Кафедра химической технологии стекла и керамики

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химической технологии стекла и керамики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

по дисциплине “Общая химическая технология”

 

 

“ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ

ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ”

 

 

Методическая разработка

 

 

Составитель

 

доктор технических наук,

профессор кафедры ХТСК

Христофорова И.А.

 

Владимир - 2006 г.

Цель работы: изучение работы реактора идеального смешения; исследование кинетики реакции и начального мольного соотношения реагентов на показатели процесса.

ТеоретическАЯ ЧАСТЬ

 

Реактор смешения периодического действия характеризуется единовременной загрузкой реагентов в аппарат и отсутствием потоков. Вследствие этого режим работы реактора является нестационарным: концентрации реагентов изменяются во времени, при этом во всех точках реактора концентрации постоянны в фиксированный момент времени вследствие интенсивного перемешивания. По достижении заданной степени превращения аппарат разгружается.

Время проведения химической реакции, необходимое для достижения заданной степени превращения, определяется характеристическим уравнением:

где с_А,0 – начальная концентрация реагента А; с_А – текущая концентрация реагента А; w_r,A – скорость химической реакции, являющаяся функцией концентрации (степени превращения); х_A – степень превращения реагента А.

Изучение работы данного реактора проводится на примере реакции омыления этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата) раствором гидроксида натрия:

СН₃СООС₂Н₅ + NаОН = СН₃СООNа + С₂Н₅ОН.

 

Это необратимая реакция второго порядка. Кинетическое уравнение имеет вид:

где с_А,0 – текущая концентрация этилацетата; с_В,0 – текущая
концентрация гидроксида натрия; k – константа скорости реакции.

Текущие концентрации, а, следовательно, и скорость реакции, являются переменными величинами (изменяются во времени), их значения выражаются через значение степени превращения реагента следующим образом:

с _А = с_{А ,0}(1 – х_А), с_В = с_{В ,0} – с_{А ,0} х_А,

w_rА = kс_{А ,0}(1 – х_А)(с_{В ,0} – с_{А ,0} х_А).

 

В случае, если начальное мольное соотношение равно 1, т.е.

с_А = с_В,0, х_А = х_В, с_А,0 = с_В = с_А,0(1 – х_А),

то w_rА = kс_А,0(1 – х_А)².

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание

1. Изучить теоретические основы данной работы [1-3], ознакомиться с оборудованием и методикой проведения эксперимента.

2. Получить у преподавателя допуск к работе и задание на проведение лабораторной работы (массу навески, начальное мольное соотношение ингредиентов).

3. В соответствии с заданием провести эксперимент по изучению работы реактора идеального смешения.

4. Сделать необходимые расчеты и построить графики зависимости параметров реакционной смеси от времени.

5. Рассчитать теоретическое значение достигаемой степени превращения по тому или иному ингредиенту.

6. Составить отчет о работе и защитить его.

2.2. Приборы, оборудование материалы

 

0,1 М водный раствор этилацетата; 0,1 М водный раствор NаОН; 0,1 н. раствор НСl; 0,1% спиртовой раствор фенолфталеина; поддон со льдом; колбы для отбора проб на 250 мл (6 шт.); колбы для титрования на 250 мл (6 шт.); пипетка на 10 мл; бюретка с ценой деления 0,1 мл; секундомер.

 

Таблица 1

Результаты проведенных опытов

Объем 0,1 н. NaOH, мл	Объем 0,1 н. этилацетата, мл	Время от начала опыта, с	Объем пробы, мл	Объем титранта (0,1 н. HСl), мл
1.
2.
3.
4.
5.
6.

 

 

8. По результатам титрования проб реакционной смеси рассчитать текущие концентрации NаОН в реакторе, соответствующие времени отбора проб:

;

где V _НСl – объем НСl, пошедший на титрование, мл; С _НСl – концентрация НСl, используемой в качестве титранта, моль/л; V_р — объем пипетки, используемой для отбора проб, мл.

