Нижче наведено схеми термічного розкладання трьох. Дослідження процесів термічного розкладання біопалива та розробка способів підвищення ефективності його енергетичного використання

Лекція №18. Термічне розкладання

Бібліографічне посилання

Варіант 1.

1. Число нейтронів в атомі 4N14:
А. 7.

Б. Азот.

3. Азот має ступінь окислення +5 у поєднанні з формулою:
Р. HN03.

4. Мінімальний ступінь окислення азоту в поєднанні (з наведених нижче) з формулою:
А. N2.

Б. Фосфор.

6. Найменший радіус у атома:
Р. F.

Б. Са3Р2.

8. Азотистої кислоти відповідає оксид з формулою:
Б. N203.

10. Коефіцієнт перед окислювачем реакції, схема якої
Ag + HN03(KOHЦ) -> AgN03 + N02 + Н20:
Б. 4.

11. Складіть молекулярні рівняння реакцій наступних перетворень:
Р -> Р205 -> H3P04 -> Na3P04.

1. 4Р + 5О2 = 2Р2О5
P0 -5e →P+5 відновник
O20 + 2*2e→2O-2 окислювач
2. Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4
3. Н3РО4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O
3Н+ + 3OH- = 3H2O

12. Доповніть фразу: "Алотропія - це ..."
існування двох і більш простих речовин одного і того ж хімічного елемента, різних за будовою та властивостями.

13. З якими речовинами, формули яких: КОН, С02, Zn, CuO, НС1, СаС03, взаємодіє розбавлена азотна кислота? Запишіть рівняння можливих реакцій у молекулярному вигляді.
HNO3 + КOH → КNO3 + H2O
3CuO + 6HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 3H2O
10HNO3 розбав. + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2

14. Закінчіть схему термічного розкладання нітрату міді (II):
Cu(N03)2 -> CuO + X + 02.

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2
Сума коеф. = 9

15. При взаємодії 37 г гідроксиду кальцію з сульфатом амонію отримано 15 г аміаку. Обчисліть масову частку виходу аміаку теоретично можливого.
Ca(OH) 2 +(NH4)2 SO4 =CaSO4+2NH3*H2O
M Ca(OH)2=40+32+2=74г/моль.
n Ca(OH)2 =37: 74=0.5 моль
1 моль Са(ОH)2: 2 моль NH3
0.5:1 моль
M NH3 = 17г \ моль
маса 17 * 1 = 17 р.
вихід (NH3) = 15: 17 = 0.88 = 88%

Варіант 2.

ЧАСТИНА А. Тестові завдання з вибором відповіді

1. Число нейтронів в атомі 7N15:
А. 8.

В. Фосфор.

3. Азот має ступінь окислення +4 у поєднанні з формулою:
B. N02.

4. Мінімальний ступінь окислення фосфору у поєднанні з формулою:
Б. РН3.

5. З перерахованих хімічних елементів найбільшою електронегативністю в сполуках має:
В. Сірка

6. Найменший радіус у атома, символ якого:
Г. С1.

7. Тільки відновником може бути речовина з формулою:
B. NH3.

8. Фосфориста кислота Н3Р03 відповідає оксиду з формулою:
В. Р2О3

Сu + HN03(KOHЦ) -> CU(N03)2 + N02 + Н20:
Б. 4.

ЧАСТИНА Б. Завдання з вільною відповіддю

11. Складіть молекулярні рівняння реакцій, що йдуть за схемою
NO → N02 → HN03 → NaN03.

1. 2NO + O2 = 2NO2
N+2 -2e→N+4 відновник
O20 +2*2e→2O-2 окислювач
2. 4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
3. HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O
H+ + OH- = H2O

12. Доповніть таку фразу: "Селітра - це ..."
Азотнокисла сіль калію, натрію, амонію, що вживається в техніці вибухових речовин та в агрономії для добрив.

13. З якими речовинами, формули яких: Mg, Ag, AgN03, BaO, C02, KN03, NaOH, взаємодіє ортофосфорна кислота? Запишіть рівняння можливих реакцій у молекулярному вигляді.
3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3 Mg + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2↓ + 3H2
2H3PO4 +3BaO = Ba3(PO4)2 + 3H2O
Na3PO4 + 3AgNO3 = Ag3PO4↓ + 3NaNO3

14. Закінчіть схему термічного розкладання нітрату натрію
NaN03 → NaN02+X.
Знайдіть суму коефіцієнтів у рівнянні.
2NaNO3 = 2NaNO2 + O2
Сума коефіцієнтів – 5

15. Який обсяг аміаку (н. у.) можна отримати при взаємодії 15 м3 азоту з надлишком водню, якщо вихід аміаку становить 10% від теоретично можливого?
N2 + 3H2 = 2NH3
n(N2) = 15 000/22,4 = 669 (моль)
n(NH3) = 2*669 = 1339,28 (моль)
Vтеор.(NH3) = 1339,28 * 22,4 = 29999 (дм3)
Vпракт. (NH3) = 29999 * 0,9 = 26999 (дм3) = 26, 999 м3

Варіант 3.

ЧАСТИНА А. Тестові завдання з вибором відповіді

1. Число нейтронів в атомі 20Са40:
Б. 20.

2. Розподіл електронів за енергетичними рівнями в атомі елемента 2е, 5е відповідає:
А. Азот.

3. Азот має ступінь окислення +2 у поєднанні з формулою:
Б. NO.

4. Максимальний ступінь окислення азоту у поєднанні з формулою:
Р. HN03.

А. Бор.

А. З.

Р. Н3Р04.

8. Азотній кислоті відповідає оксид із формулою:
Р. N205.

10. Коефіцієнт перед окислювачем у схемі
Ag + HN03 (розб) -> AgN03 + NO + H20:
Б. 4.

ЧАСТИНА Б. Завдання з вільною відповіддю

11. Складіть молекулярні рівняння реакцій за схемою
N2 → NH3 → NH3 Н20 → (NH4)2S04.
Рівняння 1 розгляньте з погляду теорії ОВР, рівняння 3 запишіть в іонному вигляді.
1. N2 + 3H2 = 2NH3
N20 +2*3е→2N-3 окислювач
H20 -2*1е→2H+1 відновник
2. NH3 + H2O = NH3 * H20
3. 2NH3*H20 + H2SO4 = (NH4)2SO4 +2H2O
2NH3*H20 + 2H+= 2NH4+ +2H2O

12. Доповніть фразу: «Кількість атомів, що входять до катіону амонію...»
одно 5.

13. З якими речовинами, формули яких: S03, КОН, CaO, Mg, N205, Na2C03, взаємодіє розбавлена азотна кислота? Запишіть рівняння можливих реакцій у молекулярному вигляді.
HNO3 (розб.) + КOH = КNO3 + H2O
2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O
10HNO3 розбав. + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 3H2O
2HNO3 + Na2CO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2

14. Закінчіть схему термічного розкладання нітрату срібла
AgNOg → Ag+X+02.
Вкажіть суму коефіцієнтів у рівнянні.
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2
7

15. Азот об'ємом 56 л (н. у.) прореагував з надлишком водню. Об'ємна частка виходу аміаку становить 50% теоретично можливого. Розрахуйте обсяг отриманого аміаку.
N2 + 3H2 = 2NH3
n(N2) = 56/22,4 = 2,5 (моль)
n(теор.)(NH3) = 2*2,5 = 5 (моль)
Vпракт. (NH3) = 5 * 22,4 * 0,5 = 56 л

Варіант 4.

ЧАСТИНА А. Тестові завдання з вибором відповіді

1. Число нейтронів в ізотопі 19K39:
В.20.

2. Розподіл електронів за енергетичними рівнями в атомі елемента 2е, 8е, 5е відповідає:
Б. Фосфор.

3. Азот має ступінь окислення 0 у поєднанні з формулою:
A. N2.

4. Максимальний ступінь окислення фосфору у поєднанні з формулою:
Р. Н3Р04.

5. З перерахованих хімічних елементів найменшою електронегативністю в сполуках має:
А. Берилій.

6. Найбільший радіус атома хімічного елемента, символ якого:
A. Si.

7. Тільки окислювачем може бути речовина з формулою:
Р. HN03.

8. Ортофосфорна кислота відповідає оксид з формулою:
Р. Р2О5.

10. Коефіцієнт перед окислювачем у схемі
Сі + HN03 (розб) -> CU (N03) 2 + NO + Н20:
Р. 8.

ЧАСТИНА Б. Завдання з вільною відповіддю

11. Складіть молекулярні рівняння реакцій за схемою:
NO → N02 → HN03 → NH4N03.
Рівняння 1 розгляньте з погляду ОВР, рівняння 3 запишіть в іонному вигляді.
1. 2NO + O2 = 2NO2
N+2 -2e→N+4 відновник
O20 +2*2e→2O-2 окислювач
2. 4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
3. NH3 + HNO3 = NH4NO3
NH3 + H+ = NH4+

12. Доповніть фразу: «Аллотропними видозмінами фосфору є...»
білий, червоний та чорний фосфор

13. З якими речовинами, формули яких: Zn, CuO, Сі, NaOH, S02, NaN03, K2C03, взаємодіє ортофосфорна кислота? Запишіть рівняння можливих реакцій у молекулярному вигляді.
3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3 Zn + 2H3PO4 = Zn3(PO4)2↓ + 3H2
3CuO + 2H3PO4 = Cu3(PO4)2 + 3H2O
3K2CO3 + 2H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2O + 3CO2

14. Закінчіть схему термічного розкладання нітрату заліза (II):
Fe(N03)2 → FeO+N02+X.
Знайдіть суму коефіцієнтів у рівнянні.
2Fe(NO3)2 = 2FeO + 4NO2 + O2

15. При спалюванні в кисні 62 г фосфору отримано 130 г оксиду фосфору (V) від теоретично можливого. Обчисліть масову частку виходу оксиду фосфору (V).
4P + 5O2 = 2P2O5
n(P) = 62/31 = 2 моль
nтеор. (P2O5) = 0,5 * 2 = 1 моль
mтеор.(P2O5) = 1 * 142 = 142 г
вихід = mпракт./mтеор. = 130/142 = 0.92 = 92%

У цій роботі представлений огляд літератури з термічними методами аналізу різних палив: вугілля різних марок, різних видів біопалива та біомаси. Зроблено огляд з термогравіметричних досліджень, описано термогравіметричні криві, проведено аналіз процесу термічного розкладання різних палив, як в інертному, так і в окисному середовищі. Для розрахунку кінетичних параметрів, таких як енергія активації та передекспоненційний множник застосовуються різні моделі. У статті наведено опис даних моделей, зроблено порівняння значень кінетичних параметрів, визначених на основі різних моделей. Подальшим перспективним напрямом використання певних кінетичних характеристик є чисельне моделювання (CFD – Computational Fluid Dynamics Modelling) процесів горіння, теплообміну, гідрогазодинаміки. Зроблено огляд комерційних програмних та розроблюваних продуктів, що використовуються для цих цілей. Зроблено висновки щодо подальшого застосування кінетичних характеристик при дослідженні процесів горіння.

біопаливо

термічне розкладання

термогравіметричне дослідження

кінетичне дослідження

енергія активації

передекспоненційний множник

чисельне моделювання.

1. Любов В.К. Підвищення ефективності енергетичного використання біопалив/В.К. Любов, С.В. Любов. - Архангельськ, 2010. - 496 с.

2. Бойко О.О. Удосконалення схеми комплексного термічного аналізу твердих органічних палив / О.О. Бойко, Д.Г. Дідічін, М.Ю. Угай та ін // Сб. наук. тр.: Проблеми екології та розвитку міст. Т.1. - Красноярськ, 2001. - С.314-319.

3. Uribe M.I. Кінетичні аналізи для liquid-phase reaktions from programmed temperature data. Sequential discrimination of potential kinetic models / M.I. Uribe, A.R. Salvador, А.І. Guilias // Thermochim. Acta. - 1995. - V.94. - №2. - P.333-343.

4. Бойко О.О. Удосконалення схеми комплексного термічного аналізу твердих органічних палив / О.О. Бойко, Д.Г. Дідічін, М.Ю. Угай та ін // Сб. наук. тр.: Проблеми екології та розвитку міст. Т.1. - Красноярськ, 2001. - С.314-319.

5. Шишмарьов П.В. Удосконалення та впровадження комплексного термічного аналізу у практику енергетичного використання Кансько-Ачинських Вуглів: дис. … канд. тех. наук. - ФДБОУ ВПО "Красноярський державний технічний університет", 2006. - 208с.

6. Бодорєв М.М. Удосконалення технології виробництва столових вин на основі використання дубової тріски: дис. … канд. тех. наук. Московська державна технологічна академія. - Москва, 2002 - 258 с.

7. M. Braga R., M.A. Melo D., M. Aquino F. Characterization and comparative study of pyrolysis kinetics of rice husk and elephant grass. J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-013-3503.

8. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Thermogravimetric і kinetic analysis energy crop Jerusalem artichoke за допомогою distributed activation energy model. J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-013-3115-2.

9. Жао H., Yan H., Dong S., Zhang Y., Sun B., Zhang C., Ai Y., Chen B., Liu Q., Sui T., Qin S. Характеристики і кінетики макро-альгай Macrocystis pyrifera residue. J Therm Anal Calorim. 2013; 111: 1685-1690.

10. G. Mothe M., H.M. Carvelho C., F.C. Servulo E., G. Mothe C. Kinetic study of heavy crude oils by thermal analysis. J Therm Anal Calorim. 2013; 111: 663-668.

11. Oliveira L.E., Giordani DS, Paiva E.M. Кінетичні та thermodynamic параметри volatilization biodiesel з babassu, palm oil і mineral diesel thermogravimetric analysis (TG). J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-011-2163-8.

12. Slopiecka K., Bartocci P., Fantozzi F. Thermogravimetric analysis and kinetic study of poplar wood pyrolysis. App Energy. 2012; 97: 491-497.

13. Villanueva M., Proupin J., Rodriguez-Anon J.A., Fraga-Grueiro L., Salgado J., Barros N. Energetic characterization of forest biomass by caliometry and thermal analysis. J Therm Anal Calorim. 2011; 104:61-67.

14. Nowak B., Karlstrom O., Backman P., Brink A., Zevenhoven M., Voglsam S., Zinterf. J Therm Anal Calorim. 2013; 111: 183-192.

15. Williams A., Jones J.M., Ma L., Pourkashanian M. Pollutants від поглинання solid biomass fuels. Prog Energy Combustion Sci 2012; 38:113-137.

16. http://www.netzsch-thermal-analysis.com/en/products-solutions/thermogravimetric-analysis/tg-449-f3-jupiter.html. Accesed 30 July 2014

17. http://ua.mt.com/ru/ru/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Browse/TGA.html

18. http://www.perkinelmer.com/Catalog/Product/ID/N53 70742

19. http://www.shimadzu.com/an/thermal/tga50.html

20. http://www.ssi.shimadzu.com/products/literature/Mass_Spec/GCMS-QP2010_Plus_F.pdf

21. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac60286a 799? journalCode=ancham

22. http://www.ulvac-riko.co.jp/English/index_eng.htm

23. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac50049a774

24. http://www.linseis.com/ru/pribory/termogravimet rija/tga-pt1000/

25. http://www.leco.com/

26. http://www.tainstruments.com/product.aspx?id=31&n=1&siteid=11&gclid=CMzFn-iX0cECFcTVcgode0UARQ

27. Pokrobko S., Krol D. Thermogravimetric search of dry decomposition. J Therm Anal Calorim. 2012; doi: 10.1007/s10973-012-2398-z.

28. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Thermogravimetric і kinetic analysis of energy crop Jerusalem artichoke using distributed activation energy model. J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-013-3115-2.

29. D.K. Shen, S. Gu, K.H. Luo, A.V. Bridgwater, M.X. Fang Kinetic study на thermal decomposition of woods в oxidative environment. Fuel. 2009; doi: 10.1016/j.fuel.2008.10.034.

30. Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. J Anal Appl Pyrolysis 2006; 77:28-34.

31. Fang M.X., Shen D.K., Li Y.X., Yu CJ, Luo ZY, Cen KF. J Anal Appl Pyrolysis 2006; 77:22-7.

32. Bilbao R., Mastral JF, Aldea M.E., Ceamanos J. J Anal Appl Pyrolysis 1997; 39:53–64.

33. D.K. Shen, S. Gu, Baosheng Jin, M.X. Fang. Термальні деградації механізмів з дерева під вологою і oxidative environments using DAEM методів. Bioresource Techn. 2011; 102:2047-52.

34. Коробеїнічев О.П., Палетскій А.А., Мюнко Б. Гончікжапов, Шундріна І.К., Haixiang Chen, Naian Liu. Комбінація хімічної і декомбіційної кінетики лісу лісу. Procedia Eng. 2013; 62:182-193.

35. Van den Velden M., Baeyens J., Brems A., Janssens B., Raf Dewil. Fundamentals, kinetics і endothermicity з biomass pyrolysis reaction. Renew Energy 2010; 35:232-42.

36. Muller-Hagedorn M., Bockhorn H., Krebs L., Muller U. A comparative kinetic study на pyrolysis of three different wood species. J Anal Appl Pyrol 2003; 68-69: 231-49.

37. Vecchio S., Luciano G., Franceschi E. Expolarative kinetic study на thermal degradation of wood species for applications in the archeological filed. Ann Chim 2006; 96: 715-25.

38. Shakya B. Pyrolysis waste plastics до генерації useful fuel containing hydrogen using a solar thermochemical process. Master of Engineering, March 2007, Sydney.

39. Senneca O., Chirone R., Masi S., Salatino P. A thermogravimetric studium нефоссиль solid fuels 1. Inert pyrolysis. Energy Fuel 2002; 16:653–660.

40. Cai J., Liu R. Research on water evaporation in process of biomass pyrolysis. Energy Fuel 2007; 21:3695-7.

41. Yao F., Wu Q., Lei Y., Guo W., Xu Y. Термічна комбінація кінетики природних волокон: активація енергії з динамічною thermogravimetric analysis. Polym Degrad Stabil 2008; 93: 90-8.

42. Li Z., Liu C., Che Z., Qian J., Zhao W., Zhu Q. Bioresource Techn 2009; 100: 948-952.

43. Authier O., Thunin E., Plion P., Schönnenbeck C., Leyssens G., Brilhac J-F., Porcheron L Kinetic study pulverized coal devolatilization for boiler CFD modeling. Fuel 2014; 122:254-60.

44. Chapman PJ, Morrison S. biomass boiler CFD modeling and design validation. Engineering/Finishing & Converting Conference Proceedings 2001.

45. Дектерєв А.А. Математичне моделювання високотемпературних технологічних процесів. Конференція з міжнародною участю «VIII Всеросійський семінар ВНЗ з теплофізики та енергетики». Тези доповідей. - Єкатеринбург, 2013.

46. Collazo J., Porteiro J., Miguez JL, Granada E., Gomez M.A. Numerical simulation of small-scale biomass boiler. Energy Conv and Manag 2012; 64:87-96.

47. Hajek J., Jurena T. Modelling of 1 MW solid biomass combustor: simplified balance-based bed model coupled with freeboard CFD simulation. Chem Eng Transactions 2012; 29:745-750.

48. Porteiro J., Collazo J., Patino D., Granada E., Gonzalez J.C.M., Miguez L. Номери моделювання biomass pellet домашній boiler. Energy & Fuels 2009; 23: 1067-75.

49. Chaney J., Liu H., Li J. На перегляді CFD modeling малого розміру fixed-bed biomass pellet boilers з попередніми результатами від simplified approach. Energy Conv and Manag 2012; 63:149-56.

50. Papadikis K., Gu S., Bridgwater A.V., Gerhauser H. Додаток до CFD до моделі швидкої pyrolysis of biomass. Fuel Proc Techn 2009; 90: 504-12.

