Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 icon

Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65



НазваниеПрактикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65
страница1/8
Дата конвертации15.06.2013
Размер1.28 Mb.
ТипПрактикум
скачать >>>
  1   2   3   4   5   6   7   8


Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

___________________________________________________________________________________________


Т. Н. Волгина, А. А. Мананкова, Л. С. Сорока


ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ПРОМЫШЛЕННОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ


Томск 2009

УДК 667(075.8)

C 65


Волгина Т. Н., Мананкова А. А., Сорока Л. С.

С 65 Лабораторный практикум по промышленной органической

химии. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 92 с.


Лаборатроный практикум представляет собой руководоство для выполнения лабораторных работ по получению продуктов основного и тонкого органического синтезов.

^ Пособие подготовлено на кафедре технологии основного органическкого синтеза и высокомолекулярных соединений, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов специальности 240401 «Химическая технология органических веществ» дневной и заочной форм обучения.


УДК 667(075.8)


Рекомендовано к печати редакционно-издательским

советом Томского политехнического университета


Рецензенты:


Л. И. Костюченко –


Н. А. Волосожар –


 Томский политехнический университет, 2009



содержание

Предисловие 5

1.1. Лесохимическое и растительное сырье 26

1.2. Нефтехимическое сырье 31

2. Пластические массы 54

^ 2.2. Химические волокна 65

3. Синтетические красители 70

4. Фармацевтические препараты 80

5. Душистые и вкусовые вещества 83

Литература 96

Приложение 97

Предисловие


Лабораторный практикум предназначен для углубления и закрепления знаний студентов по курсу «Промышленная органическая химия».

Самостоятельно выполняя лабораторные работы, студент должен приобрести определенные экспериментальные навыки, которые ему будут необходимы в последующей работе на производстве, в заводских и научно-исследовательских лабораториях.

Приведенные в практикуме методики лабораторных работ охватывают большинство разделов теоретического курса.

Каждая глава, посвященная одному из процессов, начинается с краткого теоретического материала. Кроме того, к каждой работе помимо указаний целей и описания методики ее проведения, даны схемы установок и методы обработки экспериментальных результатов.

  1. Сырьевая база промышленной органической химии


Сырьевая база промышленности органического синтеза включает в себя сырье растительного и животного происхождения, твердые горючие ископаемые, нефть и природный газ.


1.1 Углехимическое сырье


В современном мировом топливно-энергетическом комплексе уголь используется в основном в качестве универсального энергоносителя и сырья для производства металлургического кокса и химических продуктов коксования. Промышленная переработка угля для получения жидких продуктов топливного и химического назначения осуществляется в весьма ограниченном масштабе. Однако в связи с постоянно меняющейся конъюнктурой мировых цен на нефть и продукты нефтепереработки, истощением ее запасов проблема получения жидких углеводородов из угля приобретает актуальное значение. Исследования в области химической технологии ожижения углей получили особенно широкое развитие в 70–80-е гг. прошлого столетия после резкого увеличения цен на нефть на мировом рынке. В настоящее время во многих странах (Китай, Япония и др.), не располагающих крупными месторождениями нефти и природного газа, в целях обеспечения энергетической независимости также интенсивно разрабатываются и испытываются в полупромышленных масштабах новые технологии получения из углей синтетических моторных топлив и сырья для органического синтеза.

Используя уголь в химической промышленности сегодня, получают продукцию свыше 200 наименований, в том числе смолы, лекарственные препараты, сельскохозяйственные удобрения, пластмассы, красители, газообразное и жидкое топливо. В ближайшей перспективе углю отводится роль только энергетического сырья, и все вновь разрабатываемые процессы переработки углей ориентируются в основном на производство различных видов топлива. Однако с исчерпанием основных мировых запасов нефти и газа уголь будет приобретать значение основного источника органического сырья для химической промышленности. В настоящее время существуют все технологические и экономические предпосылки для повышения качества добываемых в России углей, вовлечения в добычу и глубокую переработку низкосортных и некондиционных твердых топлив и утилизации твердых отходов угледобычи и углепереработки, что позволит получать дополнительно ценную углехимическую продукцию.

Ископаемые угли представляют собой горючие горные породы, образовавшиеся из накопившихся остатков разнообразных отмиравших растений, претерпевших в течение долгих геологических периодов различные превращения, сопровождаемые разложением и углефикацией их органического вещества.

Каменные угли различной природы являются наиболее распространенным видом ископаемых углей. Это неоднородные твердые вещества черного или черно-серого цвета, включающие четыре типа макроинградиентов, различающих по блеску, внешнему виду и составу. Это блестящий витрен, полублестящий кларен, матовый дюрен и волнистый фюзен. Соотношение этих инградиентов, составляющих органическую массу каменных углей, характеризуют их структуру, химический и минералогический состав и обуславливает их многообразие и различие свойств (см. табл. 1).

