической очистке сточных вод.

  4.2. Рассчитать кинетику процесса (принять порядок реакции n=1)

  4.3. Дать прогноз изменения времени процесса при колебаниях температуры ±5˚ С и увеличении концентрации сточных вод в 10 раз.

К1, ч-1	0,13
K2/K1	3,0
t1,˚C	20
t2,˚C	30

2.1. Адсорбционный метод очистки газов

Абсорбционный метод – скрубберный  метод, заключается в разделении газовоздушной смеси на  составные части путём поглощения одного или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) этой смеси жидким поглотителем ( абсорбентом ) с образованием раствора. Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нём  извлекаемого компонента и её зависимость от t° и p. Хорошо растворимыми называются газы, которые при 0 °С, 101,3 кПа  растворяются в количество сотни граммов на 1кг растворителя. Таким образом, удаляют NH3, HF, HCl  используя в качестве поглотителя просто воду.