51. Ion V., Popescu F., Rolea G. Biomass pyrolysis model for CFD application. J Therm Anal Calorim 2013; 111:1811-15.

52. Al-Abbas A.H, Naser J., Dodds D CFD моделювання повітряних fixed і oxy-fuel combustion of lignite в 100 KW furnace. Fuel 2011; 90: 1778-95.

53. Yang Y.B., Yamauchi H., Nasserzadeh V., Swithenbank J. Діяльність цілковитої розгортання на згортання дерев'яних чіпів і повалення simulated municipal solid wastes in packed bed. Fuel 2003; 82: 2205-2221.

Вступ

Біопаливо є чистим відновлюваним джерелом енергії. Важливою особливістю деревної біомаси є те, що в ній практично немає сірки та фосфору, тому кінцевими газоподібними продуктами її згоряння є вуглекислий газ і водяні пари. Крім того, розширене використання біопалив - продуктів включених у замкнутих цикл виробництва та споживання вуглекислого газу є привабливою альтернативою у розвитку сучасної енергетики.

Оцінка можливості переробки деревних відходів показує широкі перспективи їхнього енергетичного використання, проте існує безліч факторів, що надають певний вплив на ефективність використання деревної біомаси. Наприклад, вологість деревних палив може змінюватись у досить широких межах. Це призводить до певних труднощів при їх використанні в існуючих топкових пристроях. Також істотно впливає на ефективність спалювання надає гранулометричний склад палива. Відхилення у розмірах частинок, як у бік збільшення, так і у бік зменшення оптимального для даного типу топкового пристрою знижують ефективність його роботи. Крім того, фізико-хімічні та теплотехнічні властивості різних видів деревної біомаси мають деякі відмінності, тому знання специфічних особливостей деревної біомаси дозволяє забезпечити кваліфіковану розробку та проведення заходів для економічно та екологічно ефективної роботи котлоагрегатів.

У зв'язку з цим дослідження процесів, які відбуваються при спалюванні деревного палива, вивчення впливу різних факторів на ефективність спалювання деревного палива є дуже актуальним завданням. Для її вирішення використовують методи термічного аналізу.

Термічний аналіз може проводитися як за схемою комплексного термічного аналізу, що поєднує в рамках єдиної установки термогравіметрію (ТГ-аналіз), диференціальний термічний аналіз (ДТА-аналіз), газову хроматографію (ГХ-аналіз) та інфрачервону спектрофотометрію газів (ІЧ-аналіз). Існують як деріватографи, що серійно випускаються вже тривалий час, так і сучасні синхронні термічні аналізатори.

Успіх досліджень з допомогою термічного аналізу великою мірою визначається рівнем технічного оснащення. Насамперед це стосується таких фізико-хімічних методів, як термогравіметричний та диференційно-термічний аналіз.

В даний час у різних країнах світу виробляється велика кількість приладів, спеціально призначених для цілей термічного аналізу. Якщо спочатку окремі фірми спеціалізувалися з виробництва одного-двох типів приладів, нині намічається тенденція до випуску комплексів устаткування, які забезпечують найповніше дослідження термохімічних і теплофізичних властивостей найрізноманітніших матеріалів.

За тематикою термічних методів аналізу біопалива існує досить велика кількість робіт, оскільки за термогравіметричними аналізами опубліковано 1868 робіт, що перебувають у міжнародних базах даних (дані Science Direct). Якщо розглядати російські бази даних, то них не так багато робіт, пов'язаних з термогравіметричними дослідженнями біопалив.

У базі даних (elibrary) 1139 робіт, присвячених питанням термогравіметрії. В основному це термогравіметричні дослідження різних хімічних компонентів, сумішей та ін. Що стосується твердих палив, то є низка опублікованих робіт з термогравіметричного та кінетичного дослідження вугілля (Кансько-Ачинського басейну), захищена кандидатська дисертація на тему: «Удосконалення та впровадження комплексного термічного аналізу у практику енергетичного використання Кансько-Ачинського вугілля». Активно цією тематикою займаються в Красноярському державному технічному університеті. Але робіт з дослідження біопалив методами термічного аналізу: деревини різних порід, гранул (пеллет), брикетів і т.д. у російських журналах недостатньо.

За тематикою комплексного термічного аналізу у Російських журналах опубліковано 284 роботи. З них лише одна робота, присвячена дослідженню біопалива в харчовій та переробній промисловості: «Комплексний термічний аналіз процесів термолізу деревини». Інші роботи описують комплексний термічний аналіз різних металів, процесів термохімічного перетворення тощо. Російські журнали, що друкують роботи з даної тематики, це "Хімія твердого палива", "Журнал прикладної хімії", "Хімія рослинної сировини" та ін.

Таким чином, у російській технічній літературі недостатньо уваги приділяється дослідженням твердого палива методами термічного аналізу, особливо деревного біопалива.

Міжнародні журнали, що друкують роботи з даної тематики це: Journal of thermal analysis and calorimetry, Thermochimica Acta, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Fuels, Bioresource and Biotechnology, Biomass and bioenergy, Fuel processing technology. У цих журналах опубліковано багато робіт, що описують термогравіметричні дослідження різних типів біомаси: лушпиння рису, слонова трава, артишоки, горіхова шкаралупа (Areca catheu), водної біомаси: мікроводорості та качина трава. Також є роботи, пов'язані з дослідженням сирої нафти, біодизеля, пальмової олії та мінерального дизеля. З робіт з деревного біопалива, є статті за результатами термогравіметричних і кінетичних досліджень тополі та бука, плодівника та Адамового дерева, а також деяких порід хвойних дерев. Однак, публікацій, що розкривають повну картину термогравіметричних та кінетичних досліджень різних порід деревини та деревного біопалива у міжнародних виданнях явно недостатньо.

Аналіз приладового ряду
для проведення термічного аналізу

У роботах експериментальна частина проводилася переважно на обладнанні фірм: «Netzsch Geratebau GmbH. Selb (Німеччина), Mettler Toledo (Швейцарія), Perkin-Elmer Instruments (США), Shimadzu Corporation (Японія), TA Instruments (США).

Фірма Netzsch Geratebau GmbH. Selb» (Німеччина) випускає синхронний термоаналізатор STA 449 Jupiter, який працює в інтервалах температур 25-1300 °С. Регулятор температури забезпечує десять швидкостей нагрівання від 01 до 100 ° С або від 01 до 10 ° С/хв. Межа зважування – 10 г (разом з тиглем), інтервал вимірювання мас від 12,5 до 500 мг, точність + 0,05 мг. Для диференціально-термічного аналізу чутливість від 25 до 1 мВ. Прилад працює при продуванні через реакційну камеру інертного та реакційного газу або у вакуумі до 10-3 Па. Є можливість приєднання приставки ЕСА для реєстрації газів, що виділяються, які потоком газу-носія направляються в катарометр термоаналізатора 403 ЕТА, заснованого на визначенні радіоактивних атомів газу.

Термоаналізатори TGA/SDTA фірми Mettler Toledo (Швейцарія) дозволяє одночасно проводити термогравіметричні та диференціально-термічні вимірювання. Робочий діапазон температур від 20 до 1100 або 1600 ° С, швидкість нагрівання від 0,01 до 100 ° С/хв; час охолодження від 1000 до 100 ° С за 20 хв; вбудовані ультрамікроваги з межею зважування 1 або 5 г, дискретністю 1 або 0,1 мкг. У приладі реалізовано автоматичне калібрування ультрамікроваги вбудованими гирями; роздільна здатність сигналу ДТА становить - 0,005 °С; калібрування за температурою плавлення стандартних зразків чистих металів; горизонтальне розташування печі мінімізує похибки, що спричиняються нерівномірністю подачі робочого газу; герметична піч забезпечує можливість працювати у різних газових середовищах, а також вакуумі до 0,1 Па; блок автоматичного контролю двох робочих газів; автосемплер для автоматичного аналізу серії зразків; інтерфейси, що забезпечують підключення ІЧ-Фур'є- та мас-спектрометрів для аналізу газоподібних продуктів, що виділяються; широкий вибір тиглів для зразків із різних матеріалів об'ємом від 30 до 900 мкл.

Багато років розробляє апаратуру для термічного аналізу фірма Perkin-Elmer Instruments (США). Прилади термогравіметрії представлені моделями Pyris TGA. Вони відрізняються високою чутливістю, простотою у використанні та обслуговуванні. Висока ступінь автоматизації всіх процесів дозволяє звести до мінімуму простої приладу і виключити випадкові помилки, викликані неправильними діями оператора на стадії завантаження приладу. Прилад розрахований працювати до температур 1000 °З повагою та 1500 °З. Додатково прилад може комплектуватися автосемплером або мас-спектрометром для аналізу газів, що відходять. Крім того, дана компанія випускає синхронний термічний аналізатор марки STA 6000, який набув широкого поширення серед дослідників, які займаються питаннями термогравіметрії. Даний аналізатор, як і багато інших, працює в автоматичному режимі із програмним забезпеченням, що дозволяє отримати ТГ, ДТГ ДСК та криві зміни маси в автоматичному режимі.

Фірма Shimadzu Corporation (Японія) пропонує кілька типів термоаналітичних приладів. До них відносяться прилади TGA 50/50H і TGA 51/51H, що забезпечують аналіз у діапазоні температур від 20 до 1000/1500 ° С з темпом нагрівання від 0,1 до 50/100 ° С/хв. Діапазон зміни мас зразка становить від 20 мг до 2 г. До основних технічних переваг розробок даної фірми відносяться робоча станція (Thermal Analysis Workstation) TA 600 WS, що дозволяє об'єднати в рамках єдиного вимірювального комплексу чотири термоаналізатора за типом TGA51/51H керуванням вимірювання TG, DTG, DTA, DSC - даних та результатів газового аналізу продуктів за інтерфейсом RS 232. Також дана фірма випускає прилади, що дозволяють здійснювати запис хроматограм. Останньою новинкою є прилад GC-MS QP2010Plus (Shimadzu, Японія), оснащений системою піролізу EGA/PY-3030D (Frontier Lab, Японія). Обробка одержаних результатів проводиться за допомогою програмного забезпечення GCMS Solution 2.72. Процес термічного розкладання проходить без доступу кисню, що дозволяє проводити аналіз газових компонентів, що виділяються.

Крім розглянутих вище компаній, існує і багато інших фірм, що займаються випуском термоаналізаторів, таких як «Stanton Redcroft» з аналізатором «Unirelax», що дозволяє проводити одночасно з термогравіметричним та термічним аналізами вимірювання механічних та діелектричних властивостей матеріалів, вимірювання деполяризації, зняття термомеханічних кривих, вимірювання в'язкості. Фірма Ulvac Sinku-Rika (Японія) випускає серію термоаналітичних приладів; фірма «Du Pont» (США) виробляє комплекс термоаналітичних приладів Thermal Analysis System; компанія «Linseis» (США) займається розробкою промислового обладнання для проведення термоаналітичних досліджень. Термоаналітична апаратура від фірми «Leco Corporation» (США) має гарні функціональні можливості; високу точність виконання термоаналітичних досліджень забезпечує серія термоаналізаторів від фірми Rheometric Scientific, Inc (США). Однак багато з цих приладів не набули широкого поширення серед дослідників і в наукових публікаціях мало робіт, де експериментальна частина проводилася на приладах даних виробників.

Аналіз літератури
з термогравіметричних
дослідженням

Як згадано вище, опубліковано близько двох тисяч робіт із термогравіметричних досліджень. Більшість робіт надруковано в журналах Journal of Thermal Analysis and Calorimetry та Thermochimica Acta. У статті наведено результати термогравіметричних досліджень процесу піролізу сухої біомаси: зерно, овес, солома, енергетичні плантації (cukrosorgo). Наведено теплотехнічні характеристики кожного з них досліджених матеріалів. Це вологість, вміст летких речовин, зольність та нижча теплота згоряння. Середній вміст вологості у досліджуваній біомасі варіювався від 5 до 10 %, зольності від 2 до 5 %, вміст летких речовин у середньому 85 %, нижча теплота згоряння 15,5 МДж/кг. Виходячи з цих даних, можна зробити висновок про високий вміст летких речовин, низький вміст вологи, хоча в статті не описані будь-які процеси додаткової сушіння. Значення зольності також має невелике значення, а значення нижчої теплоти згоряння становить рівні деревного біопалива. За елементним складом досліджуваних зразків наведено дані щодо вмісту вуглецю, водню, азоту та кисню на повітряно-суху масу, які можуть бути зіставлені зі значеннями для деревного біопалива та знаходяться в діапазоні, 45, 7, 1, 44 % відповідно. На відміну від деревного біопалива у наведених зразках сільськогосподарських культур з'являється невеликий вміст сірки та хлору 1 та 0,05 % відповідно. Значення відношення Cl/S необхідно враховувати під час вибору біопалива для енергетичних котлів. Граничне значення цього співвідношення 0,454. При значенні менше цього інтенсивність корозійної дії хлору різко знижується, завдяки більшій тенденції до формування компонентів мінеральної сірки в топці котла. Далі у статті описані процеси сушіння та виходу летких речовин в інертному середовищі (у середовищі аргону) з витратою газу 50 мл/хв, отримані ТГ та ДТГ криві для кожного зразка. На основі методу масової спектроскопії було проведено якісний та кількісний аналіз газоподібних продуктів. У статті наведено значення також нижчої теплоти згоряння, яка визначалася за допомогою калориметричної установки та відсоткові значення часток газоподібних продуктів: Н2, СН4, Н2О, СО, СО2. Значення теплотворної здатності продуктів піролізу сільськогосподарської біомаси показали, що вони можуть використовуватися для газових турбін та енергетичних котлів.

Багато статей з термогравіметричного дослідження поєднані з кінетичним аналізом. У цій статті на основі термогравіметричних даних проведено кінетичне дослідження лушпиння рису та слонової трави. Наведено теоретичний опис процесу піролізу, режимів його протікання та одержуваних продуктів. Дослідження націлене на аналіз процесу термічного розкладання та визначення його кінетичних параметрів, таких як енергія активації, необхідна для руйнування зв'язків геміцелюлози та целюлози (голоцелюлози). Кінетичне дослідження було виконано в діапазоні термічного розкладання голоцелюлози (геміцелюлоза + целюлоза) на основі даних термогравіметричного аналізу за допомогою моделей Озава-Флінн-Уолла та моделі вільної кінетики. Математичні викладки визначення енергії активації, передекспоненційного фактора, порядку реакції також наведено у роботі. Порівнюючи лушпиння рису та слонову траву за допомогою даних елементного теплофізичного аналізів, можна зробити висновок, що досліджені зразки відрізняються за характеристиками як від деревного біопалива, так і від біомаси сільськогосподарських культур, а саме нижчим вмістом летких речовин: 52 % для лушпиння рису та 65 % для слонової трави, вищим значенням зольності: 34% та 7% відповідно, вміст вологості не перевищував 10%. Елементний аналіз показав нижчий вміст вуглецю, кисню, але більш високий вміст водню порівняно з деревним біопаливом та біомасою сільськогосподарських культур. Класичні ТГ та ДТГ криві наведені у розділі результати та обговорення. Наведені криві чітко показують процес сушіння, виходу летких речовин. ДТГ крива має один виражений пік, що описує процес виходу летких речовин. Криві для визначення енергії активації в залежності від ступеня розкладання на основі моделей Озава-Флінн-Уолла та моделі вільної кінетики також наведені у цій роботі. Середні значення енергії активації для лушпиння рису на основі моделі Озава-Флінн-Уолла та моделі вільної кінетики склали 221 та 229 кДж/моль відповідно, а для слонової трави – 218 та 227 кДж/моль. З отриманих значень енергій активації зроблено висновок, що лушпиння рису вимагає більше енергії для розкладання полімерів геміцелюлози та целюлози, що може бути пояснено вищим вмістом зольності, що веде до обмежень у тепломасопереносі. Для досліджених біопалив характерно подібне термічне поведінка попри різне співвідношення їх складових (геміцелюлози, целюлози, лігніну і зольності).

У статті подано результати термогравіметричних та кінетичних досліджень Єрусалимського артишоку. Цей овоч був вирощений у соляній землі у провінції Янтай (Китай). Бульба була висушена протягом чотирьох днів, потім розмолот і просіяний через сито 125 мікрон. Термогравіметричне дослідження провели на аналізаторі Mettler Toledo TGA/DSC1 STARe. Маса зразка була обрана 7-10 мг, що зазвичай використовується у більшості експериментів. Для оцінки кінетики процесу піролізу було обрано розподілену кінетичну модель енергії активації. Середні значення вологості, вмісту летких речовин, пов'язаного вуглецю та зольності для Єрусалимського артишоку склали: 3,0; 75,0; 18,0; 5,0% відповідно. Вміст летких речовин, вуглецю та зольність можна порівняти зі значеннями для деревного біопалива. На характерних кривих ТГ та ДТГ аналізів було поділено три стадії. Перша стадія, що відбувається в діапазоні температур від навколишнього середовища до 170 ° С, друга від 170 до 420 °С. Третьій стадії відповідає діапазон температур від 420 до 700 °С. Залежно від ступеня перетворення випробуваного матеріалу одержано значення кінетичних характеристик (енергії активації, передекспоненційного множника, порядку реакції). Середня величина енергії активації для Єрусалимського артишоку склала 172 кДж/моль, що близько за значенням як для деревного біопалива, так і для інших видів біомаси. Зроблено висновок про перебіг процесу піролізу для Єрусалимського артишоку в три стадії, при цьому основна частина термічного розкладання відбувається в діапазоні температур від 190 до 380 °С. Енергія активації зразків бульб, розрахована на основі розподіленої кінетичної моделі, знаходиться в діапазоні від 146 до 232 кДж/моль залежно від розкладання.

Наведено аналіз експериментальних даних для різних порід деревини: осика, береза, дуб і сосна. У цій роботі ТГ дослідження та кінетичний аналіз виконані в повітряному середовищі. Деревне біопаливо складається з геміцелюлози, целюлози та лігніну, які розкладаються в діапазонах температур: 225-325, 305-375 і 250-500 °С. Окислювальний процес складається з двох стадій: перша – процес виходу летких речовин, основних компонентів біомаси, і друга стадія – розкладання лігніну та горіння коксового залишку на ранніх стадіях. Цей процес має велику відмінність від процесу термічного розкладання в інертному середовищі, оскільки наявність кисню має величезний вплив і викликає додаткові складності, такі як збільшення ступеня розкладання матеріалів при низьких температурах та горіння коксового залишку. У цій статті розглянуто експериментальну установку для вивчення процесу піролізу та горіння, отримано класичні ТГ та ДТГ криві для берези, осики, дуба та сосни при швидкості нагрівання 10 °С на хвилину. На відміну від інертного середовища ДТГ криві в окисному середовищі мають два характерні піки. Перший пік відповідає максимальній швидкості виходу летких речовин, а другий характеризує горіння коксового залишку. Також проведено ТГ та ДТГ дослідження за високої швидкості нагріву - 100 °С/хв. ДТГ крива при високій швидкості нагріву має не такий яскраво виражений пік, що описує процес горіння коксового залишку на відміну від низької швидкості нагріву. У статті визначено енергію активації для процесу виходу летких речовин. Кінетична модель ґрунтується на законі Арреніуса. У цьому порядок реакції приймався першим. На основі цієї теорії, кінетичні параметри розраховані з кривої лінійної регресії зі значеннями кореляції. У цій статті весь процес термічного розкладання поділений на дві окремі реакції і кожна їх описується законом Аррениуса першого порядку. Енергія активації першої реакції при низькій температурі трохи відрізняється для різних порід деревини і знаходиться в діапазоні від 104 до 125 кДж/моль. Значення енергії активації збільшується зі збільшенням швидкості нагрівання. Навпаки, енергія активації другої стадії реакції між різними породами сильно відрізняється і знаходиться в діапазоні від 89 до 220 кДж/моль і змінюється плавніше зі збільшенням швидкості нагрівання. У роботі зроблено висновки щодо випаровування вологи у зразках деревини, яка починає випаровуватися при температурі, що перевищує 80 °С і продовжується до досягнення матеріалом температури 120 °С. Від 120 °С до 240 °З відбувається незначна зміна маси випробуваного матеріалу, в діапазоні температур від 240 до 360 °С процес піролізу вважається ендотермічним, від 320 до 450 °С дерев'яні частинки піролізуються швидше і відбувається швидка і значна втрата маси. Структурні зміни представлені стиском та розколюванням шару деревного вугілля.

У журналі «Bioresource Technology» опубліковано статтю , яка описує механізми термічного розкладання деревини (на прикладі берези) в інертному та повітряному середовищах, використовуючи методи розподіленої моделі енергії активації. Здійснено порівняння значень енергії активації, визначених за допомогою моделі глобальної кінетики та розподіленої моделі енергії активації. Експериментальна частина була виконана на термічному аналізаторі компанії Mettler Toledo TGA/SDTA 8951E в інертному середовищі з різними швидкостями нагріву: 5, 10, 15, 20, 30 і 40 °С/хв. Стаття докладно розкриває теоретичні викладки, що описують розподілену модель визначення енергії активації та глобальну кінетичну модель. Також у статті зроблено висновок, що термічне розкладання деревини переважно визначається процесом розкладання целюлози. Залежно від ступеня розкладання значення енергії активації для берези, визначені за розподіленою моделлю, знаходяться в діапазоні від 175 до 235 кДж/моль. Наведено дані щодо енергій активації для берези та сосни, визначені за глобальною кінетичною моделлю. Залежно від швидкості нагрівання значення варіюються від 120 до 250 кДж/моль. Таким чином, середнє значення знаходиться в межах 180 кДж/моль. У висновку зроблено такі висновки, що глобальна кінетична модель описує термічне розкладання реакціями, що переважають в основній стадії втрати маси (в діапазоні виходу летких речовин). Через високий коефіцієнт кореляції (R2>0.9), екстраполованого з експериментальних даних, глобальна кінетична модель може бути застосована для опису процесу термічного розкладання біопалива як в інертному, так і в окисному середовищі. Розподілена кінетична модель визначає процес розкладання біомаси системою незворотних реакцій першого порядку. За результатами розподіленої кінетичної моделі значення енергії активації мали більші значення, ніж при використанні глобальної кінетичної моделі. Розподілена кінетична модель не може бути застосована для опису процесу термічного розкладання біопалива в окисному середовищі через складність реакцій, що протікають на другій стадії.

Вчені Новосибірського державного університету під керівництвом проф. О.П. Коробейничева опублікували роботу, що характеризує процес термічного розкладання та горіння Сибірської сосни. Матеріалом для дослідження було обрано кору сосни, соснові голки та стовбурову частину деревини. Дослідження проводилися при повільній швидкості нагрівання (10, 20, 30, 40 і 50 К/хв) на синхронному термоаналізаторі Netzsch STA 409 PC та при швидкому нагріванні в кварцовому проточному реакторі (100-200 К/с). Також у цій статті описані всі хімічні стадії процесу термічного розкладання та горіння деревного палива, описаний склад газоподібних продуктів, що виділяються в результаті процесу термічного розкладання. Для опису кінетики лісового палива запропоновано «псевдо двокомпонентну модель першого порядку з роздільними стадіями», при цьому в процесі піролізу виділяються три стадії. Енергія активації стовбурової деревини сосни при швидкостях нагріву від 10 до 100 К/хв знаходиться в діапазоні від 112 до 125 кДж/моль. Енергія активації для другої стадії зменшується зі 145 до 80 кДж/моль зі збільшенням швидкості нагрівання від 10 до 100 К/хв. У статті також наведені класичні криві зменшення маси в залежності від температури при різних швидкостях нагріву: 10, 20, 30, 40, 50 К/хв для зразків з кори сосни в інертному середовищі (середовищі гелію) та окисному середовищі (гелій і 21 % кисню ). Наведено таблицю із середніми значеннями енергії активації для зразків зі стовбурової сосни, кори сосни та соснових голок. Значення енергій активації варіюються від 164 до 184 кДж/моль.

Стаття, що представляє термогравіметричний та кінетичний аналіз процесу термічного розкладання тополі, опублікована італійськими вченими з університету Перуджії наводить не тільки значення кінетичних характеристик, визначених на основі будь-якої моделі, але також і порівняння кінетичних характеристик, визначених на основі різних моделей. Так у статті наводиться значення енергії активації, визначене методом Кісінджера, що становить 153,92 кДж/моль. Метод Кісінджера відноситься до моделі вільної кінетики до неізотермічних методів, серед яких також модель Озава-Флінн-Уолла та В'язовкіна. Для порівняння в даній роботі наведено таблицю значень енергій активації, передекспоненційного множника та ступеня розкладання для тополі, визначених на основі різних моделей: Озава-Флінн-Уолла та Кісінджера. Значення добре поєднуються між собою та мають близькі величини. Так, середнє значення енергії активації, визначеної на основі моделі Озава-Флінн-Уолла, дорівнює 158,58 кДж/моль, що дуже близько до значення енергії активації, визначеної на основі моделі Кісінджера (153,92 кДж/моль). Експерименти проводилися в інертному середовищі (азоту) при чотирьох різних швидкостях нагріву: 2, 5, 10, 15 К/хв, відповідно кінетичні характеристики визначалися на основі даних термогравіметричного аналізу при низьких швидкостях нагріву. Також у статті наведено отримане значення енергії активації при високій швидкості нагрівання 100 К/хв зі статті, що дорівнює 54,1 кДж/моль. Різниця в значеннях пояснюється тим, що в даній роботі використовується спеціальна методика дослідження процесу піролізу тополі, що швидко росте, до кінцевої температури 700 °С.

Також у літературі є ще роботи, що описують ТГ та кінетичний аналізи різних порід деревини. Опубліковано кілька робіт, що описують ТГ аналіз та поведінку різних матеріалів: пластик, похідні деревини, процесу випаровування вологи, різних волокон.

Велика кількість робіт присвячена дослідженню рідких палив: мазуту, біодизеля, пальмової олії та мінерального дизеля.

Енергія активації мазуту визначалася також за стандартними моделями Фрідмана та Озава-Флінн-Уолла. Залежно від ступеня розкладання, значення енергії активації для мазуту знаходиться в діапазоні від 80 до 170 кДж/моль. Для деяких типів мазуту значення енергії активації за ступенем розкладання α = 0,9 знаходиться в межах 244 кДж/моль. Середнє значення активації енергії для мазуту протягом всього процесу горіння знаходиться в діапазоні 120-130 кДж/моль. Дані значення активації активації визначалися за допомогою програмного забезпечення Thermokinetics, розраховує значення енергій активації на основі даних термогравіметричного дослідження. Ця робота є однією з небагатьох, яка описує кінетику та термічне розкладання рідких палив на прикладі мазуту.

У статті термогравіметричний аналіз проводився на термовагах фірми Shimadzu моделі TGA-50 в діапазоні температур від 303 до 873 До зі швидкістю нагрівання 283 К/хв в інертному середовищі з витратою азоту 50 мл/хв. Досліджувалися зразки біодизеля, пальмової олії та мінерального дизеля. Кінетична модель ґрунтується на загальному рівнянні Арреніуса, яке далі інтегрується на основі моделі Озава-Флінн-Уолла. Кінетичні параметри визначалися на основі даних ТГ кривих, побудованих за трьох різних швидкостей нагріву: 10, 15, 20 °С/хв. Для мінерального дизеля середнє значення енергії активації отримано 44,9 кДж/моль, для біодизеля 76,37 кДж/моль, для пальмового дизеля 87 кДж/моль. У висновку зроблено висновки щодо визначення точки кипіння та її залежності від вмісту летких компонентів. Мінеральний дизель має велику кількість летких речовин у порівнянні з пальмовим дизелем та біодизелем і відповідно менше значення енергії активації.

Дослідженню вугілля приділялася велика увага як за кордоном, так і в нашій країні. Стаття наводить дані кінетичного аналізу бітумного і худого вугілля порівняно з біомасою (стебло кукурудзи). Вугілля має більше значення енергії активації, ніж біопаливо, що знаходиться в діапазоні від 290 до 340 кДж/моль, а саме для бітумного вугілля 299 кДж/моль та для худого вугілля 338 кДж/моль.

Вчені з лабораторії управління ризиками та захисту довкілля Університету Верхнього Ельзасу, Мюлуз (Франція) опублікували роботу з кінетичного дослідження двох типів вугілля: Колумбійського та Південно-Африканського. Дослідження проводились у реакторі падаючого типу, виготовленого в лабораторії Університету Верхнього Ельзасу. Отримано значення для вугілля 120 і 119 кДж/моль відповідно. Дані значення є нижчими за середні, тому що для їх визначення використовувалася схема Кобаяші з оптимізованими параметрами. У статті детально описані теоретичні викладки щодо визначення кінетичних параметрів, застосовуючи даний метод.

У висновку можна зробити висновок, що дані по кінетичних характеристиках можуть бути використані в чисельному моделюванні процесів виходу летких речовин для розрахунку масового балансу і енергетичного балансу самого процесу виходу летких речовин. Отримані кінетичні характеристики можуть використовуватися в рівняннях тепломасоперенесення, на яких ґрунтується алгоритм роботи програмного забезпечення, призначеного для симулювання. Найбільш поширене програмне забезпечення – це комерційний продукт Ansys Fluent, призначений для моделювання процесів, що відбуваються в топкових пристроях котельних агрегатів, а саме процесів горіння, тепломасообміну та теплоперенесення. Даним програмним забезпеченням користуються не тільки вчені для моделювання процесів, але й великі виробники котельних агрегатів, такі як Альстом (Alstom) та ін. (CFX, STAR, CCM+, OpenFoam, Flow Vision та ін.). У Сибірському федеральному університеті розроблено свій пакет програм "SigmaFlow", що реалізує традиційну для універсальних CFD пакетів методологію. Це дискретизація вихідних рівнянь у криволінійних неортогональних координатах на центрованому шаблоні; вирішення системи рівнянь глобальними ітераціями в рамках концепції розщеплення у фізичних процесах з використанням процедури узгодженої корекції тиску (SIMPLE) із регуляризацією Рхі-Чоу; дискретизація конвективних членів рівнянь перенесення в неявній частині за протиточними односторонніми різницями та корекцією в явній частині до схем підвищеного порядку апроксимації; розв'язання різницевих рівнянь багатосіточними методами.

Опубліковано низку робіт як з дослідження промислових котельних агрегатів, так і котлів малої потужності. Також опубліковано низку робіт з CFD моделювання процесу піролізу біомаси, лігніну.

Таким чином, перспективним науковим напрямом є визначення кінетичних характеристик процесу термічного розкладання експериментальним шляхом або на основі термогравіметричних даних та подальше застосування кінетичних характеристик для моделювання процесів, що відбуваються в топкових пристроях.

Мар'яндишев П.А., Чернов А.А., Любов В.К. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ТЕРМІЧНОГО РОЗКЛАДАННЯ БІОПАЛИВА І РОЗРОБКА СПОСОБІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЙОГО ЕНЕРГЕТИЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ // Міжнародний журнал експериментальної освіти. - 2015. - № 1. - С. 29-37;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6316 (дата звернення: 30.04.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Реакції за кімнатної температури

План лекції

1. Принцип термічного розкладання речовин.

2. Розкладання цирконового піску.

3. Десилікація каоліну.

Процес дисоціації з урахуванням високих температур може мати велике значення і для дуже стійких в інших умовах оксидів, напруга дисоціації яких показано на рис. 54. Відомо, що дисоціація оксидів настає тоді, коли напруга дисоціації перевищує «парціальний тиск кисню в навколишній атмосфері».

При використанні газу, що містить дуже малі кількості кисню, парціальний тиск кисню, наприклад, у разі аргону, може досягати порядку декількох Паскалів; можливі дисоціація та розкладання таких міцних зв'язків, як у АlO 3 , SiO 2 та MgO Були опубліковані також роботи про отримання молібдену з MoS 2 .

При оригінальній технології розкладання «Хінарк» (Шира – Кормана) у разі переробки вогнетривкої сировини руду змішували лише з такою кількістю вуглецю, щоб забезпечити електричну провідність формованого обпаленого електрода. У ході подальших робіт дійшли висновку, що анод можна отримати із суміші руди та вуглецю, вільно укладених у графітовій обоймі. Завдяки цьому вдалося заощадити кошти на виготовлення стрижневих електродів. Для обох зазначених видів анодів плазмове полум'я складалося переважно з пар окремих елементів, включаючи певну частку парів вуглецю, яка досягала приблизно 15 - 20%. Продукти згоряння, які вільно конденсувалися на повітрі, складалися із суміші оксидів, причому газоподібний окис вуглецю потрапляв в атмосферу. Хоча вихідна сировина містила комплексні сполуки, наприклад евксеніт або вогнетривкі силікати, було встановлено, що зворотні реакції при охолодженні призводять до утворення лише простих оксидів (тобто монооксидів) або навіть субокисів. Загальна тривалість перебування вільних атомів та іонів у плазмовому полум'ї, що має високу швидкість, дуже мала для того, щоб відбувалися зіткнення багатьох атомів. Так, наприклад, при використанні як вихідний матеріал родоніту утворюється дрібнодисперсний МnО і SiO 2 , а при використанні берилію BeO, Al 2 O 3 і SiO 2 .

Рисунок 54. Залежність тиску дисоціації оксидів від температури

За допомогою мас-спектроскопії можна розрізнити заряджені частинки різної маси. Вже були випробувані способи взаємовідділення оксидів в електростатичних або магнітних полях або фракціонованої конденсації. Однак успішні результати були досягнуті тільки у випадку сепарації, заснованої на використанні точки роси, при якій колектор, що фільтрує, приймає конденсовані тверді частинки, перешкодили в таке місце потоку продуктів згоряння, де температура була вище точки роси небажаних елементів або сполук. Однак на практиці струму доцільніше зібрати більшість оксидів у вигляді суміші і обробляти їх потім яким-небудь іншим способом. У принципі такий двоступінчастий процес аналогічний звичайному процесу переробки руд, коли руди спочатку розплавляють, потім охолоджують і, нарешті, витягають з них метал. Єдина суттєва різниця полягає в тому, що при плазмовій обробці реакції відбуваються в газовій фазі і проміжним продуктом є дуже дрібний порошок, що має високу реакційну здатність. Як показує досвід, розчинні компоненти швидко розчиняються, а нерозчинні легко відокремлюються шляхом фільтрації. Хоча діаметр частинок, що утворюються, дуже малий (становить всього 0,035 - 0,050 мкм), вони не утворюють шламу. Деякі окисли, (отримані таким шляхом, мають аномальну розчинність у деяких розчинниках, що можна пояснити високим ступенем руйнування і невпорядкованою структурою їх решітки.

Одержання двоокису цирконію шляхом термічного розкладання цирконового піску. Фірма Ionarc Smelter Ltd ввела в 1970 р. в експлуатацію напівпромислову установку для одержання двоокису цирконію та силікату натрію із цирконового піску.

Двоокис цирконію зазвичай отримують шляхом переплаву великих порцій цирконового піску потужних трифазних дугових печах з вуглецевими електродами. При цьому двоокис кремнію, яка має нижчу температуру кипіння, ніж двоокис цирконію, випаровується та відганяється. Після охолодження матеріалу, що залишився, отримують зерна двоокису цирконію з непостійними властивостями, особливо в центрі зерен, де охолодження відбувається повільніше. Кристаліти, що утворилися, досить великі. Домішки, що залишилися, схильні концентруватися в різних місцях зерен. Однак перед дробленням очищається тільки зовнішня поверхня зерен (причому на розсуд обслуговуючого персоналу). При цьому отриманий матеріал змішують, в результаті чого утворюється більш менш однорідний кінцевий продукт, але не настільки однорідний як двоокис цирконію, отримана шляхом плазмової обробки. при якій тепло впливає абсолютно рівномірно на малі окремі кулясті частинки вихідного матеріалу.

Основне місце у технології плазмових процесів займає промислова плазмова піч фірми Ionaro. Це універсальна установка, що служить для ряду високотемпературних операцій обробки, при яких частинки матеріалу проходять через плазму, що має температуру близько 20000.

Цирконовий пісок завантажується у верхню частину вертикальної печі зі швидкістю близько 180 кг/год, він проходить через гарячу зону діаметром приблизно 127, довжиною 910 мм. У кожний даний момент в печі знаходиться 1 кг матеріалу, що переробляється.

Стіни печі охолоджуються водою і не мають вогнетривкої футеровки. Відношення величини поверхні гарячої зони до її об'єму мало, що знижує теплові втрати і дозволяє розплавити завантажений матеріал протягом секунди.

Витрата енергії складає всього 1,32 кВт·год/кг порівняно з 9,9 кВт·ч/кг у нормальних печах для сублімації. На відміну від цих печей, що працюють за принципом відгону, плазмові печі характеризуються великою швидкістю проходження матеріалу, безперервним режимом роботи та набагато нижчими капітальними витратами.

Фактично вся двоокис кремнію, що утворюється при сепарації, залишається в печі в твердому стані. Це запобігає забрудненню атмосфери внаслідок винесення двоокису кремнію, що зазвичай спостерігається при переплаві цирконових пісків. Матеріал, що виходить з печі, є сепарованим цирконовим піском, в якому окремі частинки вже складаються не з силікату цирконію, а з суміші двоокису цирконію і двоокису кремнію. У зв'язку з дуже високими температурами в плазмовій печі та подальшим швидким охолодженням це розкладання вихідного матеріалу на два оксиди є практично повним. Порядок подальшої переробки показано на рис. 55.

1 – плазмова піч; 2 – цирконовий пісок; 3 - використана NaOH; 4 - водний розчин гідроксиду натрію: 5 - перший етап вилуговування; 6 - другий етап вилуговування; 7 - миття; 8 - сушарка; 9 - відфільтрована вода; 10 – центрифуга; 11 - освітлений розчин силікату натрію; 12 - розкладений цирконій

Рисунок 55. Схема переробки цирконового піску у низькотемпературній плазмі

Отримувана на плазмових установках двоокис кремнію аморфна, при цьому вона має високу реакційну здатність. Аморфний двоокис кремнію можна легко екстрагувати від малих кристалітів двоокису цирконію, з якими вона змішана. Для відділення достатній 50% розчин гідроксиду натрію з температурою кипіння 258°С. Екстрагування здійснюється у дві стадії. На першій стадії матеріал, отриманий у плазмовій печі, реагує з частково використаної на другій стадії екстрагування гідроксидом натрію, в результаті чого суміші видаляється більша частина наявного двоокису кремнію. Одночасно частково використаний гідроксид натрію нейтралізується з отриманням силікату натрію за реакцією:

ZrO 2 + SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + ZrO 2 + H 2 O

Більш легку рідину високої в'язкості відливають із судини, в якій проводилося екстрагування, розбавляють водою і центрифугують, щоб забезпечити відмучування розчину. Шляхом випарювання надлишкової води потім отримують пентагідрат. Тверді фракції, отримані на першій стадії екстрагування, які містять приблизно 95% двоокису цирконію, на другій стадії реагують зі свіжим киплячим 50% розчином гідроксиду натрію. На цій стадії екстрагування отримують двоокис цирконію чистотою більше 99% у вигляді пористих кулястих частинок, величина яких у більшості випадків не перевищує 0,2 мм. Цей матеріал промивають у ротаційному вакуум-фільтрі; воду від промивання використовують для розведення в'язкого розчину силікату натрію. Вологі тверді речовини, що залишилися, сушать до залишкового вмісту вологи менше 1%.