Таблица 1

Химический состав петрографических компонентов одного и того угля

Показатели, %

Витрен

Кларен

Дюрен

Фюзен

Влажность

12.6

10.2

6.5

3.9

Зольность

1.2

1.5

3.6

10.0

Содержание на органическую массу:

С

78.5

79.1

80.8

84.7

Н

5.15

5.2

5.1

3.9

О+N+S

16.35

15.7

14.1

11.4

В состав органической части каменных углей входят битумы, гуминовые кислоты и остаточный уголь. Молекулярная структура органической части угля представляет собой жесткий трехмерный полимер нерегулярного строения, содержащий подвижную фазу в виде разнообразных мономолекулярных соединений. Обе фазы построены из отдельных фрагментов, включающих ароматические, в том числе многоядерные и гидрированные системы с алифатическими заместителями и азотсодержащие гетероциклы, соединенные мостиковыми связями С–С, С–О С, С–S–C и C–NH–C. Степень конденсированности фрагментов зависит от степени углефикации каменного угля. В составе каменных углей установлено также наличие различных функциональных групп: гидроксильной (спиртовые и фенольные), карбонильной, карбоксильной и серусодержащих групп –SR и –SH.

Важнейшими характеристиками каменных углей, от которых зависят возможность и эффективность их использования, являются зольность, влажность, сернистость, выход летучих веществ, механические свойства, а также спекаемость и коксуемость.

Значительная часть ископаемых углей подвергается высокотемпературной переработке, то есть является химическим сырьем. Целью такой переработки является получение из угля ценных вторичных продуктов, используемых в качестве топлива и полупродуктов основного органического синтеза.

Все методы переработки ископаемых углей основаны на гетерогенных, в большинстве случаев некаталитических, процессах, протекающих в многофазной системе при высоких температурах. В этих условиях материал угля претерпевает глубокие изменения, приводящие к образованию новых твердых, жидких и газообразных продуктов. По назначению и условиям процессы пирогенетической переработки твердого топлива подразделяются на три типа: пиролиз, газификация и гидрирование.

Пиролизом или сухой перегонкой называется процесс нагревания твердого топлива без доступа воздуха с целью получения из него твердых, жидких и газообразных продуктов различного назначения. В зависимости от условий процесса и природы вторичных продуктов различают низкотемпературный пиролиз или полукоксование и высокотемпературный пиролиз или коксование.

Полукоксованию подвергают различные виды твердого топлива, дающие при термической обработке большое количество жидких смолообразных продуктов. Выход этих продуктов существенно зависит от природы коксуемого сырья, в частности, от его состава и состояния (сухое, влажное). В соответствии с этим работа состоит из двух частей: определение влажности и зольности коксуемого твердого топлива и полукоксование твердого топлива с составлением материального баланса процесса.


    1. Технический анализ твердого топлива


Потребность в дешевом сырье для получения химических продуктов и как следствие развитие методов комплексного использования сырья требуют постоянного контроля за техническими характеристиками используемых углей. Это также необходимо как при создании новых технологических процессов, так и при интенсификации уже используемых процессов переработки углей.

Технический анализ углей включает изучение химических и физических способов испытаний, применяемых для определения различных показателей качества и характеристик ископаемых углей и продуктов их обогащения, для проверки соответствия углей установленным нормам качества, а также для контроля технологических операций при добыче и переработке углей.

      1. Приготовление аналитической пробы

Пробой угля (а также продуктов его обогащения) называют некоторое отобранное по определенным правилам от общей опробуемой массы небольшого количества угля, средний состав которого идентичен среднему составу всего угля.

Разделка лабораторных проб и приготовление из них аналитических проб состоит из операций просушивания лабораторной пробы, измельчения ее, контрольного просеивания и сокращения в объеме.

Исходные реактивы

  1. Лабораторная проба угля

Необходимые приборы

  1. Сито с отверстиями 0,2 мм

  2. Ступка фарфоровая

Анализируемое вещество измельчают до размеров кусков 10 – 15 мм, тщательно перемешивают и отбирают пробу в несколько десятков граммов. Пробу растирают в фарфоровой ступке и просеивают через сито. Фракцию, не прошедшую через сито, вновь измельчают и просеивают. Из полученной аналитической пробы отбирают навески для анализа.


      1. Определение содержания влаги в углях

Цель работы:

  1. Познакомиться с технической характеристикой углей и ее влиянием на процессы переработки углей.

  2. Ознакомиться с методами определения влаги в углях.

  3. Провести определение содержания влаги в углях по одному из трех вариантов.

  4. Обсудить результаты и сделать выводы.

Общие сведения. Общая влажность угля складывается из внешней, образующей капли или пленку на поверхности, и внутренней, выделяемой в процессе коксования. Влага, является балластом, удорожает транспортировку угля, затрудняет подготовку его к коксованию, хранение и дозировку, а также повышает расход тепла на коксование и увеличивает время коксования.

Общее содержание влаги меняется в зависимости от степени углефикации ископаемого в следующем ряду:

Торф > Бурые угли > Антрациты > Каменные угли.

Большая влажность антрацитов связана с тем, что для них характерны более мелкие поры, в которых сорбция воды происходит эффективнее, чем в сравнительно крупнопористых каменных углях.

Влажность углей, используемых для термохимической переработки, не должна превышать 7 %.

При анализе аналитических и лабораторных проб угля определяют следующие виды влаги:

WР – влага рабочая, %. Определяется по специальной лабораторной пробе на влагу, обработанной и доставленной в лабораторию с соответствующими предосторожностями, чтобы сохранить в пробе всю первоначальную влагу, содержащуюся в угле до самого момента ее определения. Измерение первоначального веса пробы не должно превышать 0.5 % веса пробы.