Текущая концентрация этилацетата рассчитывается с учетом его начальной концентрации после смешения с NаОН и количества этилацетата,

вступившего в химическую реакцию в соответствии со стехиометрическим уравнением (равно количеству прореагировавшей щелочи):

с_э-а,т = с_э-а,0 – (с_NaOH,0 – с_NaOH,т),

где с _э-а,т и с _NаОН,т – текущие концентрации этилацетата и щелочи, моль/л; с _э-а,0 и с _NaOH,0 – начальные концентрации этилацетата и щелочи после смешения реагентов, моль/л; с _{исх. э-а} и с _{исх. NаОН} – концентрации исходных реагентов, моль/л; V _э-а и V _NаОН – объемы исходных реагентов, взятые для реакции, мл.

Рассчитав текущие концентрации щелочи и этилацетата, определите значения степеней превращения исходных веществ в соответствующие моменты времени:

Данные расчетов занести в табл. 2.

Таблица 2

Данные расчетов

Время от начало опыта, с	Текущая концентрация NaOH, мл	Текущая концентрация этилацетата, мл	Степень превращения NaOH	Степень превращения этилацетата

 

9. Рассчитать производительность Р реактора (моль/мин) по
количеству полученного уксуснокислого натрия:

где t_cicl = t_х.р. + t_всп – время цикла, мин; t_х.р. – время проведения химической реакции, мин; t_всп – время вспомогательных операций (загрузки и выгрузки), принимается равным 0,5 мин; с _NaОН,0 − начальная концентрация NaOH, моль/л; х_NaOH − конечная степень превращения NaOH; V − объем реактора, л.

10. Исходя из значений t_х.р и начальных концентраций реагентов, рассчитать по характеристическому уравнению РИС – п теоретическое значение

достигаемой степени превращения для опыта, в котором начальное мольное соотношение равно 1:1. Значение константы скорости реакции для соответствующей температуры взять из справочника физико-химических

 

величин. Сравнить теоретическое значение степени превращения с полученным экспериментально.

11. По данным табл. 2 построить графики зависимости параметров реакционной смеси с_А, с_В, х_А, х_В от времени.

12. Сравнивая данные, полученные в различных опытах, проведенных при различных начальных мольных соотношениях реагентов, сделать вывод о влиянии этих условий на достигаемую степень превращения реагентов.

 

Требования техники безопасности

1. Соблюдать правила работы с растворами кислот и щелочей.

2. Соблюдать правила работы с химической посудой.

3. Пробы растворов отбирать в пипетки с помощью резиновой
груши.

4. По окончании работы отключить установку от сети.

Отчет должен включать в себя следующее:

Титульный лист.

Цель работы.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Задание

2.2. Приборы, оборудование, материалы.

2.3. Методика проведения эксперимента.

2.4. Экспериментальные данные.

2.5. Обработка экспериментальных данных.

3. ВЫВОД

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

6

Контрольные вопросы

 

1. Чем характеризуется реактор идеального смешения периодического действия?

2. Расскажите о методике проведения эксперимента.

3. Запишите уравнение реакции взаимодействия веществ, применяемых в данной работе.

4. Напишите формулы для определения текущих концентраций этилацетата и гидроксида натрия.

5. Напишите формулы для определения текущих значений этилацетата и гидроксида натрия.

6. Каким образом ведут расчет производительности реактора?

7. Нарисуйте и опишите графики зависимостей текущих концентраций и степеней превращения ингредиентов от времени.

 

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

по дисциплине “Общая химическая технология”

 

 

“ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРА И КOH”

 

 

Методическая разработка

 

 

Составитель

 

доктор технических наук,

профессор кафедры ХТСК

Христофорова И.А.

 

 

Владимир - 2006 г.

Цель работы: знакомство с работой модельной установки для электролитического получения хлора и гидроксида калия и с методикой исследования этого процесса.

Теоретическая часть

Электролиз раствора КCl − наиболее типичный пример электрохимического процесса в водном растворе. Это также наиболее простой и экономичный метод одновременного получения трех ценных продуктов − хлора, водорода и гидроксида калия из дешевого и широко распространенного сырья. Газообразные продукты электролиза раствора КCl − хлор и водород − при любом способе электролиза (с применением разделительной диафрагмы и без нее) отличаются высокой концентрацией и чистотой. Производимый в процессе гидроксид калия также получается высококонцентрированным и химически чистым.

Водный раствор хлорида калия в результате диссоциации содержит ионы К⁺, Cl^-, Н⁺ и ОН^-:

КCl «К⁺ + Cl^- и Н₂О «Н⁺ + ОН^-.

 

При электролизе такого раствора теоретически возможен разряд катионов К⁺ и Н⁺ на катоде, анионов Cl^- и ОН^- на аноде. Какие из этих ионов и в какой последовательности будут в действительности разряжаться на электродах, зависит от величины и соотношения потенциалов разряда ионов в растворе КCl: В, В. Поэтому из водных растворов, несмотря на низкую концентрацию в них водородных ионов, на твердом катоде выделяется исключительно водород. В условиях диафрагменной (мембранной) электролитической ванны, где катод и анод − стальные или угольные, а диафрагма − пористая (керамическая, асбестовая или др.), соотношение потенциалов таково, что основные электродные процессы следующие:

 

на катоде 2Н⁺ + 2 е = Н₂ (а)

на аноде 2Сl^- - 2 е = Сl₂. (б)

 

Равновесный потенциал выделения кислорода в насыщенном растворе КCl В, а для хлора В. По соотношению этих потенциалов на аноде должен идти в первую очередь разряд ионов ОН^- с выделением кислорода. Но на угольных и графитовых анодах кислород выделяется с большим перенапряжением, поэтому потенциал перенапряжения хлора становится меньше кислородного потенциала и на аноде идет в основном разряд ионов Сl^- с образованием элементарного хлора по реакции (б). Выделению хлора способствует повышение концентрации КCl в исходном растворе вследствие уменьшения при этом величины равновесного потенциала разряда Сl^-.

В результате первичного процесса (а) у катода остаются ионы ОН^-, которые в равновесии с ионами К⁺ образуют гидроксид калия:

ОН^- + К⁺ «КOH.

Суммарный процесс электролиза может быть представлен схемой:

2КCl + 2H₂O = Cl₂ + H₂ + 2КOH.

В результате разряда ионов ОН^- на аноде, хотя и в незначительной степени, выделяется кислород по уравнению:

2ОН^- - 2 е = Н₂О + 1/2 О₂

и при взаимодействии кислорода с углеродом анода идет вторичный процесс:

С + О₂ = СО₂.

Газообразный хлор, частично растворяясь в анолите и взаимодействуя с водой и щелочью, образует гипохлорит, хлорат и хлорид калия по уравнениям реакций:

Cl₂ + H₂O «HClO + HCl

HClO + КOH = КClO + H₂O

HCl + КOH = КCl + H₂O

2КClO «КClO₃ + 2КCl.

Все эти побочные процессы снижают выход по току по основным продуктам, особенно окисление КClO до КClO₃, на которое затрачивается наиболее значительная доля электрического тока. Для предотвращения возникновения вторичных процессов или их уменьшения необходимо, чтобы продукты электролиза не смешивались, поэтому применяют пористую диафрагму, которая разделяет катодное и анодное пространства.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

Задание

1. Изучить теоретические основы данной работы [1], ознакомиться с конструкцией установки и методикой проведения эксперимента.

2. Получить у преподавателя допуск к работе и задание на проведение лабораторной работы.

3. В соответствии с заданием провести эксперимент по получению электролитическим методом хлора и гидроксида калия.

4. Провести анализ католита. Рассчитать выход продукта по току.

5. Составить материальный баланс по иону калия.

6. Составить отчет о работе.

 

Таблица

Материальный баланс по иону калия

Приход	Расход
Статья прихода	Кол-во, г	%	Статья расхода	Кол-во, г	%
КCl Н2О			КOH КCl КOCl КClO3 Н2О
ИТОГО:			ИТОГО:

 

5

Отчет должен включать в себя следующее:

Титульный лист.

Цель работы.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Задание

2.2. Приборы, оборудование, материалы.

2.3. Методика проведения эксперимента.

2.4. Экспериментальные данные.

2.5. Обработка экспериментальных данных.

3. ВЫВОД

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Контрольные вопросы

 

1. Что такое электролиз и для чего его применяют?

2. Расскажите о процессе электролиза хлорида калия.

3. Влияет ли концентрация исходного раствора на выход готовых продуктов и каким образом?

4. Каким образом влияют силовые характеристики тока на выход готового продукта?

5. Объясните конструкцию и принцип работы модельной установки электролиза.

6. Каким образом ведут расчет количества компонентов, образовавшихся в результате электролиза раствора.

7. Опишите принцип составления материального баланса.

 

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

по дисциплине “Общая химическая технология”

 

 

“ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ

ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ”

 

 

Методическая разработка

 

Составитель

 

доктор технических наук,

профессор кафедры ХТСК

Христофорова И.А.

 

 

Владимир - 2006 г.

Цель работы: получить полимерные пленки на основе перхлорвиниловой смолы, определить некоторые физические и химические свойства.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

К пленкообразующим относятся вещества, которые способны при нанесении их на какую-либо поверхность высыхать с образованием твердой эластичной пленки. Они широко применяются для защиты металлических изделий от коррозии, для окраски различных предметов и сооружений с приданием им красивого внешнего вида, для специальной предохранительной окраски подземных и подводных сооружений, машин, судов, железнодорожного подвижного состава, автотранспорта и т.п. Пленки должны быть хорошо связаны с поверхностью материала, обладать высокой механической прочностью, эластичностью, газо- и водонепроницаемостью, нерастворимостью и неплавкостью.

Образование пленки из первоначального раствора представляет собой процесс перехода линейных макромолекул в молекулы трехмерной (пространственной) структуры, который большей частью протекает в присутствии катализаторов. Пространственные полимеры образуются связыванием линейных длинных цепей, соединенных друг с другом химическими связями в виде поперечных мостиков из атомов или групп атомов. В полимерах подобного типа “сшивающие” цепи (мостики), как правило, короче во много раз основных цепей. Соединения с трехмерной структурой резко отличаются по своим свойствам от линейных и разветвленных полимеров и при большом количестве связывающих мостиков являются твердыми, неплавкими и нерастворимыми в различных растворителях, стойкими по отношению к внешним воздействиям (температура, световые лучи и т.п.).

Исходные материалы-пленкообразователи, применяемые для получения лакокрасочных покрытий, обычно представляют собой высокополимерные соединения относительно низкой степени полимеризации и со сравнительно небольшим молекулярным весом. Это обуславливается необходимостью получения растворов (для удобства их нанесения на обрабатываемую поверхность) с небольшой вязкостью. Требуемые механические, антикоррозионные и другие свойства образующихся пленок достигаются в результате дальнейшей полимеризации исходных высокомолекулярных соединений, протекающей непосредственно на обработанной поверхности изделий.

Таким образом, получение пленкообразователя в результате реакции полимеризации или поликонденсации в большинстве случаев (в отличие от получения пластмасс) представляет собой жидкостной гомогенный процесс, осуществляемый в обогреваемых реакторах смешения. В некоторых случаях, когда один из исходных реагентов находится в твердой фазе, процесс осложняется расплавлением или растворением его, проводимым в дополнительном аппарате или в основном реакторе.

 

Применение же пленкообразователей, заключающееся в образовании готового “продукта” - защитного покрытия, представляет собой сложный многофазный процесс, в результате которого жидкая фаза пленкообразователя превращается в гомогенную твердую фазу − при отсутствии дополнительных компонентов − или в твердую массу из нескольких фаз, если к пленкообразователю предварительно добавляют другие ингредиенты − краски, наполнители, пластификаторы и т.п.

В качестве пленкообразователей могут быть использованы соединения, которые характеризуются высокой полимеризационной способностью при обычных условиях или при небольшом повышении температуры. К таким веществам принадлежат высыхающие масла (главным образом, растительные), эфиры целлюлозы, синтетические и натуральные каучуки, белки (клеи, желатина, казеин), искусственные и природные смолы, некоторые продукты переработки нефти, а также асфальты, пеки и каучук. Большое распространение в качестве пленкообразующих веществ получили лаки, т.е. растворы высокомолекулярных соединений, в том или ином растворителе (спирт, ацетон, бензол, ксилол, скипидар, дихлорэтан и др.). Растворитель после нанесения пленки должен легко и быстро испаряться. В зависимости от природы пленкообразователя, а также растворителя различают смоляные или спиртовые лаки, целлюлозные лаки и масляные лаки. Пленкообразующие вещества применяют иногда в чистом виде, но чаще в виде красок и эмалей. Масляными красками называются растертые на олифах суспензии различных минеральных или органических красителей. Лаковыми красками (эмалями) называются пигменты, растертые в лаках.

Пригодность тех или иных пленкообразователей для применения в различиных условиях эксплуатации изделий устанавливают на основании их физических и химических свойств. Из физических свойств чаще всего определяют цвет, влажность, плотность, вязкость, растворимость, скорость высыхания и температуру размягчения. Из химических свойств наиболее важное значение имеют кислотное число, число омыления, эфирное число и др.

Наибольшее значение с точки зрения широкого применения в химической промышленности имеют лаки бакелитовые (на основе фенолоформальдегидных смол), битумные (асфальтовые), перхлорвиниловые, глифталевые и пентафталевые. Эти виды лаков обладают особой высокой устойчивостью по отношению ко многим химическим реагентам.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

Задание

1. Изучить теоретические основы данной работы [3], ознакомиться с методикой проведения эксперимента.

2. Получить у преподавателя допуск к работе и задание на проведение лабораторной работы.

 

3. В соответствии с заданием провести эксперимент по получению пленкообразующего покрытия.

4. Определить скорость высыхания лака, его растворимость в различных растворителях.

5. Составить отчет о работе.

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химической технологии стекла и керамики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

по дисциплине “Общая химическая технология”

 

 

“ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ

ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ”

 

 

Методическая разработка

 

 

Составитель

 

доктор технических наук,

профессор кафедры ХТСК

Христофорова И.А.

 

Владимир - 2006 г.

Цель работы: изучение работы реактора идеального смешения; исследование кинетики реакции и начального мольного соотношения реагентов на показатели процесса.

ТеоретическАЯ ЧАСТЬ

 

Реактор смешения периодического действия характеризуется единовременной загрузкой реагентов в аппарат и отсутствием потоков. Вследствие этого режим работы реактора является нестационарным: концентрации реагентов изменяются во времени, при этом во всех точках реактора концентрации постоянны в фиксированный момент времени вследствие интенсивного перемешивания. По достижении заданной степени превращения аппарат разгружается.

Время проведения химической реакции, необходимое для достижения заданной степени превращения, определяется характеристическим уравнением:

где с_А,0 – начальная концентрация реагента А; с_А – текущая концентрация реагента А; w_r,A – скорость химической реакции, являющаяся функцией концентрации (степени превращения); х_A – степень превращения реагента А.

Изучение работы данного реактора проводится на примере реакции омыления этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата) раствором гидроксида натрия:

СН₃СООС₂Н₅ + NаОН = СН₃СООNа + С₂Н₅ОН.

 

Это необратимая реакция второго порядка. Кинетическое уравнение имеет вид:

где с_А,0 – текущая концентрация этилацетата; с_В,0 – текущая
концентрация гидроксида натрия; k – константа скорости реакции.

Текущие концентрации, а, следовательно, и скорость реакции, являются переменными величинами (изменяются во времени), их значения выражаются через значение степени превращения реагента следующим образом:

с _А = с_{А ,0}(1 – х_А), с_В = с_{В ,0} – с_{А ,0} х_А,

w_rА = kс_{А ,0}(1 – х_А)(с_{В ,0} – с_{А ,0} х_А).

 

В случае, если начальное мольное соотношение равно 1, т.е.

с_А = с_В,0, х_А = х_В, с_А,0 = с_В = с_А,0(1 – х_А),

то w_rА = kс_А,0(1 – х_А)².

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание

1. Изучить теоретические основы данной работы [1-3], ознакомиться с оборудованием и методикой проведения эксперимента.

2. Получить у преподавателя допуск к работе и задание на проведение лабораторной работы (массу навески, начальное мольное соотношение ингредиентов).

3. В соответствии с заданием провести эксперимент по изучению работы реактора идеального смешения.

4. Сделать необходимые расчеты и построить графики зависимости параметров реакционной смеси от времени.

5. Рассчитать теоретическое значение достигаемой степени превращения по тому или иному ингредиенту.

6. Составить отчет о работе и защитить его.

2.2. Приборы, оборудование материалы

 

0,1 М водный раствор этилацетата; 0,1 М водный раствор NаОН; 0,1 н. раствор НСl; 0,1% спиртовой раствор фенолфталеина; поддон со льдом; колбы для отбора проб на 250 мл (6 шт.); колбы для титрования на 250 мл (6 шт.); пипетка на 10 мл; бюретка с ценой деления 0,1 мл; секундомер.