Залежно від вимог споживачів, процес можна скоротити і розділений у плазмовій печі матеріал піддавати лише одному екстрагуванню або взагалі відмовитися від нього. У ході процесу отримують три кінцеві продукти, що відрізняються один від одного, насамперед вмістом двоокису кремнію. Типовий хімічний склад цих трьох продуктів наведено в таблиці 12. Продукти чистотою 95 і 99% складаються з крихких пористих кулястих частинок; матеріал чистотою 70% має форму твердих склоподібних кульок. Для всіх трьох продуктів 95% частинок мають розміри в проділах 02 - 004 мм.

Таблиця 12 - Типовий склад трьох одержуваних видів ZrО 2

Отримана в плазмовій печі двоокис цирконію різко відрізняється від отримуваної звичайним способом як величиною кристалітів, так і морфологією, а також стабільністю властивостей. Кристаліти дуже однорідні, діаметр їх коливається лише не більше 0,1 - 0,2 мкм. Продукт lonarc, що випускається фірмою, складається з пористих частинок діаметром до 300 мкм, які легко піддаються дробленню до будь-якої необхідної крупності. У зв'язку з дуже малими розмірами вихідних кристалітів при дробленні до крупності менше 0,04 мм також отримують пористі частки.

Переваги процесу. У порівнянні з іншими процесами цей плазмовий процес має важливі переваги, зумовлені тим, що відсутня необхідність розчинення вихідного цирконового матеріалу. При типовому способі виробництва високоякісного двоокису цирконію за класичною технологією (тобто комбінації термічної обробки з хімічною реакцією) одержують багатий цирконієм розчин, з якого потрібно виділити цирконій (зазвичай іонами сульфату). Осад, що випав, потрібно промити і піддати випалу, щоб отримати двоокис цирконію. При цьому способі матеріал потрібно нагрівати до високої температури і видаляти сірчистий ангідрид, що утворюється. У кінцевому продукті залишається певна змінна частка сульфату іонів.

На противагу цьому на плазмовій установці двоокис цирконію виходить вже при проходженні вихідного матеріалу через плазму. Єдиною подальшою операцією є видалення двоокису кремнію шляхом екстрагування. При цьому рівень чистоти кінцевого продукту можна регулювати в залежності від вимог споживача. Наступними перевагами є висока якість та сталість розмірів кристалітів навіть у разі застосування у шихті вихідного матеріалу різної якості.

Плазмова технологія має й інші переваги, наприклад, менше забруднення навколишнього середовища. При отриманні двоокису цирконію з вихідного матеріалу винесення двоокису кремнію не відбувається. Крім того, при цьому процесі по суті не утворюються відходи, так як всі матеріали, що використовуються для процесу, зрештою, перетворюються на корисний продукт. Далі як побічний продукт отримують силікат натрію, який можна використовувати при виробництві поверхнево-активних речовин.

Економічні дані Витрати виробництва двоокису цирконію за способом Ионарк коливаються залежно від обсягу виробництва. При виробництві досвідчених партій у кількості дещо більше 45 т двоокису цирконію чистотою понад 99% на рік з метою перевірки попиту на ринку співвідношення між виробничими витратами та ринковими цінами було не дуже сприятливим. Однак можна припустити, що після спорудження та введення в експлуатацію промислової установки економічність цього процесу значно зросте. За даними фірми IonarcJ при підвищенні виробництва у п'ять разів можна заощадити 40% витрат на переділ.

Десилікація каоліну шляхом термічного впливу низькотемпературної плазми. Дуже перспективною є можливість десилікації деяких сполук за високих температур плазми. У гірничо-металургійному інституті м. Острави було успішно проведено досвід з десилікації каоліну з метою перевірки теоретичної можливості використання цього матеріалу для отримання алюмінію. Досвід проводили наступним чином: суміш каоліну та деревного вугілля затвердили органічним сполучним і піддали впливу плазми, отриманої з аргону та азоту у співвідношенні об'ємів 1:1, при температурі плазми близько 18 000 К. Використаний каолін містив 52% дво. В умовах високої температури внаслідок дії плазми зазначеного складу протікали такі процеси:

Відновлення Аl 2 O 3 вуглецем

2 / 3 Al 2 O 3 + 2C = 4 / 3 Al + 2CO (119)

Утворення нітридів AlN

Аl 2 O 3 + 3С + N 2 = 2AlN + 3СО (120)

Однак ця реакція утворення AlN при високих температурах пригнічувалася внаслідок утворення карбідів за реакцією.

4Аl + 3С = Al 4 C 3 (121)

Одночасно з цими протікав і ряд інших реакцій, в основному з утворенням алюмінію, кремнію та простіших оксидів. Під час досвіду було встановлено, що Аl 2 O 3 випаровується та розпадається. Одночасно утворювався і газоподібний субокис Аl 2 Про, який стікав та осідав на холодних ділянках реакційної судини. Присутня в системі двоокис кремнії легше відновлювалася, ніж А12О3. Нітриди кремнію теж утворювалися легше, ніж нітриди алюмінію. При одночасному відновленні Al 2 O 3 і SiO 2 утворювалися і такі продукти, як Si, SiO, SiC, які впливали на подальший перебіг процесу.

Проміжні нітриди, що утворюються, характеризуються нижчою термодинамічною стабільністю, ніж одночасно існуючі карбіди, внаслідок чого вони взаємодіють з вуглецем з утворенням карбідів або карбонітридів і виділенням газоподібного азоту.

2AlN + 3/2C=1/2Al 4 C 3 + N 2 (122)

1/2Si 3 N 4 + 3/2C = 3/2SiC + N 2 (123)

Для реакцій справедливо наступне: при кімнатній температурі термодинамічна стабільність нітридів вище карбідів. При більш високих температурах - близько 1700 ° С для AlN і 1500 - 1600 ° С для Si 3 N 4 - спостерігається протилежне явище. Крім зазначених реакцій, слід врахувати та утворення карбонітридів.

У ході досвіду шихта, поміщена в графітовий посуд, швидко розплавилася і почала випаровуватися. Реакції протікали як у рідкій, так і газовій фазі. За відповідних температурних умов відбувалося тільки селективне випарювання карбіду алюмінію, що утворюється, причому сублімат осаджувався на холодних ділянках плазмового реактора. Карбід кремнію з високою температурою плавлення залишився у графітовому посуді. Після хімічної обробки сублімату з отриманням Аl 2 O 3 було проведено оцінку результатів хімічного аналізу. Зміст SiO 2 становило 5,3% (за масою), тобто десяту частку початкового вмісту у вихідному матеріалі. Можна припустити, якщо буде знайдено оптимальний режим процесу, то після багаторазового повторення можна буде отримати і з матеріалу з високим вмістом двоокису кремнію глинозем такої чистоти, що він буде придатний для отримання алюмінію, наприклад електролізом. Однак експеримент у зв'язку з високими витратами та дефіцитом природного бокситу має лише демонстраційне значення.

Контрольні питання

1. На чому ґрунтується одержання речовин термоспособом.

2. Процеси та технологія розкладання цирконового піску.

3. Процеси та технологія десилікації каоліну.

Література

1. Крапівіна С.А. Основи плазмохімії. Л.: ЛТІ, 1976, - 65е.

2. Мосе А.Л., Печковський В.В. Застосування низькотемпературної плазми у технології неорганічних речовин. Мінськ: Наука та техніка, 1973. - 213с.

Напишіть рівняння термічного розкладання нітрату та нітриту амонію, оксиду азоту (I ). У якому співвідношенні потрібно використовувати нітрат та нітрит амонію для одержання повітряної суміші? Розрахуйте стандартні ентальпії реакцій розкладання при температурі 25°С. Визначте, чи є ці процеси екзо- або ендотермічними. Який тиск чинили б газоподібні продукти розкладання нітрату та нітриту амонію, якби гази знаходилися в обсязі, що дорівнює обсягу відповідних твердих солей при температурі 25 °С? Яка маса нітрату та нітриту амонію знадобиться для заповнення повітрям перехідного тамбуру об'ємом 1 м3 при 25 °С? Розрахуйте скільки теплоти виділиться в процесі отримання повітряної суміші, необхідної для заповнення перехідного тамбуру. Вкажіть причини, які, на Вашу думку, можуть обмежувати використання такого методу отримання повітряної суміші на космічних апаратах.

Завдання 10-5.

Увага! Якщо текст завдання не читається (літери у схемах мають бути російськими), то дивіться його, будь ласка у файлі zadcha10-5.pdf

Наведені нижче схеми перетворень є найважливішими промисловими процесами з використанням органічної сполуки А, а також деяких продуктів, що утворюються з А.

1..gif" width="129" height="26">

9. B+H У

10.

Напишіть рівняння реакцій, які відповідають цим схемам. Зверніть увагу, що з'єднання Б, Д, М, Т- газоподібні прості речовини, а З- проста речовина, що існує при кімнатній температурі в твердому стані, причому атомні маси Ді Звідрізняються у 2 рази; A, В, Г4, Е, Ж, І-Л, Н, П –бінарні сполуки. Крім того, відомо, що залежно від співвідношення реагентів при взаємодії Аз Дможе утворюватися (поряд з Ж) також бінарна речовина Лщо зазвичай є вкрай небажаним процесом. Два різні продукти (відмінні від А) можуть утворитися і при взаємодії Мз Н. Зрештою, приєднання Рдо Фдає аддукт, який після відщеплення Жперетворюється на продукт, що є, як і з'єднання Уважливим мономером у синтезі високомолекулярних сполук

Одинадцятий клас

Завдання 11-1.

Речовини А–В – бінарні сполуки однакового якісного складу. Масовий зміст елементів, що входять до їх складу, Х і Y, а також деякі властивості сполук зведені в таблицю.

Усі три сполуки за кімнатної температури є газами. А і Б не мають власного запаху, навпаки, пахне огидно. А та В при підпалюванні згоряють на повітрі (реакції 1 і 2), газ Б не горючий. У воді А розчиняється дуже погано, Б трохи краще (реакція 3), В – добре (реакція 4), при цьому Б з водою взаємодіє частково, а повністю. Газ А реагує лише з водяною парою при t > 230o C у присутності Fe 2O 3 (реакція 5). З водними розчинами лугів і сухим газоподібним аміаком Б і В взаємодіють легко (реакції 6, 7, 8 і 9), а тільки в спеціальних умовах: зі лугом при t ~ 120o C і тиску > 5 атм. (реакція 10), з аміаком при t ~ 500-800 o C на змішаному каталізаторі Al 2O 3/ThO 2 (реакція 11). Остання реакція використовується в промисловості для отримання широко відомої отруйної речовини. Цікаво, що речовина, що утворюється в реакції Б з аміаком при t ~ 200-500o C і підвищеному тиску (реакція 12), настільки нешкідлива, що його навіть додають у жувальну гумку, як, втім, і продукт реакції Б з лугом.

1. Розрахуйте молекулярні маси А і Б, якщо відомо, що суміш рівних об'ємів А та Б має щільність водню 18, а суміш одного об'єму А та трьох об'ємів Б – 20.

2. Встановіть елементи X та Y та склад з'єднань А–В.

3. Напишіть рівняння всіх реакцій, що описані в задачі.

4. Зобразіть структурну формулу сполуки В та назвіть її.

Завдання 11-2.

Сполуки А-Г складаються з трьох елементів і мають однаковий якісний склад. Деякі відомості про них представлені в таблиці:



Температура плавлення, ºC
Ставлення до води	Реагує	Розчиняється	Чи не розчиняється	Реагує

* – плавлення з розкладанням

Вихідною речовиною для синтезу сполук А-Г є оранжево-жовтий порошок оксиду Д. Жовта рідина А з різким запахом може бути отримана пропусканням над Д газоподібного хлороводню в присутності P 2O 5 (реакція 1) З'єднання Б синтезують нагріванням А з металевим цинком ), а його водний розчин - взаємодією Д з концентрованою соляною кислотою при нагріванні (реакція 3). Термічною дисоціацією Б отримують, при цьому також утворюється А (реакція 4). З'єднання Г оранжево-червоного кольору синтезують пропусканням озону над А (реакція 5).

1) Визначте невідомі речовини та запишіть рівняння всіх реакцій, що згадуються за умови завдання.

2) Які продукти утворюються при взаємодії речовин А та Г з водою? Напишіть рівняння реакцій.

3) Передбачіть геометричну будову частинок речовини А.

4) Як одержують у лабораторії з'єднання Д (напишіть рівняння реакції та умови її проведення)?

Завдання 11-3.

На російських космічних кораблях і станціях, починаючи з першого польоту Гагаріна, використовується атмосфера, що максимально близька до земної (зміст кисню 20 об. %, тиск 1 атм). При виходах у відкритий космос виникає необхідність заповнення повітряного середовища у великих обсягах. Використання цих цілей стиснутої газової суміші в традиційних шар-балонах обмежено корпусної масою. Розглянемо можливість хімічного одержання необхідної газової суміші з використанням термічного розкладання амонійних солей. При нагріванні нітриту амонію виділяється азот, а при термічному розкладанні нітрату амонію утворюється оксид азоту (I), який за більш високої температури каталітично розкладається на прості речовини. Властивості вихідних та кінцевих речовин наведені в таблиці.

Речовина	NH4NO2	NH4NO3	N2O	N2	O2	H2O(ж)
D f H° 298, кДж/моль
Tпл., ° С	разл. > 35°		– 91		–21 8,8
Ткіп., °С		разл. > 210
Щільність, г/см3(тв., ж.)

Тут D f H° 298 - стандартна ентальпія утворення з'єднання при температурі 298 К.

Завдання 11-4.

Сьогодні наше життя неможливо уявити без пластмасових виробів та синтетичних волокон: корпус ручки, якою Ви зараз пишете, яскрава кофточка на симпатичній дівчині, що Ви зустріли вчора, жувальна гумка, яку ретельно жує сусід зліва, клавіатура ноутбука автора цього завдання – все це зроблено з високомолекулярних продуктів великотоннажної хімічної промисловості. Нижче наведено деяку інформацію про п'ять поширених синтетичних полімерів I ‑V.

Полімер		Промислова схема отримання
I
II	ПС

1. Наведіть структурні формули проміжних продуктів А - З, а також структурні формули елементарних ланок полімерів I ‑IV(без урахування стереоізомерів).

2. Розшифруйте абревіатури назв полімерів I ‑III. Від яких слів утворено назву "лавсан"? Вкажіть назви полімерів IVі V. Як називається процес перетворення IVв Vпід дією сірки? Який із полімерів I ‑IVутворився внаслідок реакції поліконденсації?

Завдання 11-5.

З'єднання А, Уі Змістять вуглець, водень та кисень. Зміст вуглецю та водню у цих сполуках дано у таблиці.

Відомо що Зможе утворюватися з Аабо Уза дії різних відновників. З іншого боку, Ане вступає в реакцію каталітичного гідрування при кімнатній температурі та атмосферному тиску, не знебарвлює бромну воду, стійко до дії хромової кислоти та багатьох інших окислювачів.

1. Напишіть структурні формули сполук А, У, З.

2. Наведіть один приклад відновників, які можна використовувати для перетворення Аі Уу з'єднання З.

88,4 г суміші А, Уі З, узятих у співвідношенні 1:2:1, нагріли з надлишком концентрованого розчину гідроксиду калію Отриману суміш розділили на дві рівні частини. Одну частину суміші нагріли з надлишком перманганату калію, потім підкислили сірчаною кислотою. Іншу частину суміші підкислили сірчаною кислотою, відігнали воду, додали каталітичну кількість сірчаної кислоти та нагріли.

3. Напишіть рівняння обговорюваних реакцій. Які сполуки та у яких кількостях утворюються в обох випадках? Вважайте, що це реакції протікають з кількісним виходом.

Дев'ятий клас

Завдання: Вам видано розчини наступних солей: KCl, Na 2CO 3, BaCl 2, MgSO 4, AgNO 3.

Не вдаючись за допомогою інших реагентів, визначте, в якій із пробірок знаходиться розчин кожної із зазначених речовин. Рішення подайте у вигляді таблиці. Напишіть рівняння реакцій, представлених у таблиці.

Реактиви : 0,1M KCl, 0,1M Na2CO3, 0,1M BaCl2, 0,1M MgSO4, 0,1M AgNO3

Обладнання:

Десятий клас

Завдання: Використовуючи наявні на столі реактиви та обладнання, визначте, в якій пробірці знаходиться розчин кожної з наведених нижче речовин: Na 2SO 4, MnSO 4, BaCl 2, Pb (NO 3)2, ZnSO 4, Al 2(SO 4)3. Рішення подайте у вигляді таблиці. Напишіть рівняння реакцій, представлених у таблиці.

Реактиви : 2M NH3∙H2O, 2M NaOH, 1M H2SO4

Обладнання: штатив із пробірками, піпетка.

Одинадцятий клас

Завдання: Вам видано дві пробірки, що містять 3 або 4 катіони відповідно в кожній пробірці з наступного набору катіонів: Ag +, Zn 2+, Al 3+, Pb 2+, Ba 2+, Mn 2+, NH 4+.

Використовуючи наявні на столі реактиви та обладнання, визначте, які катіони знаходяться в кожній пробірці. Рішення подайте у вигляді таблиці. Напишіть рівняння реакцій, представлених у таблиці.

Реактиви : 2M HCl, 1M H2SO4, 2M NaOH, 2M NH3∙H2O

Обладнання: штатив з пробірками, піпетка, водяна баня чи пальник.

Дев'ятий клас

Варіант 1

Частина А. Тестові завдання з вибором відповіді 1. Число нейтронів в атомі 14 N:

А. 7. Б. 8. У. 9. Г. 10.

2. Електронна формула атома елемента 1s2 2s2 2p3. Хімічний знак та формула його водневої сполуки відповідно:

A. Si та SiH4 B.N і NH3.

Б. Р та РН3 Г.С і СH4.

З.Азот має ступінь окислення +5 у поєднанні з формулою:

A. N2. Б. NO. B.NO2. Г. HNO3.

4. Мінімальний ступінь окислення азоту в поєднанні (з наведених нижче) з формулою:

A. N2. Б. NO. B.NO2. Г. HNO3.

5. З перерахованих хімічних елементів найбільшою електронегативністю в сполуках має:

А. Ст. Б. Р. B. S. Г. Si

6. Найменший радіус у атома:

А. З. Б. О. B. N. Г. F.

7. Тільки відновником може бути речовина з формулою:

А. Р4. Б. РН3. У. Р2 О3. Г. Н3 PO4

8. Азотистої кислоти відповідає оксид з формулою:

A. N2 О. Б.N2 О3 . B.NO2. Г.N2 O5 9. Найсильніша з кислот, формули яких:

A. HNO3. Б.H2 SiO3. B.H2 SO3 . Г.H3 PO4 10. Коефіцієнт перед окислювачем реакції, схема якої

Ag + НNO3 (конц.) → AgNO3 + NO2 + H2 O:

А.2. Б.4. У.6. Г.8

Частина Б. Завдання з вільною відповіддю.

11 .Складіть молекулярні рівняння реакцій наступних перетворень:

P→P2 O5 →H3 PO4 →Na3 PO4

Рівняння 1 розгляньте з погляду ОВР, рівняння 3 запишіть в іонному вигляді. 12 .Доповніть фразу: "Алотропія-це ..."

13 .З якими речовин, формули яких: КОН, CO2 , Zn, CuO, HCl, СаСО3 , взаємодіє розбавлена азотна кислота?

Запишіть рівняння можливих реакцій у молекулярному вигляді.

14 .Закінчіть схему термічного розкладання нітрату міді(II):

Cu(NO3)2 → CuO + X + O2

Знайдіть суму коефіцієнтів у рівнянні.

15 .При взаємодії 37г гідроксиду кальцію з сульфатом амонію було отримано 15г аміаку. Обчисліть масову частку виходу аміаку теоретично можливого.