WА –влага аналитическая, %. Определяется по аналитической пробе. Служит для пересчета показателей качества угля на рабочую, сухую и условную горючую массу угля;

W^ Л – влага лабораторная, %. Определяется по лабораторной пробе для общего анализа;

WВН – влага внешняя или свободная, %. Определяется как разность по убыли в весе пробы при доведении ее подсушиванием до воздушно-сухого состояния;

WВС – влага воздушно-сухого состояния, %. Представляет остающуюся в пробе влагу после просушивания ее до воздушно-сухого состояния (при температуре окружающего воздуха 20 С и относительной влажности воздуха 65 %). Её называют также влагой связанной или внутренней, также гигроскопичностью. Эту влагу определяют по аналитической пробе, доведенной до воздушно-сухого состояния в указанных условиях.

Взаимосвязь между влагой рабочей, лабораторной, внешней и воздушно-сухого состояния определяется следующими соотношениями:

а) в случае отсутствия потери веса пробы при доставке в лабораторию

;

;

б) в случае потери веса пробы (до 0,5 %) при доставке ее в лабораторию

,

где WП – потеря весы пробы, %.

Содержание влаги в углях определяют прямыми и косвенными методами. Прямые методы заключаются в отгонке воды из навески угля в замкнутой системе, улавливании выделяющихся при этом паров воды и определении, путем непосредственного замера, веса или объема воды в навеске.

К


^ Рис. 1 Установка для объемного определения влаги в угле (прибор Дина-Старка)

1 – электроплитка; 2 – песчаная баня; 3 – круглодонная колба; 4   градуированный приемник для воды; 5 – обратный холодильник
освенными методами содержание влаги определяется по косвенным показателям, например по убыли в весе навески угля после высушивания ее в сушильном шкафу до постоянного веса, по реакциям, в которые вступает влага угля при тех или иных на нее воздействиях и т.д.


1.1.2.1 Проведение опыта

Вариант 1 Объемное определение содержания влаги

Исходные реактивы

  1. Толуол

  2. Подготовленные пробы угля

Необходимые приборы

  1. Круглодонная колба

  2. Делительная насадка

  3. Обратный холодильник

  4. Песчаная баня

  5. Химический стакан емк.250 мл

  6. Электроплитка

Объемное определение влаги в угле определяют методом дистилляции в приборе, показанном на рисунке 1.

Сущность метода заключается в нагревании навески угля с толуолом, отгонке выделяющихся из угля паров воды вместе с парами толуола и замере сконденсировавшейся воды.

Предварительно производят калибровку прибора с толуолом путем перегонки точно измеренных объемов воды в количествах, соответствующих возможному содержанию влаги в подлежащих анализу навесках угля, и составляют график зависимости между количеством воды, взятой для перегонки, и количеством воды, полученном в приемнике для перегонки.

Во избежание прилипания капелек воды к стенам колбы, холодильника и приемника их перед началом опыта тщательно обрабатывают хромовой смесью, промывают дистиллированной водой и высушивают.

Навеску 50 г лабораторной или аналитической пробы угля помещают в круглодонную колбу и наливают в нее 200 мл толуола, смывая приставшие к горлышку или стенкам колбы частицы угля. При содержании в угле рабочей влаги более 20 % можно уменьшить навеску до 25 г. Добавляют в колбу кипелки для предотвращения бурного кипения жидкости при нагревании колбы. Соединяют колбу с приемником и холодильником.

В течение 15–20 минут постепенно на песчаной бане нагревают колбу до кипения, а потом поддерживают кипение таким образом, чтобы испаряющаяся вода, охлаждаясь, стекала из холодильника в приемник со скоростью до четырех капель конденсата в секунду. Перегонку ведут до тех пор, пока не прекратится увеличение объема воды в приемнике в течение 10–15 минут. Смывают горячими парами толуола капли воды, оставшиеся на внутренней поверхности холодильника и верхней части приемника. Возобновляют на некоторое время (5–10 минут) нагрев жидкости в колбе, так как часть воды со смывом могла попасть обратно в колбу. Воде в приемнике дают отстояться и охладиться до комнатной температуры. Замеряют (по нижнему мениску) объем полученной воды в приемнике и вносят к нему поправку по составленному ранее графику.

Содержание влаги в аналитической пробе угля вычисляют по формуле:

,  %

где VП – объем воды в приемнике, исправленный по графику, мл, (считая плотность воды равной 1 г/см3, можно не делать пересчета с объемных единиц на весовые);

G – навеска угля, г

Вычисления результатов анализа производятся с точностью до 0.01 %. Окончательные результаты округляют до десятых долей процента.


Вариант 2 Весовое определение содержания влаги

Исходные реактивы

  1. Подготовленные пробы угля

  2. Серная кислота или хлорно-кислый магний

Необходимые приборы

  1. Система подачи азота

  2. Поглотительная система для улавливания паров воды

  3. Сушильный шкаф

Весовое определение влаги в угле производят на установке (рис. 2) путем отгонки воды из навески угля в токе азота при температуре 105–110 °С, улавливания и определения количества испарившейся влаги. В качестве поглотителя влаги используют хлорно-кислый магний или серную кислоту.

Установка состоит из системы для подачи азота, поглотительной системы для улавливания паров воды, выделяющихся при нагревании навески испытуемого угля, и сушильного шкафа.



^ Рис.2 Установка для весового определения содержания влаги


Система для подачи азота имеет баллон 1, заполненный азотом, содержащим не более 0,5 % кислорода, редуктор 2, осушительную колонку 3 и U-образную трубку 4, заполненные хлорнокислым магнием, реометр 5 для измерения расхода азота.

Поглотительная система состоит из основной и контрольной U-образных трубок 6, 7, заполненных хлорнокислым магнием, и склянки Дрекселя 8 с серной кислотой, не позволяющей влаге из воздуха попасть в систему. Если в качестве поглотителя влаги применяют серную кислоту, то вместо осушительной колонки используют склянку Дрекселя.

Сушильный шкаф 9 с электрическим или газовым обогревом имеет устойчивую температуру нагрева 105–110 °С. На задней стенке шкафа делают отверстия и подставку для помещения в шкаф пробирок с навесками угля.

Предварительно производят контрольный опыт без навески угля. К взвешенным U-образным трубкам для осушения азота и поглощения паров влаги из угля присоединяют при помощи эластичных резиновых трубок пробирки, которые затем помещают в нагретый до температуры 105–110 °С сушильный шкаф. Устанавливают скорость подачи азота в систему 100–120 мл/мин, проверяют систему на герметичность и продувают ее в течение 20–30 мин. Затем вынимают пробирки из шкафа, охлаждают в струе азота, отсоединяют от системы, закрывают пробками и через 15–20 мин взвешивают.

Изменение веса трубок поглотительной системы должно быть не более 0,0010 г. В противном случае устанавливают причины увеличения веса поглотителей и после устранения их контрольный опыт повторяют.

Определение содержания влаги проводят в следующем порядке. Навеску 1 ± 0,01 г аналитической пробы угля берут в пробирку, распределяя их ровным слоем по длине пробирки. Закрывают пробирку пробками со вставленными в них трубками для входа и выхода азота. Подсоединяют трубки к системе подачи азота и к поглотительной системе. Помещают пробирку в сушильный шкаф нагретый до температуры 105–110 °С. Пропускают через систему азот (100–120 мл/мин) в течение 1 ч при определении содержания влаги в каменных углях и в течение 2 ч при определении содержания влаги в бурых углях.

Не вынимая пробирку из сушильного шкафа, закрывают входную и выходную трубки, отсоединяют U-образную трубку поглотительной системы, оставляют пробирки на 15–20 мин в весовой комнате, а затем взвешивают. Проводят 20-минутные контрольные просушки навески угля, пока увеличение в весе поглотительной трубки не будет превышать 0,0010 г.

Можно не производить контрольного просушивания при сушке каменных углей в течение 1,5–2,0 ч и сушке бурых углей 2,5–3,0 ч.

Содержание влаги в аналитической пробе угля вычисляют по формуле

, %

где G1 – увеличение веса основной поглотительной трубки при нагревании навески угля, г;

G2 – увеличение веса контрольной поглотительной трубки, г;

G – навеска угля, г.

Вычисление результатов анализа производят с точностью до 0,01 %. Окончательный результат округляют до десятых долей процента.


Вариант 3 Определение влаги косвенным методом путем высушивания навесок угля

Исходные реактивы

  1. Подготовленные пробы угля

  2. Серная кислота

Необходимые приборы

  1. Стеклянные весовые стаканы с крышкой

  2. Эксикатор

  3. Аналитические весы

  4. Сушильный шкаф

Сущность метода определения влаги заключается в высушивании навесок угля в сушильном шкафу при заданной температуре и вычислении содержания влаги в угле по убыли веса навески при высушивании.

Возьмите ложечкой две параллельные навески по 1 ± 0,1 г от аналитической пробы в предварительно взвешенные стеклянные весовые стаканчики с плотно закрывающейся крышкой так, чтобы толщина слоя угля в стаканчиках не превышала 5 мм. Взвесьте стаканчики на аналитических весах. Если вес навески окажется меньше 0,9 г, то добавьте угля из пробы, если же больше 1,1 г, то всю навеску высыпьте и возьмите ее вновь (удаление части навески не допускается, так как это ведет к потере ее представительности). Поставьте стаканчики с полуоткрытыми крышками в предварительно нагретый до температуры 105–110 °С сушильный шкаф с открытыми вентиляционными заслонками. При этой же температуре высушивайте навески: каменные угли и антрациты в течение 30 мин, бурые угли и продукты мокрого обогащения – 60 мин.

Вынув стаканчики из шкафа, закройте крышки и охлаждайте сначала 2–3 мин на воздухе, а затем до комнатной температуры в эксикаторе над серной кислотой. Взвесьте стаканчики после охлаждения и запишите их вес с навеской. Вновь поставьте стаканчики с полуоткрытыми крышками в сушильный шкаф на 30 мин для контрольного подсушивания навесок, затем охладите и взвесьте их, так же как и первый раз.

Контрольные просушивания повторяют до тех пор, пока разница в весе между предыдущим и последующим взвешиванием не будет превышать 0,001 г.

Контрольные просушивания прекращают в том случае, если наблюдается некоторое увеличение веса навески (вследствие начинающегося окисления угля), и принимают за истинный предпоследний вес.

Рассчитывают содержание влаги в аналитической пробе по результатам анализа.

Для более грубого ускоренного определения влаги в аналитической пробе можно время первой сушки навески (140 ± 5 °С) сократить до 5 мин для каменных углей, антрацитов и продуктов их обогащения и 20 мин для бурых углей.

При вычислении результатов анализа с точностью до 0,01 % округляют последние получающиеся цифры: при меньшем значении цифры, чем 0,05 %, ее отбрасывают, а цифру, равную или более 0,05 %, считают за 0,1 %.

^ Пример расчета результатов анализа

Вес стаканчика, г 15,9448

Вес стаканчика с навеской угля, г 16,9780

Навеска угля, г 1,0332

Вес стаканчика с навеской после основной сушки, г 16,9342

То же, после контрольной сушки, г 16,9344

Убыль веса навески при сушке, г 0,0438

Содержание влаги по первому определению

, %

Содержание влаги по второму определению

%

Расхождение между результатами двух определений

 %,

т. е. в допустимых пределах.

Содержание влаги в аналитической пробе угля

, округляем до 4,4 %.


      1. Определение зольности

Цель работы:

  1. Познакомиться с важной технической характеристикой углей и ее влияние на процессы переработки углей.

  2. Ознакомиться с методами определения зольности в углях.

  3. Провести определение зольности и в углях по одному из двух вариантов

  4. Обсудить результаты и сделать выводы.

Золой называется негорючая часть угля, состоящая из минеральных веществ, содержащихся в ископаемых углях. Высокая зольность снижает теплоту сгорания угля и ухудшает качество получаемого кокса. Зольность каменных углей колеблется от 3 до 30 % и может быть снижена их обогащением. Угли, используемые для коксования, должны иметь зольность не выше 7 – 7,5 %.

Определение зольности углей производят прямыми и косвенными методами.

Прямые методы определения зольности заключаются в озолении навески угля, помещаемой в фарфоровой лодочке или в небольшом противне в муфельную печь, и прокаливании зольного остатка. Выход зольного остатка в процентах к первоначальному весу навески принимают за зольность угля.

Точность определения зольности может изменяться в зависимости от конечной температуры, достигаемой в печи, от скорости нагрева и расположения навесок, от атмосферы, которая может быть создана в печи (например, прокаливание в токе кислорода или в токе инертных газов, предварительное смачивание навески концентрированной соляной или азотной кислотой и т. д.).

От изменения указанных факторов изменяются и условия определения зольности угля. Большое значение для условий определения имеет и требуемая точность анализа, в соответствии с чем различают медленное и ускоренное озоление навески угля.

Примерами косвенных методов являются определения зольности, основанные на различной проницаемости угля и минеральных примесей рентгеновскими лучами, радиоактивными изотопами и т. д. Эти методы дают менее точные по сравнению с прямыми методами результаты определений зольности угля. Но для их применения необходимо иметь дорогую и требующую квалифицированного обслуживания аппаратуру.

Для прямого озоления навески применяют муфельные печи с максимальной температурой нагрева 900 °С. При ускоренном определении зольности печь должна иметь вытяжную трубу диаметром 20 мм, расположенную в задней стенке печи.


Вариант 1 Определение зольности методом медленного озоления

Исходные реактивы

  1. Подготовленные пробы угля

Необходимые приборы

  1. Фарфоровые лодочки

  2. Муфельная печь

  3. Аналитические весы

Аналитическую пробу перемешивают шпателем в открытой банке и на разной глубине из двух – трех мест берут две навески угля по 1 ± 0,1 г в предварительно взвешенные лодочки. Разровняйте навески в лодочках, постукивая стеклянной палочкой о борта лодочки, и установите их в холодную или в предварительно подогретую (но не выше температуры 300 °С) муфельную печь.

Лодочки устанавливайте в зоне полного нагрева печи, проверяя предварительно путем замера температуру в разных ее участках.

Закрывают дверцу печи, и в течение 1–1,5 ч доводят температуру в ней до 800–825 °С. При этой температуре прокаливают образовавшийся зольный остаток в закрытом муфеле 1–2 ч для достижения постоянства его веса. Закончив прокаливание, лодочки вынимают из муфеля, охлаждают 5 мин, на воздухе, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают.

Не допускают появления при озолении пламени, так как в этом случае будет иметь место унос угля и золы и результаты анализа будут неверными.

Конец озоления ориентировочно определяйте по исчезновению в зольном остатке светлых пятен и приобретению им ровного темного накала. Отсутствие же пятен и ровный пепельный цвет золы после охлаждения свидетельствует также о том, что озоление проводилось правильно. После прокаливания зольные остатки охладите до комнатной температуры и взвесьте.

Определив вес зольных остатков, проводят повторное контрольное прокаливание их в течение 30 мин, соблюдая все условия, указанные выше. Контрольные прокаливания повторяют до тех пор, пока изменение веса при последнем прокаливании будет не более 0,001 г.

Рассчитывают зольность угля.


Вариант 2 Определение зольности методом ускоренного озоления

Исходные реактивы

  1. Подготовленные пробы угля

Необходимые приборы

  1. Фарфоровые лодочки

  2. Муфельная печь

  3. Аналитические весы

Нагрейте муфельную печь до температуры 850–875 °С. В прокаленные до постоянного веса и взвешенные лодочки возьмите навески угля по 1 ± 0,1 г и, установив их на керамическую пластинку, выдержите у входа в муфельную печь (на открытой дверце) в течение 3 мин. Затем со скоростью 2 см/мин продвигайте пластинку с лодочками в зону полного накала печи. Закройте дверцу печи и при температуре 800–825 °С прокаливайте навески в течение времени, зависящего от того, зольность какого угля определяется (угли каменные и антрациты 25–35 минут, угли бурые 20–25 минут). Следите за температурой в печи.

После того как прокаливание окончено, лодочки с зольным остатком охлаждают сначала в течение 5 мин на воздухе, а затем до комнатной температуры в эксикаторе и взвешивают (с точностью до 0,0002 г).

Вычисление зольности аналитической пробы угля и пересчет зольности на сухую и рабочую массы угля производят по формулам:

;

;

,

где G1 – вес зольного остатка, г;

G – навеска угля, г;

WP– влага аналитическая и рабочая, %.

Все вычисления ведут с точностью до 0,01%, округляя окончательные результаты до десятых долей процента.

^ Пример расчета результатов анализа на зольность угля

Вес лодочки с навеской угля, г 20,0836

То же, без навески, г 19,0008

Навеска угля, г 1,0828

Вес лодочки с зольным остатком, г 19,1212

Вес зольного остатка, г 0,1204

Зольность угля по первому определению

 %.

Зольность угля по второму определению

 %.

Расхождения между результатами двух определений

 %,

т. е. в допустимых пределах.

Зольность аналитической пробы угля

 %.

Для пересчета зольности угля на сухую массу принимаем влажность аналитической пробы  %.

, округляем до 11,6 %.

Зольность рабочего топлива при содержании влаги  %.

, округляем до 10 %.


1.2 Определение выходов продуктов полукоксования

Цель работы:

  1. Ознакомиться с методами переработки углей.

  2. Изучить процесс низкотемпературного пиролиза (полукоксования) ископаемых углей.

  3. Обсудить результаты и сделать выводы.

В зависимости от условий процесса нагревания твердого топлива без доступа воздуха с целью получения из него твердых, жидких и газообразных продуктов различного назначения и природы вторичных продуктов различают низкотемпературный пиролиз или полукоксование и высокотемпературный пиролиз или коксование.

Полукоксование, или низкотемпературное коксование, – процесс термического разложения твердого топлива для получения твердых, жидких и газообразных продуктов. Сырьем для полукоксования служат битуминозные каменные угли, бурый уголь, торф и горючие сланцы.

Полукоксование представляет собой сложный гетерогенный высокотемпературный процесс, при котором последовательно протекают реакции разложения, приводящие к образованию менее сложных соединений, и реакции уплотнения – полимеризации и поликонденсации продуктов разложения сырья.

Процесс полукоксования проводят без доступа воздуха при температуре 500 – 580 °С. При этом по мере подъема температуры в системе последовательно протекают процессы:

  • до 120 °С – подсушка топлива,

  • при 100–200 °С – удаление гигроскопической влаги и выделение оксида углерода (II) и оксида углерода (IV),

  • при 300–350 °С – выделение пирогенетической воды и начало выделения первичной смолы,

  • при 350–500 °С – выделение основной массы первичной смолы.

В интервале 550–600 °С отгоняется большая часть летучих продуктов и образуется твердый остаток.

Продукты полукоксования – это полукокс, первичная смола, первичный газ и подсмольная вода. Полукокс – твердый, пористый, хрупкий материал, содержащий до 10% летучих веществ. Первичная смола состоит из жидких продуктов, в состав которых входят высшие алканы и алкены, нафтены, фенолы, азотистые органические основания, сернистые соединения. Первичный газ – это смесь газообразных продуктов, состоящая из водорода, метана, этилена и оксидов углерода.

К реакциям, протекающим в шихте при ее нагревании, в процессе полукоксования относят:

  • реакции деструкции сложных молекул,

  • реакции фенолизации,

  • реакции карбонизации органической части угля,

  • реакции отщепления атомов водорода, гидроксильных, карбоксильной и метоксильной групп.

Выход продуктов полукоксования зависит от температуры, степени измельчения коксуемого сырья, давления и скорости нагрева. Уменьшение частиц топлива и скорости нагрева приводит к повышению выхода смолы. Наоборот, при быстром нагреве и использовании крупнозернистого сырья увеличивается выход полукокса и газообразных продуктов. Обычно выход первичной смолы составляет 50–60 % от массы коксуемого топлива, а выход газа – около 80 л на 1 кг топлива.

1.2.1 Проведение опыта

Исходные реактивы

  1. Подготовленные пробы угля

  2. Толуол

  3. Ксилол

Необходимые приборы

  1. Установка для полукоксования

  2. Прибор Дина-Старка

  3. Измерительная газовая колба

  4. Мерный цилиндр

  5. Фарфоровая чашка

Установка для полукоксования углей (рис. 3) состоит из обогреваемой реторты и системы улавливания продуктов полукоксования.

Реторта для полукоксования представляет собой железный сварной цилиндр (1), снабженный крышкой (2) с уплотнительной асбестовой прокладкой 3, гильзой для термопары (4) и отводной трубкой (5). Крышка укрепляется на фланце реторты с помощью затяжных болтов. Реторта помещена в электропечь (6). Температура в реторте поддерживается на заданном уровне пирометрическим регулирующим милливольтметром (7) с помощью термопары (8).

^ Рис. 3 Установка для полукоксования углей


Система улавливания продуктов полукоксования состоит из приемника жидких продуктов в виде колбы Вюрца (9), помещенной в охлаждающую баню (10). Колба соединена с газометром для сбора газообразных продуктов (11) и через кран (12) с манометром (13). С помощью сливного крана (14) регулируют скорость вытекания воды из газометра. Для измерения температуры газа в газометре служит термометр. Вода, вытекающая из газометра, собирается в мерном цилиндре (15).

Выполнение полукоксования твердого топлива состоит из следующих операций: 1) сборка аппаратуры и проверка ее на герметичность; 2) проведение процесса полукоксования; 3) определение количества и анализ продуктов полукоксования; 4) составление материального баланса и оформление результатов работы.

^ Сборка аппаратуры и проверка ее на герметичность. Установку собирают в соответствии с рис. 3. Подготовленную навеску измельченного угля около 20 г, взятую на технических весах с точностью до 0,01 г, загружают в реторту. При этом содержание влаги в угле должно составлять 10–20 %. При содержании влаги в измельченной пробе более 20 % производят дополнительную воздушную сушку. Пробу размещают так, чтобы она заняла не более половины объема реторты. При этом частицы угля не должны попадать на фланец реторты и в отводную трубку. Реторту закрывают крышкой, затягивают болты и помещают реторту в электропечь (в муфельную печь). Приемник жидких продуктов (9) взвешивают на технических весах и помещают в баню (10), наполненную водой со льдом. Газометр (11) заполняют водой.

Собранную установку проверяют на герметичность. Для этого закрывают кран (12) и осторожно открывают верхний и нижний (14) краны газометра. Если установка герметична, вода из газометра перестает вытекать через несколько минут. При отсутствии герметичности следует проверить все соединения системы поглощения и, если это не даст результата, подтянуть болты крышки реторты (подвернуть крышку во втором варианте) или сменить асбестовую прокладку.

^ Проведение процесса полукоксования. После проверки установки на герметичность из реторты вытесняют воздух. Для этого открывают оба крана газометра (11) и включают обогрев электропечи, доводя температуру в реторте до 100 °С. При этом часть воды из газометра выливается в мерный цилиндр. После этого печь выключают и газометр вновь заполняют водой. Затем датчик пирометрического милливольтметра устанавливают на температуру 510–550 °С, открывают оба крана газометра и кран (12) и включают обогрев электропечи. Нагрев ведут с такой скоростью, чтобы за первые 10–15 минут температура в реторте достигла 250–260 °С и затем каждые 6–12 минут поднималась на 50 °С до достижения заданной температуры. При этой температуре нагрев продолжают до прекращения выделения капель жидкости в приемнике (9), на что обычно требуется около 10 минут.

В процессе нагрева с помощью крана (14) газометра постоянно поддерживают в системе небольшое избыточное давление 50–100 Па, регулируя его сливом воды из газометра и контролируя по манометру (13).

По окончании процесса полукоксования прекращают нагрев электропечи, закрывают кран (12) и оба крана газометра. Замеряют объем газа в газометре по объему вытекшей из него в мерный цилиндр воды и отмечают атмосферное давление и температуру газа по термометру (15). Реторте дают охладиться до 100 °С или несколько ниже, вынимают ее из печи и, зажав реторту в тиски, снимают с нее крышку.

^ Определение количества и анализ продуктов полукоксования. Продуктами полукоксования являются полукокс, жидкие вещества, конденсирующиеся в приемнике (9), и газообразные продукты, собирающиеся в газометре (11). Для составления материального баланса определяют их массу.

^ Определение массы полукокса. Образовавшийся полукокс выгружают из реторты с помощью штапеля или металлической лопатки в тарированную на технических весах фарфоровую чашку, дают охладиться до комнатной температуры в эксикаторе и взвешивают с точностью до 0,01 г.

^ Определение массы жидких продуктов. Приемник-колбу (9) отсоединяют от системы, тщательно вытирают снаружи, дают охладиться до комнатной температуры и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Жидкие продукты состоят из первичной смолы и подсмольной воды.

Массу воды определяют азеотропной отгонкой ее с толуолом или ксилолом в приборе Дина-Старка (см. рис. 1).

Конденсат из приемника (9) количественно переносят в колбу прибора и добавляют в нее 50 мл толуола или ксилола. Остатки конденсата со стенок приемника смывают в ту же колбу небольшим количеством этого же растворителя. Собрав прибор, включают электроплитку и начинают перегонку. Нагревание ведут с такой скоростью, чтобы в ловушку поступало 2–4 капли отгона в секунду. Перегонку прекращают, когда объем воды в ловушке перестанет увеличиваться, однако время перегонки не должно превышать одного часа. Перед концом перегонки интенсивность нагрева увеличивают, чтобы удалить из холодильника капли воды. По окончании перегонки отмечают объем воды в ловушке прибора. Если вода в ловушке плохо отслаивается и растворитель мутнеет, под ловушку подставляют на 20–30 минут стакан с горячей водой и после расслаивания жидкости ловушку вновь охлаждают.

^ Определение массы и состава газообразных продуктов. Массу газообразных продуктов полукоксования определяют по объему газа, собранного в газометре, и экспериментально определенной плотности его. Объем газа, выделившегося при полукоксовании, определяют по объему воды, вытекшей из газометра и собранной в мерном цилиндре.

О


^ Рис.4 Колба для взвешивания
пределение плотности газа основано на взвешивании определенного объема его, заключенного в колбе емкостью 250–300 мл при данных температуре и давлении. Для определения плотности используют специальные измерительные колбы, снабженные двумя кранами – (1) и (2) (рис. 4).

Для набора газа в колбу газометр переносят в вытяжной шкаф и подсоединяют к нему с помощью резиновой трубки боковую трубку измерительной колбы. Оба крана колбы при этом должны быть открыты. Затем открывают краны газометра и заполняют колбу газом. Для полного вытеснения воздуха из колбы через нее продувают 2,0–2,5 л газа. После заполнения колбы газом закрывают сначала боковой кран (1), а затем верхний кран (2) колбы, отсоединяют ее от газометра и выдержав около весов в течение 10 минут, взвешивают на аналитических весах. Аналогичным образом, но при открытых кранах (1) и (2), взвешивают колбу с воздухом. Эту операцию целесообразно проводить до взвешивания колбы с анализируемым газом.

Масса газообразных продуктов может быть также рассчитана с определенным приближением по разности между массой навески топлива для полукоксования и суммой масс полукокса, смолы и подсмольной воды.

^ Составление материального баланса и оформление результатов. По полученным результатам составляют материальный баланс процесса полукоксования и рассчитывают количественные показатели процесса: выход полукокса, первичной смолы, подсмольной воды и газообразных продуктов в расчете на единицу массы исходного топлива, а также расходный коэффициент сырья на единицу массы полукокса.

В материальный баланс процесса входят: масса коксуемого угля m ^ У (приход), масса полукокса m ПК, масса смолы m С, масса подсмольной воды m В и масса газообразных продуктов m Г, разность их – потери m П (расход):



Массу подсмольной воды mВ определяют по объему ее, собранному в ловушке Дина-Старка. Масса воды численно равна этому объему:



Массу смолы рассчитывает как разность



где: – масса жидких продуктов, собранных в приемнике, г

– масса подсмольной воды, г.

Массу газообразных продуктов m г рассчитывают по формуле:



где: – объем газа, собранного в газометре, мл;

– плотность газа при той же температуре, г/см3.

По данным материального баланса рассчитывают выход полукокса, первичной смолы и подсмольной воды от навески угля:

; ; ,

и выход газообразных продуктов полукоксования в нм3 на тонну топлива:



где: – объем газообразных продуктов при нормальных условиях.

Материальный баланс оформляют в виде таблицы.

Приход

Расход

Наименование

Количество

Наименование

Количество




г

масс. долей




г

масс. долей

Топливо








Полукокс

Смола

Подсмольная вода

Газ

Потери







Итого




1,0

Итого




1,0

Объем собранного газа приводят к нормальным условиям по формуле:



где: – объем газа, собранного в газометре при температуре t°C, м3;

Р – барометрическое давление, гПа;

р – давление водяных паров при температуре t°C, гПа;

t – температура газа по термометру у газометра, °С;

– навеска топлива, т.


^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Менковский М. А., Флодин А. А. Аналитическая химия и технический анализ углей. М.: Недра, 1973. 368 с.

  2. Соколов Р. С. Практические работы по химической технологии: учебное пособие для вузов. М.: Владос, 2004. – 271 с.

  3. Патраков Ю. Ф. Состояние и перспективы процессов глубокой переработки углей // Химия в интересах устойчивого развития, 2005. – № 13. – с.581–585.
  1   2   3   4   5   6   7   8




Похожие:

Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconПрактикум по органической химии. Часть I. Методы очистки и идентификации органических соединений: учебное пособие / Р. Я. Юсубова, М. С. Юсубов Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 95 с
Ю 91 Практикум по органической химии. Часть I. Методы очистки и идентификации органических соединений: учебное пособие / Р. Я. Юсубова,...
Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconУчебное пособие Томск 2003 удк 658. 56(075) ббк 65. 290 Л. 72
Лойко О. Т. Сервисная деятельность: Учеб пособие. /Том политех ун-т. – Томск, 2010. – с
Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconПрактикум томск 2009
Создание эффективной команды. Практикум. Составитель – А. В. Коваленко. Томск: Изд-во тпу, 2009, 68 с
Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconТемы для самостоятельного изучения по Органической химии для студентов 2 курса агрономического факультета специальности 260204. 65 – «Технология бродильных производств и виноделие»
Предмет органической химии. Причины выделения ее в самостоятельную науку. Связь органической химии с биологией, медициной и сельским...
Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconПрактикум по органической химии зачет

Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconПрактикум по органической химии зачет

Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconУрок Предмет и значение органической химии. Место и роль органической химии в системе наук. Причины многообразия органических соединений

Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconЛекция Лесо-, угле-, нефте- и газохимическое сырье (2 ч)
Идз обосновать выбор метода и оборудования для получения отдельных продуктов промышленной органической химии (12 ч)
Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconУчебное пособие Практикум Томск 2009 удк 316,6 ббк 88. 4 11 86
Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Менеджмент организации» гуманитарного факультета Томского политехнического...
Практикум по промышленной органической химии томск 2009 удк 667(075. 8) C 65 iconРабочая программа для направления 240100 «Химическая технология и биотехнология» магистратуры 240100. 28 «Химия и технология биологически активных веществ»
«Химия и технология биологически активных веществ», утвержденного 05. 03. 2000 г., Рассмотрена и одобрена на заседании обеспечивающей...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы