Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение icon

Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение


Скачать 335.42 Kb.
НазваниеУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
страница4/7
Размер335.42 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7

^ 6.2.2 Классификация каталитических реакций

Все химические реакции с участием катализа­торов можно подразделить на два больших клас­са - гомогенные, т.е. протекающие в однородной системе - газовой фазе или растворе, и гетеро­генные - те, которые происходят на поверхности раздела между веществами. В отдельный класс можно выделить ферментативные реакции, про­исходящие под действием биологических катали­заторов - ферментов.

Примером гомогенного катализа служит рас­пад озона в газовой фазе в присутствии оксида азота (II), который протекает по двухстадийной схеме:



Оксид азота (II) присутствует в выхлопных га­зах реактивных двигателей, поэтому полеты реак­тивных самолетов приводят к уменьшению озоно­вого слоя Земли.

Промежуточным веществом в этой катали­тической реакции служит оксид азота(IV). Если сложить уравнения каждой из стадий и сократить одинаковые формулы в левой и правой частях, по­лучим суммарное стехиометрическое уравнение реакции:



Наибольший практический интерес пред­ставляют гетерогенные каталитические реакции. К ним относятся очень многие промышленные реакции, в которых газообразные вещества реаги­руют между собой в присутствии твердых катали­заторов, например синтез SO3 или NH3. Окисление выхлопных газов в автомобильных конвертерах также идет с участием твердых катализаторов.

Гетерогенный катализ – каталитические реакции, идущие на поверхности раздела фаз, образуемых катализатором и реагирующими веществами. Механизм гетерогенно-каталитических процессов значительно более сложен, чем в случае гомогенного катализа. В каждой гетерогенно-каталитической реакции можно выделить как минимум шесть стадий:

1. Диффузия исходных веществ к поверхности катализатора.

2. Адсорбция исходных веществ на поверхности с образованием некоторого промежуточного соединения:

А + В + К ––> АВК

3. Активация адсорбированного состояния (необходимая для этого энергия есть истинная энергия активации процесса):

АВК ––> АВК#

4. Распад активированного комплекса с образованием адсорбированных продуктов реакции:

АВК# ––> СDК

5. Десорбция продуктов реакции с поверхности катализатора.

СDК ––> С + D + К

6. Диффузия продуктов реакции от поверхности катализатора.

По похожему механизму происхо­дит одна из самых важных промыш­ленных реакций - синтез аммиака из простых веществ. За раскрытие этого механизма немецкий химик Г. Эртль получил Нобелевскую премию по хи­мии за 2007 год. Он доказал, что на поверхности катализатора - метал­лического железа - адсорбируются и разлагаются на атомы оба участника реакции - и водород, и азот. Полный механизм синтеза аммиака из простых веществ имеет вид:



Лимитирующей стадией процесса является вторая: она протекает с наименьшей скоростью. Этот механизм наряду с несколькими другими был предложен еще до работ Эртля, однако по­следнему удалось не только экспериментально доказать его истинность, но и определить энергии отдельных стадий, т.е. построить энергетическую диаграмму всего процесса (рис. 11).




Адсорбция веществ на поверхности катализато­ра обычно приводит к значительному ослаблению химических связей и облегчает их разрыв, поэтому энергия активации гетерогенных реакций Егетерог, как правило, значительно, на сотни кДж/моль, ниже, чем у тех же реакций, протекающих в газовой фазе без катализатора Егом.

Ускоряющее действие катализаторов весьма специфично и сильно отличается по эффективности и механизму воздействия от влияния других параметров процесса. Как сказано выше, скорость технологического процесса можно повышать, изменяя температуру, давление, концентрацию реагентов, применяя перемешивание реа­гирующих масс и катализаторы.







Скорость процесса и выражают изменением количества продук­та Gп, его концентрации Сп и степени превращения основного ис­ходного вещества х во времени τ. Соответственно уравнение ско­рости процесса и в проточных реакторах для процессов, проте­кающих при незначительном осевом (продольном) перемешивании реагентов с продуктами реакции, будет иметь вид

где v — реакционный объем (в гетерогенно-каталитических про­цессах—насыпной объем катализатора); k—константа скорости процесса; ΔС движущая сила процесса (произведение дейст­вующих концентраций реагирующих веществ).

Движущую силу процесса можно увеличить, повышая концент­рации реагентов С и давление Р до оптимальных значений. Пере­мешивание приводит к увеличению k только в случаях медленной диффузии реагентов в зону реакции. Температура — наиболее универсальное средство интенсификации технологических процес­сов, повышение ее ускоряет химические реакции и в меньшей степе­ни диффузию. Однако повышение температуры ограничено термо­стойкостью материалов и в обратимых экзотермических процессах приводит к уменьшению ΔС. Таким образом, интенсифицирующее действие всех параметров технологического режима ограничено, за исключением действия катализаторов.

Катализаторы могут неограниченно повышать k, не влияя на ΔС. Применение катализаторов — наиболее эффективный прием интенсификации химических процес­сов. Однако в отличие от действия температуры, катализаторы не влияют на скорость диффузии. Поэтому во многих случаях при значительном повышении скорости реакции суммарная (общая) скорость остается низкой из-за медленного подвода компонентов в зону реакции.

Специфической особенностью гетерогенно-каталитических процессов является способность катализатора к промотированию и отравлению.

Промотирование – увеличение активности катализатора в присутствии веществ, которые сами не являются катализаторами данного процесса (промоторов). Например, для катализируемой металлическим никелем реакции

СО + Н2 ––> СН4 + Н2О

введение в никелевый катализатор небольшой примеси церия приводит к резкому возрастанию активности катализатора.

Отравление – резкое снижение активности катализатора в присутствии некоторых веществ (т. н. каталитических ядов). Например, для реакции синтеза аммиака (катализатор – губчатое железо), присутствие в реакционной смеси соединений кислорода или серы вызывает резкое снижение активности железного катализатора; в то же время способность катализатора адсорбировать исходные вещества снижается очень незначительно.

^ 6.2.3 Принципы структурного и энергетического соответствия

Для успешного протекания реакции катализа­тор должен обладать определенными и свойствами - структурными и энергетическими. В первую очередь, для эффективного образования комплекса с реагентом (AK) структура катализатора должна соответствовать структуре реагентов. Этот прин­цип называют структурным соответствием. Например, у гетерогенного катализатора расстоя­ния между атомами в кристаллической решетке должны быть такими, чтобы молекулы реагента могли соединиться с каталитическим центром на поверхности. Например, платина служит хорошим катализатором дегидрогениза­ции циклогексана:




Это объясняется тем, что молекула циклогексана хорошо адсорбируется на поверхности платины, в состав ка­талитического центра которой входят 6 атомов (рис. 12). Шесть ато­мов углерода притягиваются к трем атомам платины, а три другие атома металла взаимодействуют с атомами водорода групп -CH2. После адсорбции начинаются химические реакции на поверхно­сти - происходит перераспределение химических связей. Разрываются шесть связей C-H, образуются три связи C=C и три связи H-H. Продукты реакции - молекула бензола C6H6 и три молекулы водорода H2. Все они также удобно свя­заны с атомами на поверхности платины. Другие металлы, обладающие похожей на платину кри­сталлической решеткой, но с иными расстояния­ми между атомами, не проявляют каталитических свойств в этой реакции, т.к. расположение их ка­талитических центров не соответствует размерам участников реакции.

Для эффективного катализа очень важно, чтобы катализатор хорошо связывал исходные вещества, а после реакции быстро избавлялся от связанных с ним продуктов реакции. Иными словами, часть химических связей должна легко образовываться, а другая часть - легко разрываться. В этом - суть принципа энергетического соответствия: энер­гия связи катализатора с реагентом должна быть достаточно большой для эффективного связыва­ния, но не слишком, чтобы комплекс «реагент-ка­тализатор» легко превращался в продукты. Если связь между катализатором и реагентом - непроч­ная, то катализатор оказывает слабое действие на скорость реакции. Напротив, если катализатор будет очень прочно удерживать продукт реакции, то последний этап катализа окажется медлен­ным, и катализ будет неэффективным. Должно быть оптимальное соотношение между энергиями связи катализатора с реагентами и с продуктами.





^ 7. ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

7.1 Химическое производство как система

Производственные процессы в химической промышленности могут существенно различаться видами сырья и продукции, условиям их проведения, мощностью аппаратуры и т. д. Однако при всем многообразии конкретных процессов современное химическое производство имеет одно общее: это сложная химико-технологическая система, состоящая из большого числа аппаратов и разнообразного оборудования (узлов) и связей (потоков) между ними. При этом под химико-технологической системой (ХТС) понимается совокупность всех процессов и средств для их проведения с целью получения продукта заданного качества и в требуемом количестве.

Особенность ХТП в том, что они протекают с высокими скоростями, при высоких температурах и давлениях в многофазных системах. Это определяет их сложность, большое число параметров, многочисленность связей между ними и взаимное влияние параметров друг на друга внутри ХТС.

Эффективное функционирование химического производства как ХТС предполагает решение ряда задач, как на стадии проектирования, так и на стадиях строительства предприятия и его эксплуатации. При решении этих задач:

– определяется характер и порядок размещения и соединения отдельных аппаратов в технологической схеме;

– определяется значение входных параметров сырья;

– устанавливаются значения технологических показателей системы;

– определяются конструкционные характеристики аппаратов системы;

– выбираются параметры технологического режима во всех аппаратах, влияющих на скорость процесса, выход и качество продукции.

В ходе решения этих задач и разрабатывается промышленное производство, т.е. осуществляется масштабный переход от лабораторного эксперимента к химическому предприятию. Сложность этой задачи выдвигает необходимость системного подхода при ее решении. При системном подходе любое химическое производство рассматривается как объект, взаимодействующий с внешней средой и обладающий сложным внутренним строением, большим количеством составных частей и элементов, взаимно связанных друг с другом и поэтому действующих как единое целое. В подобной системе различают элемент – самостоятельную и условно неделимую единицу, и подсистему – группу элементов, обладающую определенной целостностью. В химическом производстве элементом считают аппарат, подсистемой – группу аппаратов, технологическую установку. Между элементами и подсистемой существуют различные типы связи: материальные, энергетические, информационные, которые реализуются в форме потоков, переносящих вещество, энергию.

ХТС присущи некоторые общие признаки. К ним относятся:

-общая цель функционирования (выпуск химической продукции),

-многочисленность элементов и связей между ними,

-большое число параметров, характеризующих работу системы,

-высокая степень автоматизации процессов управления производством.

Химическое производство как ХТС представляет достаточно сложную иерархическую структуру, включающую 3 – 4 уровня.

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 подготовки сырья и аппаратами разделения реакционной смеси и очистки продукта. Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и экономичность всего ХТП.




Рис. 13. Структура химического производства


^ 7.2 Моделирование химико-технологической системой

Проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству при проектировании последнего решается методом моделирования. Моделированием называется метод исследования объектов различной природы на их аналогах с целью определения и уточнения характеристик вновь создаваемых объектов и процессов. Моделирование включает следующие стадии: создание модели, исследование модели, масштабный перенос результата исследования модели на оригинал.

В химическом производстве оригинал представляет производственный химико-технологический процесс с большим количеством связей между многочисленными элементами.

Существующие методы моделирования ХТП делятся на три группы:

1. Эмпирическое моделирование, при котором производство создается на основе лабораторных экспериментальных данных с последующей доработкой химико-технологического процесса в укрупненных лабораторных и заводских условиях. При эмпирическом моделировании моделями являются лабораторная, пилотная установка и опытное производство.

2. Физическое моделирование, основанное на использовании принципа подобия. Принцип подобия позволяет путем использования набора безразмерных критериев выделить из определенного класса явлений группу взаимно подобных явлений. Эти критерии связывают различные параметры процессов, протекающих как в лабораторных, так и производственных условиях. Процессы считаются подобными, если равны их критерии. При этом становиться возможным количественное перенесение результатов лабораторного эксперимента на производственный процесс.

3. Математическое моделирование – наиболее эффективный метод. При математическом моделировании вместо физических вещественных объектов используются математические величины и функциональные зависимости, а сама модель выражена в форме математических уравнений. Сущность математического моделирования заключена в математической интерпретации процесса переработки.

Математическое моделирование позволяет исследовать объект, не поддающийся моделированию. Метод математического моделирования используется при исследовании, проектировании и создании новых химических производств, перестройке существующих ХТП, расчетов материального и энергетического балансов химического производства.

^ 7.3 Организация ХТП

7.3.1 Выбор схемы процесса

Организация любого ХТП включает следующие стадии:

– разработку химической, принципиальной и технологической схем процесса;

– выбор оптимальных технологических параметров и установление технологического режима процесса;

– подбор типа и конструкции аппаратов;

– выбор конструкционных материалов для аппаратуры;

– установление контролируемых и регулируемых параметров на каждой стадии процесса.

Подготовка и организация ХТП начинается с выбора химической схемы процесса, т.е. схемы превращения сырья в целевой продукт, представленной в виде уравнений соответствующих химических реакций. Химические схемы разрабатываются на основе анализа возможных направлений синтеза с учетом свойств сырья, требований к качеству продукта, наличия энергетических ресурсов и т.п. Решающим критерием при выборе схемы является экономичность производства по тому или иному методу. Например, фосфорная кислота может быть получена из фторапатита тремя возможными схемами: разложение сырья серной кислотой, разложение сырья азотной кислотой и электротермическим методом через пятиокись фосфора.

В данном случае наиболее экономичный метод - сернокислотное разложение, т.е. химическая схема:




Рис. 14.

Структурная схема позволяет в первом приближении оценить целесообразность и экономичность выбранного ХТП.

Производство химических продуктов складывается из целого ряда химических и физических процессов, которые могут происходить одновременно (параллельно) в одних и тех же аппаратах или последовательно.


^ 7.4 Химические реакторы

Теория химических реакторов – это раздел общей химической технологии, в котором изучаются вопросы промышленного оформления химических реакций. Задача этого раздела, в конечном счете, состоит в разработке методов расчета реакторов с получением данных, необходимых для их проектирования. Расчет реакторов – это первая ступень в создании химического производства.

Химический реактор – основной элемент аппаратурного оформления любой технологической схемы. В нем протекают как химические, так и физические процессы; вместе с тем при его расчете и конструировании необходимо учитывать механические факторы. Поэтому искусство проектирования, конструирования и экономичного управления реактором сводится к синтезу принципов химии, физики, механики и экономики.

Физические процессы достаточно полно охватываются сложившимися разделами химической технологии; в отличие от систематизации химических реакторов, систематизация физических процессов близка к совершенству. Классификация процессов по чисто химическим признакам (окисление, гидрирование и т.п.) имеет некоторые преимущества для технологии органических веществ. Она, однако, неудобна для систематического изучения химических реакторов, поскольку другие факторы, такие, как тепловые эффекты и условия перемешивания и диспергирования, в равной степени определяют работу реактора.

Для процесса, который предстоит внедрить в промышленность или усовершенствовать в ходе эксплуатации, химические исследования дают информацию об условиях равновесия, скоростях основных и побочных реакций, влиянии тепла и примесей на результат процесса, поведении катализаторов и т.п. Когда такие сведения уже собраны в более или менее полной форме, инженеру необходимо получить ответ на следующие вопросы:

1. Какой способ производства следует принять?

2. Какой тип реактора наиболее удобен?

3. Каковы должны быть размеры реактора?

Для получения ответов на эти вопросы разрабатывают стратегию управления, при которой целевые продукты производятся с заданной скоростью и наименьшими затратами и осуществляют расчет реактора. Такие вопросы можно решать не частными, а общими методами, рассматривая процессы с учетом движения потоков в реакторах, тепловых эффектов реакции, условий перемешивания реакционной смеси и экономических требований.

Вместе с тем, для проектирования или усовершенствования промышленного реактора необходимо получить дополнительную информацию более конкретного характера. Речь идет не только о химических и физико-химических данных, но и о данных по конструкционным материалам: их коррозии, прочности и стоимости.

Таким образом, основные требования к промышленным реакторам таковы:

  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.



^ 7.4.1 Исходные данные для расчета реакторов

При выборе конструкции и определении размеров реактора необходимо принимать во внимание различные факторы и, прежде всего, располагать данными о скорости протекающих химических реакций, а также о скорости массо- и теплопередачи. Обычно задаются производительностью установки и степенью превращения, а концентрацию реагентов, температурный режим и другие показатели технологического процесса рассчитывают на основе опытных и теоретических данных.

Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического реактора, является интенсивность протекающего в нем процесса. Но интенсивность тем выше, чем меньше время, затраченное на получение единицы заданного продукта, поэтому главной задачей при изучении химических процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов

в реакторе от разных факторов:

τ = f ( X , C, r) , (7.1)

где X – степень превращения исходного реагента; ^ C – начальная концентрация исходного реагента; r – скорость химической реакции.

Уравнение, связывающее четыре указанных параметра, является математическим описанием модели реактора или уравнением реактора (характеристическим уравнением).

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 константу 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.

1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение 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, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. М., 2001. Введение
Канке В. А. Философия: учебное пособие для студентов высших и средних специальных
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconЛекция для студентов лечебного факультета Обсуждено на умк кафедры бжимк 2013 г
Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для студентов / Под ред чл корр. Рамн, проф. И. М. Чижа. – М: Первый мгму им. И....
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов очной и заочной формы обучения факультета психологии Подходы к исследованию внимания в отечественной и зарубежной психологии
Учебное пособие разработано кандидатом психологических наук, доцентом кафедры психологии личности Л. И. Габдулиной
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение 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...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы