Системный уровневый метод анализа химико-технологических процессов

Классификация ХТП. Основные стадии протекания. Гомогенные и гетерогенные процессы и особенности их протекания. Понятия о лимитирующих стадиях.

Уровни анализа, описания и прогнозирования показателей качества ХТП.
Молекулярно-кинетический, макрокинетический, реакторный, цеховой,
производственный и отраслевой уровни анализа. Взаимосвязь между параметрами управления и показателями качества протекания ХТП, функционирования реакторов и производств, определяемая на каждом из этих уровней.

Примеры применения метода системного уровневого анализа при управлении технологическими и экономическими показателями качества протекания ХТП.

Классификация химико-технологических процессов

1. По способу организации процесса: периодические, непрерывные (проточные), комбинированные (полунепрерывные). Комбинированные процессы характеризуются непрерывной подачей сырья и периодическим отводом продукта или наоборот.

Легче всего управлять непрерывными процессами, а периодические процессы и реакторы используются при малотоннажном производстве.

Время одного цикла работы складывается из суммы времени проведения химической реакции и времени вспомогательных операций (загрузки сырья, выгрузки продуктов и т.д.)

Х

τ

τ_з

τ_р

τ_в

τ_з – загрузка; τ_р – реакция; τ_в – выгрузка

Рисунок 3.1 - Зависимость степени превращения от времени работы реактора периодического действия

Х

τ

Рисунок 3.2 - Зависимость степени превращения от времени работы проточного реактора

Время работы непрерывного аппарата равно времени химического взаимодействия.

2. По характеру движения потоков: прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.

3. По механизму реакции: простые (одностадийные) и сложные (многостадийные), в том числе последовательные, параллельные, последовательно-параллельные.

Простыми называют реакции, идущие в одну стадию,т.е. с преодолением одного энергетического барьера. В этом случае стехиометрическое уравнение реакции описывает и ее механизм.В химической технологии простые реакции встречаются достаточно редко.

Сложные реакции проходят через несколько стадий. При этом стехиометрическое уравнение не описывает механизм реакции, а лишь показывает начальное и конечное состояние системы.

В некоторых случаях сложные реакции считают формально простыми, если в рассматриваемых условиях затруднительно обнаружить промежуточные продукты.

4. По молекулярности: моно-, би- и тримолекулярные реакции.

Молекулярностью(m) называют количество одновременно реагирующих молекул, поэтому m может принимать только целые значения от 1 до 3.

5. По порядку реакции: нулевого, первого, второго, третьего или дробных порядков (в случае сложных реакций).

Порядком реакции (n) называют сумму показателей степеней у концентраций реагентов в кинетическом уравнении, описывающем скорость процесса.Для простых реакций n=m.

6. По направлению протекания: необратимые и обратимые процессы.

7. По тепловому эффекту: экзотермическиеи эндотермические. При протекании экзотермических реакций уменьшается энтальпия реакционной системы и выделяется теплота, при протекании эндотермических реакций увеличивается энтальпия реакционной системы и поглощается теплота.

8. По применению катализаторов: каталитические и некаталитические реакции.

9. По фазовому составу реакционной системы: гомофазные и гетерофазные.Если исходные реагенты, промежуточные соединения и продукты находятся в одной фазе, процесс называют гомофазным, в разных фазах – гетерофазным.

Химико-технологический процесс складывается из трех стадий:

1. подвод реагентов в зону реакции;

2. химическая реакция;

3. отвод продуктов из зоны реакции.

По зоне протекания реакции процессы делят на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенными называют процессы, протекающие в объеме одной фазы.

Скорость гомогенного процесса равна произведению константы скорости на движущую силу процесса.

(3.1)

Константа скорости рассчитывается по уравнению Аррениуса:

, (3.2)

где E- энергия активации;

- предэкспоненциальный множитель;

R- универсальная газовая постоянная.

Гетерогенныминазывают процессы, протекающие на поверхности раздела фаз, например газ - тв, газ - ж, ж - тв, ж- ж (вода- масло), тв – тв (кокс- металл).

Скорость гетерогенного процесса:

, (3.3)

где F- поверхность контакта фаз.

Стадии протекания гетерогенного процесса (на примере газ - твердое):

1. Подвод реагентов из ядра потока к наружной поверхности раздела фаз.

2. Подвод реагентов от наружной поверхности к внутренней поверхности.

3. Химическое взаимодействие.

4. Отвод продуктов от внутренней поверхности к наружной.

5. Отвод продуктов от наружной поверхности в поток.

Скорость всего процесса определяется скоростью самой медленной стадии, которая называется лимитирующей.

Дата добавления: 2014-10-17