Тема 1.Основные закономерности ХТП

Условия ведения химических производственных процессов. Степень приближенности теоретических расчетов к практическим возможностям. Важнейшие поправочные условия: подготовленность сырья, фазовые состояния, обеспечение контакта, аппаратурные ограничения, экономические соображения. Обратимые и необратимые процессы. Равновесие в обратимых процессов. Принцип ЛеШателье в химических обратимых процессах. Константа равновесия как количественная характеристика равновесия. Скорость гомогенных и гетерогенных химикотехнологических процессов. Скорости реакций и диффузионных стадий процессов. Способы определения скорости процессов. Основные формулы скорости процесса. Основные показатели химического производства: расходные коэффициенты, качество готового продукта, производительность и мощность аппаратуры, интенсивность процесса, производительность труда, себестоимость продукта. Принципы составления материального и энергетического балансов.

Технология (наука о ремесле) изучает способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства.

Способ переработки есть совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него готового про­дукта.

Способ переработки (производства) есть описание опе­раций, протекающих в соответствующих машинах и аппаратах. Такое описание называют технологической схемой.

В основе химической технологии лежат химические, физи­ческие и физико - химические закономерности, т.е. закономер­ности общей, органической и физической химии, физики, меха­ники и других химических и обще инженерных дисциплин.

Химико-технологический процесс представляет собой сумму
взаимосвязанных элементарных процессов:

1. Подвод реагирующих компонентов в зону реакции;

2. Химические реакции;

3. Отвод полученный продуктов из зоны реакции.

Подвод реагирующих компонентов в зону реакции совершается путем молекулярной диффузии или путем конвекции.

При интенсивном перемешивании компонентов конвективный перенос называют турбулентной диффузией.

Химическая технология чаще всего связана с многофазным системами. Система есть группа веществ, находящихся во взаимодействии. Фаза- совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойства и ограниченных от других частей системы поверхностью раздела. В многофазных системах подвод реагирующих компонентов в зону реакции может осуществляться абсорбцией, адсорбцией, десорбцией, конденсацией паров, плавлением твердых веществ, испарением, выпаркой. Эта стадия перехода компонента из одной фазы в другую часто является наиболее медленным этапом химико-технологического процесса, и определяет общую его скорость.

Химические реакции составляют основу химико-технологичес­кого процесса.

Через ряд последовательных (иногда параллельных) химичес­ких реакций образуется готовый (основной) продукт и побочные продукты, а также отходы производства. Химико-технологический процесс усложняется в силу того, что в исходном сырье неизбеж­но есть примеси, которые и приводят к образованию побочных продуктов. В производственных расчетах обычно учитываются только те реакции, которые имеют определяющее влияние на качество и количество полученных основных продуктов.

Отвод полученных продуктов из. зоны осуществляется также как и подвод реагирующих компонентов, т.е. диффузией и конвекцией, которые в основном определяют переход, вещества из одной фазы в другую.

Примером сложности, многостадийности химико-технологичес­ких процессов является реакция С + O₂ → CO₂ + O

← O2

или горение колчедана

4 FeS₂ +11O₂ → 8 SO₂ +2FeO₃ +Q

Чтобы произошло химическое взаимодействие между колчеданом и кислородом, необходимо прежде всего к поверхности колчедана подвести кислород, а после того, как произошла реакция, отвести образовавшийся SO₂ с поверхности колчедана. Обжиг колчедана будет распространяться внутрь, при этом кислород при проникно­вении к не сгоревшему колчедану FeS₂ будет встречать не своем пути слой огарка, образовавшегося на поверхности колчедана, и слой инертного газа N₂, содержащегося в воздухе. Образовав­шийся SO₂ должен преодолеть это сопротивление при выходе в объем газа. Эти процессы медленного проникновения одного веще в другое и называется диффузией.

Суммарная скорость процесса определяется скоростью вышеперечисленных элементарных стадий, которые протекают с различными скоростями. Поэтому общая скорость будет лимитироваться скоростью наиболее медленной стадии. Если наиболее медленно протекает сама химическая реакция, то процесс протекает в кинетической области.

Для ускорения таких процессов необходимо изменить факторы, влияющие на скорость химической реакции (концентрация реагирую­щих компонентов, температура, давление, применение катализа­торов и т.д.). Если общую скорость лимитирует стадия подвода реагирующих компонентов или отвода продуктов реакции, то про­цесс протекает в диффузионной области. Для ускорения таких процессов стремятся увеличить диффузию (перемешивание, гомо­генизация системы, повышениеt◦, и т.д.).

Знание основных закономерностей химической технологии дает возможность, установить оптимальные условия процесса, проводить его наиболее эффективно с максимальным выходом, обеспечить высокое качество продукции.

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Технологический режим есть совокупность основных параметров, влияющих на скорость процесса, выход и качество продукции. К основным параметрам относятся: температура, давление, применение катализатора, концентрация реагирующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов.

Оптимальному значению параметров технологического про­цесса соответствует максимальная производительность аппаратов и наибольшая производительность труда. Поэтому в основу клас­сификации химико-технологических процессов положены характер и значение основных параметров режима, определяющих технологи­ческий процесс.

На конструкцию аппаратов и скорость процессов сильно влияют способ и степень перемешивания реагентов, что в свою очередь зависит от агрегатного состояния реагирующих веществ. Поэтому химико-технологические процессы классифицируют прежде всего по агрегатному (фазовому) состоянию реагирующих веществ. По этому принципу технологические процессы делятся на:

I) Гомогенные (однородные) - когда реагирующие вещества находятся в какой-либо одной -фазе: газовой (Г), жидкой (Ж).

2) Гетерогенные (неоднородные), в основе которых системы из двух и больше количества фаз. Это: Г-Ж; Г-Т; Ж-Ж. (несмешивающиеся жидкости); Ж – Т; Т - Т. На практике наиболее часто встречаются Г-Ж; Г - Т; Ж - Т. Нередки и многофазные системы: Г-Ж-Т;Г-Т-T и т. д.

Гетерогенные процессы наиболее распространены. Как пра­вило, гетерогенный этап процесса (массообмен) имеет диффузион­ный характер, а химическая реакция происходит гомогенно в газовой или жидкой фазе. Однако, в ряде случаев протекают гетеро­генные реакции на границе Г-Ж; Г-Т; Ж-Т, которые и определяют общую скорость процесса.

По значениям других параметров технологического режима процессы можно разделить по наиболее важным и характерным параметрам:

1. Низкотемпературные некаталитические;

2. Высокотемпературные;

3. Каталитические;

4 Электрохимические.

Химические превращения веществ сопровождаются в той или иной степени тепловыми процессами. Поэтому процессы делят на:

1) экзотермические,- протекающие с выделением тепла;

2) эндотермические, - протекающие с поглощением тепла.

Кроме того, технологические процессы делят на:

1) обратимые;

2) необратимые.

В результате исторически сложившейся целесообразности управления производством и его специализации все отрасли про­изводства, в основе которых лежат химические процессы, по техническому принципу делятся на группы:

производство неорганических веществ

- кислоты, соли, щелочи (основные химические производства),

- тонкие неорганические препараты,

- электрохимические (CI, H2 и др.),

- металлургия,

- силикаты, вяжущие вещества,

- краски, пигменты.

производство органических веществ

- основной органический синтез, (мономеры, альдегиды, спирты,
кислоты, растворители и т.д.),

- тонкий органический синтез (краситеди, душистые веществ
химикаты, лекарственные вещества и т.д.),

- производство высокомолекулярных веществ,

- переработка жидкого и твердого топлива,

- производства пищевых продуктов,

- биохимические производства.

Однако, деление процессов на органические и неорганичес­кие устарело, ввиду общности процессов и аппаратов, отсутствия точной границы между органическими и неорганическими веществами.

РАВНОВЕСИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССАХ

Теоретически все реакции обратимы, т.е. могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях в зависимости от условий. Однако, во многих из них равновесие смещено полностью в сторону продуктов реакции и обратная реакция практически не протекает. Поэтому процессы делят на обратимые и необратимые

Обратимыми называются реакции, которые в рассматриваемых условиях могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

Химическим равновесием называется такое состояние системы, когда скорости прямой и обратной реакций равны, т.е. концентрации веществ не будут изменяться.

Ни условия равновесия наибольшее влияние оказывают изменения концентрации, температуры, давления.

Направления изменений в системе, которые могут быть вызваны перечисленными условиями, в общей форме определяются принципе Ле-Шателье:

В физико-химической системе, выведенной из состояния равновесия, происходят изменения, направленные к ослаблению воз­действий выводящих систему из равновесия.

Рассмотрим применение принципа Ле-Шаталье на примере

реакции:

mA + nB ↔ pD + Q (I),

где: m, n, p - стехиометрические коэффициенты;

Q - тепловой эффект реакции.

Принимаем, что реакция протекает гомогенно (в газовой фазе), а, также, что m+n > р, т.е. реакция идет с уменьшением объема.

Примером такого типа реакций может служить синтез аммиака

3 Н₂ + N₂ = 2NН₃ + Q

Для сдвига равновесия вправо, т.е. для повышения количеств продукта D, в соответствии с принципом Ле-Шателье необходимо понижать температуру, повышать давление, а также понижать кон­центрацию продукта D и повышать концентрацию исходных веществ А и В.

Согласно основному закону химической кинетики скорость прямой реакции будет:

→

U₁ = к₁ [А]m • [B]n

[А] и [B] -мольные концентрации (или парциальные давления) реагирующих компонентов;

к₁ - константа скорости реакции, значение которой зависит от природы реагирующих веществ и температуры.

Скорость обратной реакции будет:

←

U₂ = к₂ • [D]p

По мере того, как в ходе реакции концентрация веществ А и B убывает, то скорость прямой реакции уменьшается. Увеличение концентрации вещества D в результате прямой реакции приводит к возрастанию скорости обратной реакции U₂ что приведет к уравниванию скоростей прямой и обратной реакций.

→ ←

U₁ = U₂ или

к₁ [А*]m • [B*]n = к₂ • [D*]p, откуда

К=

К - константа равновесия данной реакции;

[А*], [B*],[D*]- равновесные концентрации (или парциальные давления) реагирующих веществ и продуктов реакции.

Контрольные вопросы к теме I

«Основные закономерности ХТП»

1. Дайте определение понятия «химико-технологический процесс».

2. Что называется технологическим режимом и параметрами этого

режима?

3. По каким признакам классифицируются реакции, лежащие в ос­нове ХТП?

4. Какие явления протекают в химическом реакторе?

5. Что такое движущая сила процесса? Приведите выражения для движущей силы в случае обратимых и необратимых реакций.

6. Чем определяется общая скорость химического процесса в реакторе?

7. Какие факторы влияют на скорость и равновесие химической реакции?

8. Что такое кинетическая и диффузионная области скорости процесса?

9. Что характеризует равновесная степень превращения в хим. процессе?

Дата добавления: 2014-01-04