Ответы на вопросы по курсу ОХТ

Назначение, принцип действия и схема работы щековой дробилки.

Ответ: Щековые дробилки относятся (ЩД) к размольным машинам с преобладанием измельчения способами размалывания, раскалывания и раздавливания. Чаще всего ЩД используются при крупном и среднем дроблении.

Основными рабочими органами ЩД являются смонтированные на станине 1 стальная или чугунная неподвижная щека 2 и подвижная щека 4, защищенные плитами, изготовленными из очень прочного (износоустойчивого) материала. С торцов пасть закрыта гладкими плитами 3. ЩД работает циклично – в 2 стадии: измельчение ТМ; загрузка-выгрузка ТМ. На стадии измельчения подвижная щека перемещается влево, плиты сближаются, и происходит разрушение ТМ. На стадии загрузки-выгрузки подвижная щека перемещается вправо; при этом измельченный материал выгружается из ЩД через нижнее сечение пасти (шпальт), и одновременно в рабочий объем через верхнее сечение (зев) подается свежая порция исходного ТМ. Возвратно- поступательное перемещение щеки около оси 5 обеспечивается подъемно-опускным движением шатуна 8, сидящего на эксцентриковом валу 7, и распоротыми плитами 9, шарнирно соединяющими шатун с подвижной щекой (левая плита 9) и клиньями 12 (правая плита 9). При подъеме шатуна подъемные плиты располагаются почти в одну линию, так что подвижная щека идет влево (измельчение ТМ в пасти). При опускании шатуна распорные плиты располагаются в ломаную линию так, что подвижная щека идет вправо (разгрузка ТМ через шпальт и загрузка свежих его порций через зев). На стадии загрузки-выгрузки под действием собственного веса ТМ в рабочей зоне подвижная щека весьма медленно перемещается вправо; чтобы частота этого перемещения соответствовала режиму ЩД, пересмотрен принудительный возврат подвижной щеки в крайнее правое положение с помощью тяг 10 и пружин 11.

Для восприятия значительных инерционных усилий на эксцентриковом валу 7 устанавливается массивное моховое колесо 6.

Конечный размер куска измельченного ТМ регулируется шириной щели (нижнего сечения) шпальта за счет фиксации клиньев 12 в определенном положении.

При работе ЩД возможно случайное попадание в рабочий объем (в пасть) очень прочного куска какого-либо постороннего ТМ. Чтобы избежать поломки дорогостоящих узлов и деталей ЩД, на этот случай предусмотрена преднамеренная поломка какой-нибудь дешевой и легко заменяемой детали, чаще всего – специально ослабленной правой распорной плиты 9: она выполняет роль «предохранительного клапана» - при поломке его легко заменить на новую.

Крепление подвижной щеки может быть различным (рис 22.4). Применяемое чаще всего верхнее крепление (рис 22.3,а и 22.4,а, стр. 1627) обеспечивает надежную выгрузку ТМ. Однако из-за переменной ширины шпальта в этом случае продукт состоит из кусков, заметно отличающихся своими размерами. Нижнее крепление подвижной щеки (рис.22.4,б, стр. 1627) обеспечивает большую однородность в размере кусков измельченного ТМ. Но в этом случае возможно зависание измельченного ТМ при его выгрузке через шпальт. В обоих рассмотренных случаях различные участки подвижной щеки при ее качании перемещаются на разные расстояния и потому испытывают неодинаковые механические нагрузки (наибольшие – в области максимального перемещении участков подвижной щеки). От этого недостатка свободны ЩД с параллельным перемещением подвижной щеки (рис.22.4,в); платить за это улучшение приходиться значительным усложнением кинематической схемы ЩД. Наконец, существуют ЩД со сложным перемещением подвижной щеки (рис.22.4,г) – влево и вниз на стадии измельчания. В этом случае облегчается выгрузка измельченного ТМ; кроме того, к указанным выше способам добавляется еще истирание, что важно при разрушении мягких и вязких ТМ. Кинематическая схема также сложна.

Диапазон размеров весьма широк: от лабораторных дробилок до пилотных и промышленных. Они могут развивать очень большие усилия.

Достоинства: простота, надежность, легкость обслуживания, относительная компактность. Недостатки: периодичность цикла работ, следовательно, неравномерность нагрузки на рабочий орган в процессе измельчения, поломки, необходимость замены распорной плиты, шум

1. В газовой фазе протекают реакции: основная А + В = R (ΔН <0) и побочная 2 R → S (ΔН < 0). Как сместить равновесие и увеличить селективность процесса?

Ответ: Основная реакция протекает с уменьшением числа молей, следовательно, для смещения равновесия нужно ­Р, ­С_{исх. реаг}.; реакция экзотермическая (DН<0), значит, ¯t°; выводим продукты из сферы реакции – смещение равновесия и ­ селективности процесса, так как подавится скорость побочной реакции; поскольку реакции последовательны, то для получения max выхода целевого продукта нужно использовать реактор периодического действия или полного вытеснения.

Принцип Ле Шателье: Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, течение которого ослабляет влияние произведенного воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении.

2. Реакция получения синтез-газа (СО + Н₂):

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ (D Н >0) сопровождается побочной реакцией:

CН₄ = С + 2Н₂, энергия активации которой значительно больше, чем основной реакции. Чем будет определяться выбор температуры процесса?

Ответ: Рассмотрим основную реакцию с точки зрения термодинамики. Поскольку реакция является эндотермической (∆Н>0), то для смещения равновесия в сторону образования целевого продукта необходимо увеличивать температуру. С точки зрения кинетики скорость основной реакции также будет возрастать с увеличением температуры. Следовательно, для основной реакции противоречия между кинетикой и термодинамикой не возникает. Ограничения по увеличению температуры будет накладывать побочная реакция. Поскольку её энергия активации велика, по сравнению с основной реакцией, то вначале при повышении температуры до некоторого значения побочная реакция протекать не будет, а затем повышение температуры в большей степени будет влиять на увеличение скорости побочной реакции, а не основной, что приведет к уменьшению выхода целевого продукта.

3. В реакционной системе в газовой фазе протекают две реакции:

А + В = R + S (D Н < 0) – основная и 2 А ® D – побочная. Наблюдаемая энергия активации основной реакции меньше, чем наблюдаемая энергия активации побочной. Как увеличить селективность процесса при сохранении производительности?

Ответ: Будем считать, что основная реакция – обратимая, побочная нет (это сомнений не вызывает). Основная задача: подавление побочной р-ции, смещение равновесия основной р-ции в сторону образования продукта. Поскольку основная реакция экзотермична, то снижение температуры приведет к смещению равновесия в сторону образования целевого продукта, но при этом произойдет уменьшение скоростей реакций, интенсивности процесса, что повлечет за собой снижение производительности (кол-во продукта в ед. времени). Если Е_а1<Е_а2, то с понижением т-ры наблюдается возрастание дифференциальной сел-ти, т.е. относительно более быстрое уменьшение скорости побочной р-ции по сравнению с уменьшением скорости основной р-ции. Изменение давления никак не влиляет на смещение равновесия нашей основной реакции. Введение избытка исходного в-ва В сместит равновесие вправо. Введение избытка А приведет помимо этого к увеличению выхода продукта побочной р-ции, т.е. влияние на сел-ть неоднозначно. Т.о. для увеличения селективности процесса при сохранении производительности необходимо ввести катализатор основной реакции, что приведет к изменению энергии активации осн. р-ции.

4. С какой целью в процессе пиролиза нефтепродуктов проводят резкое снижение температуры газов на выходе из реактора (“закалку”)? Обосновать ответ. В каких ещё случаях применяется данный приём?

Ответ: Пиролиз – высокотемпературный крекинг. Подвергают фракции прямой перегонки нефти, состоящие из алканов, цикланов и аренов, природные и попутные нефтяные газы, содержащие алканы с целью получения низкомолекулярных алкенов и алканов. Температуры пиролиза 700-850 °С. Наиболее значительную часть химических превращений составляет термический распад углеводородов. Одновременно также идут реакции полимеризации, конденсации, гидрирования, алкилирования. Продуктами пиролиза являются газообразные, жидкие и твердые вещества. Газ пиролиза содержит алкены, алканы, бутадиен и водород. Жидкие продукты – смола пиролиза, главным образом арены и алкены. Твердый продукт – кокс – продукт глубокой дегидроконденсации аренов, а также углерод. Высокие температуры процесса необходимы для увеличения выхода газа и кокса и снижения количества жидких продуктов. Для сохранения целевых продуктов пиролиза от дальнейших превращений проводят закалку (резкое охлаждение) продуктов ~ до 300°С.

5. В гетерогенной системе «Газ – Твердое» протекает необратимая реакция: А(г) + В(т) ® R(г) + S(т). Константа скорости химической реакции меньше коэффициентов внешней и внутренней диффузии. Что можно предпринять для ускорения процесса? Какие способы определения лимитирующей стадии гетерогенного процесса Вы знаете?

Ответ: Поскольку константа скорости меньше коэффициентов внешней и внутренней диффузии, лимитирующей стадией процесса является химическая реакция. Следовательно, для ускорения процесса следует применять приемы ускорения химической реакции, а именно: ↑Т, ↑С_реаг. Для выявления лим. стадии исследуют влияние на процесс температуры, линейной скорости потока и величины зерна твердой фазы (при прочих постоянных условиях). Признаки лимитирующей стадии:

1) максимальное сопротивления (минимальный коэф-т интенсивности)

2) константа скорости гетерогенного процесса приближенно равна коэф-ту интенсивности.

3) Происходит максимально возможное падение концентрации газообразного реагента от С_v до 0 для необратимых реакций и от С_v до С_v^* для обратимых

4) Скорость процесса м.б. рассчитана по скорости лимитирующей стадии

6. Каталитическое дегидрирование бутенов до 1,3-бутадиена С₄Н₈ = С₄Н₆ + Н₂ (DН >0) проводят при температуре: 620 – 640 ⁰С и пониженном давлении реагентов и продуктов. Процесс осложнен образованием кокса. Какой прием используют для понижения давления в этом процессе? Обосновать ответ и дополнительные преимущества использования данного приёма.

Ответ: Для понижения давления используют введение инертного разбавителя (водяного пара). Дополнительное преимущество данного метода состоит в том, что присутствие водяного пара исключает возможность зашлаковывания аппарата вследствие протекания реакции

С+Н₂О → СО+Н₂

Кроме того, из-за пониженного давления уменьшается доля дальнейших реакций полимеризации. Водяной пар относительно дешев и легко отделяется конденсацией от продуктов пиролиза.

7. В гетерогенной системе «Газ – Твердое» протекает необратимая реакция А(г) + В(т)® R(г) + S(т). Коэффициент внешней диффузии меньше константы скорости химической реакции и эффективного коэффициента внутренней диффузии. Что можно предпринять для наиболее эффективного ускорения процесса? Перечислите способы определения лимитирующей стадии гетерогенного процесса?

Ответ: Коэффициент внешней диффузии меньше константы скорости химической реакции и эффективного коэффициента внешней диффузии: β<k<β’. В данном случае lim стадией является внешняя диффузия, поэтому ускорение процесса произойдет при ускорении lim стадии.

r=β(Cv-C_F), β-коэфф-т массопередачи, β=D/δ, D-коэффициент молекулярной диффузии. Для ускорения процесса нужно:

1) увеличить концентрацию реагентов;

2) увеличить температуру(но это невыгодно,т.к. D слабо зависит от температ.);

3) ↑ давление газовой фазы;

4) ↑ линейную скорость потока и турбулентность (проведение процесса в ПС- псевдоожиженном слое)

На внешнюю дифф-ю влияет скорость потока: чем >скор-ть потока, тем>скор-ть процесса.

(Способы определения lim стадии смотри в 5 вопросе.)

8. Какое соотношение исходных веществ необходимо для эффективного осуществления процесса конверсии СО водяным паром СО + Н₂О à СО₂ + Н₂ ()? Ответ обоснуйте. Из каких соображений выбирается соотношение исходных реагентов?

Ответ: Для эффективного осуществления процесса его ведут с избытком Н₂О_пар. Н₂О: СО=3:1. Избыток Н₂О_пар применяется для: 1) Смещения равновесия процесса производства азотоводородной смеси (в том числе реакции конверсии СО водяным паром) 2) Для подавления побочных реакций: 2CO à C + CO₂ и СН₄ à C + 2Н₂ (побочная реакция паровой конверсии метана). 3) Для увеличения срока службы катализаторов (препятствует зауглероживанию). Количество избытка определяется исходя из экономических соображений.

9. Почему реакции горения различных органических веществ вне зависимости от величины теплового эффекта (степени экзотермичности) являются необратимыми? Обосновать ответ.

Ответ: Возможность протекания реакции позволяет оценить величина свободной энергии Гиббса ∆G⁰т. Если ∆G⁰т>>0, то равновесие смещено в сторону обратной реакции, если ∆G⁰т=0,то система находится в равновесии, а если ∆G⁰т<<0, то смещено в сторону прямой реакции.

∆Gт =-RTlnKp

∆G⁰т=∆H⁰т-T∆S⁰

В соответствии с последним выражением, для протекания реакции в прямом направлении благоприятно: большие отриц.величины ∆H⁰ и положит. ∆S⁰. А процессы горения всегда экзотермичны, т.е. ∆H⁰>0, и главное всегда протекают с увеличением энтропии, т. е. ∆S⁰>0. Поэтому ∆Gт>0.

10. Что является главной причиной большой кратности рециркуляции исходных веществ в синтезе аммиака? Обосновать ответ.

Ответ: Главная причина большой кратности рециркуляции является малое время пребывания, для предотвращения переразложения N₂ и Н₂. (синтез NH₃).

,(). В процесс синтеза NH₃ – обратимый, несмещенный. Для смещения равновесия уменьшают Т и увеличивают Р. Но даже при таких условиях, т.к. процесс несмещенный, то конверсия NH₃ составляет 20%. Отсюда, раз не можем сместить равновесие, снижаем (для предотвращения обратной реакции), что ведет к малой конверсии => многократной рециркуляции

11. Скорость гетерогенного каталитического процесса лимитирует стадия адсорбции исходных веществ на поверхности катализатора. Какое изменение в условиях процесса приведет к наибольшему повышению интенсивности процесса? Обосновать ответ.

Ответ: Процесс проходит во внешнедиффузионной области.

Скорость определяется как

r=β(Cv-C_F)

С_V, C_F-концентрация газообразного вещества в объеме, и на поверхности катализатора

Для интенсификации процесса

1Увеличиваем концентрацию газообразного реагента

2Увеличиваем линейную скорость потока

3Перемешиваем или турбулизируем поток

4Увеличение поверхности контакта

12. Получение этанола методом прямой гидратации этилена:

С₂Н₄ + Н₂О = С₂Н₅ОН (∆ Н < 0).

Какое соотношение исходных веществ используют в промышленном процессе и почему?

Дата добавления: 2015-04-24