Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых icon

Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых


Скачать 496.21 Kb.
НазваниеУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
страница8/9
Размер496.21 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9
A= А´

и тогда:

Iпрод. = А´ (IV.4)

Получим выражение, аналогичное уравнению (IV.3), только вместо выхода продукта на пропущенное сырьё фигурирует выход целевого продукта на разложенное сырьё.

Опуская в этих выражениях постоянные величины А и А´, а также значки при выходах на пропущенное и разложенное, получим формульное выражение основной задачи химической технологии:

Iпрод. = (IV.5)

^ Основная задача химической технологии – провести процесс с максимальной интенсивностью по целевому продукту Iпрод . Интенсивность прямо пропорциональна выходу продукта и обратно пропорциональна времени пребывания реагентов в зоне реакции.

  1. Выход продукта в основном зависит от термодинамических особенностей реакции. В – термодинамический критерий эффективности процесса. Чтобы его увеличить, необходимо, изменяя условия проведения реакции, сдвинуть равновесие процесса в сторону образования целевого продукта. Основные условия (термодинамические параметры), влияющие на количество получаемого продукта, - температура, давление и концентрация реагирующих веществ.

  2. τ – кинетический параметр процесса. Скорость реакции обратно пропорциональна времени пребывания реагентов в зоне реакции:

w=

Из выражения (IV.5): чем меньше τ, тем выше интенсивность процесса. Для уменьшения τ мы должны реакцию провести с максимальной скоростью w.

Совокупность технологических параметров (термодинамических и кинетических) определяет технологический режим проведения химико-технологического процесса и непосредственно влияет на интенсивность процесса. Однако, решающее значение при выборе условий проведения процесса имеют вопросы скорости химических превращений, изучаемые кинетикой.

^ Равновесие в технологических процессах

Химические реакции делятся на обратимые и необратимые. Необратимые процессы протекают лишь в одном направлении. Например, реакция СО2 + Са(ОН)2СаСО3 + Н2О практически необратима. Но гораздо большее количество химических реакций является обратимыми: наряду с химическим взаимодействием между исходными веществами (прямая реакция) протекает взаимодействие и между продуктами (обратная реакция). По мере протекания процесса скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции увеличивается; в какой-то момент времени скорости прямой и обратной реакции становятся равными – наступает состояние химического равновесия. К химическому равновесию применим второй закон термодинамики в его общем виде, т.е. одним из условий химического равновесия в изолированной системе является максимум энтропии S, а также при Т и р=const условие равновесия – это минимум энергии Гиббса (dG=0).

Положение равновесия всегда зависит от внешних условий. Качественно влияние основных параметров технологического режима на равновесие определяется принципом Ле-Шателье, согласно которому: в системе, выведенной внешним воздействием из состояния равновесия, происходят изменения, направленные к ослаблению воздействий, выводящих систему из равновесия.

Рассмотрим пример: промышленная каталитическая реакция окисления сернистого ангидрида до серного 2SO2 (г)+ O2 (г)  2SO3(г) (*). Основные условия, влияющие на количество получаемого целевого продукта – температура, давление и концентрация реагирующих веществ (сернистого ангидрида, кислорода воздуха, серного ангидрида). Для сдвига равновесия данной реакции вправо, т.е. увеличения выхода целевого продукта, согласно принципа Ле-Шателье, необходимо:

- взять избыток одного из исходных веществ (целесообразнее брать избыток более доступного и дешёвого реагента - кислорода воздуха);

- отводить продукт реакции из зоны реакции;

- реакция эндотермична, т.е. протекает с поглощением тепла, поэтому для смещения равновесия вправо необходимо подводить тепло;

- влияние давления: чувствительность положения равновесия к изменениям давления тем больше, чем большим изменением объёма сопровождается тот или иной процесс. Значительные изменения объёма могут происходить только в реакциях, в которых участвуют газы, или в тех случаях, когда хотя бы один из компонентов находится в газообразном состоянии. В нашем примере число молей продукта (SO3) меньше, чем суммарное число молей исходных реагентов. Поэтому повышение6 давления смещает равновесие реакции в сторону образования продукта.

Итак, применяя принцип Ле-Шателье, можно, не выполняя термодинамических расчётов, предсказать направление химических реакций, т.е. качественно судить о состоянии их равновесия.

^ Количественный подход.

  1. Зависимость положения равновесия от соотношения концентраций реагирующих веществ.

Впервые зависимость направления химических процессов от концентрации реагирующих веществ установил Бекетов. В математической форме закон действующих масс был выражен Гульдбергом и Ваге.

Формулировка закона действующих масс: скорость химической реакции в данный момент прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции aA + bB  rR + sS cкорость прямой реакции w1 = k1[A]a[B]b; скорость обратной реакции w2 = k2[R]r[S]s

Константа равновесия (К) вычисляется как отношение констант скоростей прямой и обратной реакций при равновесии, т.е. при равенстве w1 = w2: k1[A]a[B]b= k2[R]r[S]s;

К =


Константа равновесия не зависит от концентрации реагирующих веществ, т.к. изменение концентрации одного из веществ вызовет в состоянии равновесия изменение концентрации всех остальных веществ.

Для газов К можно выразить через парциальные давления реагирующих компонентов:

Кр =

Рассмотрим пример: гидролиз сложных эфиров, например,

СН3-СН2-ОSO3H(ж) + HOH(ж) ↔ СН3-СН2-ОH(ж) + Н2SO4 - Q

К = .

[C2H5OH] = ,

При Т, Р = const K= const, поэтому при увеличении концентрации эфира и воды выход спирта увеличится, и при уменьшении концентрации серной кислоты выход спирта увеличится.

2) влияние температуры

Зависимость константы равновесия К от температуры выражается уравнением изобары Вант-Гоффа

(*)

Характер этой зависимости определяется знаком теплового эффекта реакции.

Определим, как влияет температура на положение равновесия в нашем примере:

Проинтегрируем (*):



Т.к. гидролиз сульфоэфира – реакция эндотермическая, т.е. ΔН>0, то с повышением температуры равновесие сдвигается в сторону образования продуктов реакции, т.е. увеличивается равновесная степень превращения.

Рассмотрим ещё один пример: прямая гидратация этилена

СН2=СН2 (г) + НОН (пар)↔ С2Н5ОН (пар) + Q

Качественный уровень (по принципу Ле-Шателье): равновесие сдвигается вправо при уменьшении температуры, отводе тепла, увеличении концентраций исходных веществ, уменьшении концентрации продукта реакции и увеличении давления.

Количественный уровень: , ΔН<0, поэтому , , значит, с уменьшением температуры константа равновесия увеличивается.

3) Влияние давления на количественном уровне.

Рассмотрим на примере прямой гидратации этилена. Т.К. все реагенты находятся в газообразном состоянии, то запишем К для данной реакции через парциальные давления

Кр = .

По закону Дальтона: Рспирт + Рэтен + Рвода = Робщ,

спирт/ Робщ) + (Рэтен/ Робщ) + (Рвода/ Робщ) =1.

При равновесии (Рспирт*/ Робщ) = const = xp, где Рспирт* - равновесное парциальное двление спирта; xp – равновесная степень превращения.

Рспирт* = xp· Робщ.

этен/ Робщ) + (Рвода/ Робщ) =1 - xp,

этен/ Робщ) = (Рвода/ Робщ) - т.к. стехиометрические коэффициенты равны.

2(Рэтен/ Робщ) =1 - xp,

Рэтен* = (1 - xp) Робщ, Рвода* = (1 - xp) Робщ.

Подставим найденные равновесные парциальные давления в выражение для Кр:

Кр = .

При синтезе спирта в промышленных условиях хр<<1, хр = 0,04, поэтому этой величиной в формуле для Кр можно пренебречь, следовательно (1 - хр)≈ 1, тогда Кр =, хр = (Кр · Робщ)/4, т.е. чем больше давление, тем больше равновесная степень превращения. Таким образом можно получить уравнения, связывающие хр и Кр для любой обратимой реакции.


^ Кинетика в химической технологии

В случае гомогенной химической реакции w=±, где w – скорость химической реакции; ni – количество (в молях) одного из реагентов (или продуктов); τ – время; V – реакционный объём.

Скорость химической реакции может быть измерена по любому компоненту, участвующему в реакции. Она всегда положительна, поэтому знак перед производной dni/dτ должен определяться тем, является ли вещество I исходным реагентом (тогда dni/dτ отрицательна) или продуктом (тогда dni/dτ положительна).

В том случае, если реакция протекает при постоянном объёме, скорость определяют как изменение молярной концентрации сi в единицу времени w=±,

Численно скорость выражают в кмоль/м3·ч, моль/л·с и т.д.

Скорость химического превращения зависит от большого числа переменных. На скорость влияют на только факторы, определяющие состояние химического равновесия (Т, Р, состав реакционной смеси), но и иные причины. Установлено, что, во-первых, скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагентов.

Пусть уравнение необратимой одностадийной реакции имеет вид:

аА + bВ→rR + sS.

Кинетическое уравнение этой реакции (согласно закону действующих масс) w = kcAacBb, где k – константа скорости химической реакции, её физический смысл состоит в том, что она равно скорости химической реакции, когда концентрации исходных реагентов равны между собой и равны 1.

Во-вторых: суммарная скорость нескольких последовательных превращений, сильно различающихся по скорости, определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии.

Пути увеличения скорости реакции

  1. Для простых реакций увеличение концентрации исходных веществ практически всегда приводит к увеличению скорости. Если частные порядки по компонентам А и В отличаются (а>b), то наибольшее влияние на скорость реакции будет оказывать концентрация реагента, имеющего больший частный порядок (т.е. концетрация реагента А).

  2. Влияние температуры. Экспериментально при изучении химической кинетики было обнаружено, что при увеличении температуры на 100С скорость реакции возрастает в 2-4 раза. Более строго эта зависимость выражается в виде уравнения Аррениуса k = k0e-E/RT, где k – константа скорости реакции, k0 – предэкспоненциальный множитель, Е – энергия активации реакции, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура.

Энергия активации реакции Е – это минимальный избыток энергии над средней внутренней энергией молекул, необходимый для того, чтобы произошло химическое взаимодействие. Другими словами, Е – это энергетический барьер, который должны преодолеть молекулы при переходе из одного состояния реакционной системы в другое. Для обратимых реакций разность энергий активации прямой и обратной реакций равна тепловому эффекту реакции.

Предэкспоненциальный множитель k0 учитывает: число соударений; вероятность распада активированного комплекса реакции на исходные реагенты без образования продуктов реакции; пространственную ориентацию молекул реагентов и т.д.

Из уравнения Аррениуса следует, что:

а) При увеличении температуры увеличивается константа скорость, а, следовательно, и скорость химической реакции;

б) Изменить скорость реакции можно изменением величины Е. Высота энергетического барьера тесно связана с механизмом реакции. Если изменить путь реакции, направив её к конечным продуктам через некоторые новые промежуточные комплексы, то можно изменить и значение энергии активации. Такой путь возможен при применении катализаторов.

3. Влияние перемешивания. В гомогенных процессах более интенсивное перемешивание содействует выравниванию концентраций исходных веществ и температур во всём объёме.

4. Влияние давления на скорость реакции чувствительно тольк5о для процессов, идущих в газовой фазе. При повышении давления уменьшается объём газовой фазы и, соответственно, концентрация взаимодействующих веществ.

Гетерогенные химические реакции. Большинство химических реакций, используемых в ХТП, протекает с участием веществ, находящихся в разных фазах. Для всех таких реакций: прежде чем произойдёт химическая реакция, реагенты из ядра потока одной фазы должны перейти к поверхности раздела фаз или в объём другой фазы. Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз. Таким образом, гетерогенные процессы – это многостадийные процессы: наряду с одной или несколькими чисто химическими стадиями существуют стадии, которые можно назвать физическими (перенос вещества от одной фазы к другой, причём концентрация вещества в разных фазах, или же в ядре фазы и на поверхности раздела, различна). Разность концентраций является движущей силой этих процессов переноса (диффузионных). При протекании гетерогенных процессов собственно химическая стадия может представлять собой как гетерогенную, так и гомогенную химическую реакцию.


Лекция №


Тема: Химические реактора

Цель: Познакомить с требованиями, предъявляемыми к химическим реакторам, с классификацией химических реакторов.


Главная стадия химико-технологического процесса (ХТП), определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы – химическом реакторе. В технологической схеме химический реактор сопряжён с аппаратами подготоки сырья и аппаратами разделения реакционной смеси и очистки продукта. Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и экономичность всего ХТП.

^ Основные требования к промышленным реакторам

  1. Максимальная производительность и интенсивность работы.

  2. Высокий выход и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальными параметрами режима: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции. Однако, высокий выход продукта часто находится в противоречии с интенсивностью работы реактора. В циклических схемах преимущество отдают интенсивности (т.к. с повышением объёмной скорости степень превращения снижается, тогда как интенсивность процесса возрастает), а в схемах с открытой цепью – высокой степени превращения при наибольшей селективности.

  3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов, а также наилучшее использование тепла экзотермических реакций или тепла, подводимого в реактор для нагрева реагирующих веществ.

  4. Лёгкая управляемость, устойчивость режима и безопасность работы.

  5. Низкая стоимость изготовления реактора и его ремонта.

зависит время, затрачиваемое на производство единицы целе­вого продукта, то главной задачей при расчете химического ре­актора является установление зависимости:

τ = F(Х, С, U), -

где: τ —время пребывания реагентов в реакторе, X —степень превращения реагентов в целевой продукт, С —начальная кон­центрация реагентов, U —скорость химического процесса.

Расчет химического реактора состоит из следующих опера­ций:

— исходя из законов термодинамики и гидродинамики оп­ределяется направление химического процесса; выявляют ус­ловия равновесия, по которым устанавливаются начальные и конечные значения параметров процесса;

— составляют материальный и тепловой балансы реакто­ра;

— по значениям рабочих и равновесных параметров опреде­ляют движущую силу процесса и на основе законов кинетики находят коэффициент скорости процесса;

— по полученным данным определяют основные размеры реактора: емкость, площадь поперечного сечения, поверхность нагрева (охлаждения), поверхность фазового контакта и другие характеристики. Расчет ведется по общей зависимости:



где: А — основной размер реактора, m — количество вещества, перерабатываемое в единицу времени, Δ — движущая сила процесса, К— коэффициент скорости процесса.

^ Классификация химических реакторов

В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно-техническая структура опера­ций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.

По организационно-технической структуре операций хими­ческие реакторы делятся на реакторы периодического действия и реакторы непрерывного действия.

Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температура, давление и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне. Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентрации реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса.

Производительностъ реакторов рассчитывается но уравнению:



где m — масса продукта, полученная за время цикла работы реактора,

τр, τз, τв — время химического процесса, загрузки компо­нентов в реактор и выгрузки продуктов из ре­актора, соответственно.

Поскольку в непрерывном процессе τз = τв = 0, то производительность реакторов непрерывного действия выше, чем у реакторов периодического действия при прочих равных условиях.

Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса, протекающего в реакторе. По тепловому режиму химические реакторы подразде­ляются на:

реакторы с адиабатическим режимом, в которых отсут­ствует теплообмен с окружающей средой и тепловой эффект химической реакции полностью затрачивается на изменение температуры в реакторе;

реакторы с изотермическим режимом, для которых харак­терно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом или отводом тепла из реактора;

реакторы с политропическим режимом, характеризую­щиеся подводом или отводом тепла из реактора при изменяю­щейся температуре в нем. За счет этого в реакторе устанавлива­ется заданный тепловой режим и достигается автотермичность процесса. Реакторы этого типа наиболее распространены в хи­мическом производстве.

1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для подготовки к экзамену предисловие учебное пособие предназначено для студентов медицинских вузов
Прежде всего, оно будет полезным при подготовке к экзамену по нормальной анатомии
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие по курсу «Общая химическая технология» для студентов специальностей 240701, 240702, 240706, 240901
Данное учебное пособие предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих...
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для самостоятельной работы Ставрополь 2010 ббк 63. 3 (2) Я73 удк 99 (С) р -82
Учебное пособие предназначено для студентов медицинских и фармацевтических вузов
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconТестовые задания по дисциплине «Химическая технология» для студентов 4 курса химического факультета (7 семестр)

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы