- •Содержание
- •1. Введение.
- •1.1 Общие закономерности химических процессов. Классификация процессов общей химико-технологических процессов
- •Требования к химическим производствам
- •Компоненты химического производства
- •Разделение на две твердые фазы:
- •Разделение жидкости и твердого вещества:
- •1.2 Промышленный катализ
- •Основные положения теории катализа.
- •1.3. Сырьевая база химической промышленности.
- •Классификация сырья
- •Характеристика минерального сырья
- •Химическое сырье
- •Растительное и животное сырье
- •Характеристика разработок минерального сырья
- •Качество сырья и методы его обработки
- •Способы сортировки:
- •Способы обогащения:
- •Сырьевая база химических производств
- •1.4 Энергетическая база химических производств
- •1.5 Критерии оценки эффективности производства
- •1.5.1. Интегральные уравнения баланса материальных потоков в технологических процессах. Понятие о расходных коэффициентах. Относительный выход продукта
- •1.5.2. Балансы производства
- •1. Материальный баланс
- •2. Энергетический (тепловой) баланс
- •3. Экономический баланс
- •1.5.3. Технологические параметры химико-технологических процессов.
- •1.6.Принципы создания ресурсосберегающих технологий
- •2. Теоретические основы химической технологии
- •2.1. Энергия в химическом производстве. Тепловой эффект реакции в технологических расчетах. Направленность реакции в технологических расчетах
- •2.2 Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов. Моделирование процессов теплообмена.
- •Молекулярная диффузия. Первый закон Фика
- •Турбулентная диффузия
- •Уравнение массоотдачи
- •Уравнение массопередачи
- •Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов массоотдачи (или уравнение аддитивности фазовых сопротивлений)
- •Подобие массобменных процессов
- •3. Химическое производство как сложная система. Иерархическая организация процессов в химическом производстве
- •3.1. Химико-технологические системы (хтс). Элементы хтс. Структура и описание хтс. Методология исследования хтс, синтез и анализ хтс.
- •Методология исследование химико-технологических систем.
- •3.2. Сырьевая и энергетическая подсистема хтс
- •1. Классификация химических реакторов по гидродинамической обстановке.
- •2. Классификация химических реакторов по условиям теплообмена.
- •3. Классификация химических реакторов по фазовому составу реакционной массы.
- •4. Классификация по способу организации процесса.
- •5. Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени.
- •6. Классификация по конструктивным характеристикам.
- •3.4. Промышленные химические реакторы. Реакторы для гомогенных процессов, гетерогенных процессов с твердой фазой, гетерогенно-каталитических процессов, гетерофазных процессов.
- •Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой.
- •Реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.
- •4. Основные математические модели процессов в химических реакторах
- •4.1. Идеальные химические реакторы. Непрерывный реактор идеального вытеснения. Непрерывный реактор идеального смешения
- •4.2. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Обоснование использования каскада реакторов.
- •Каскад реакторов смешения.
- •Влияние степени конверсии.
- •Влияние температуры.
- •5. Применение кинетических моделей для выбора и оптимизации условий проведения процессов
- •5.1. Экономические критерии оптимизации и их применение для оптимизации реакционных узлов.
- •Оптимальные концентрации инициатора и температуры в радикально-цепных реакциях
- •Оптимизация степени конверсии.
- •7. Важнейшие промышленные химические производства
- •7.1 Проблема фиксации атмосферного азота. Синтез аммиака, Физико-химические основы производства и обоснование выбора параметров и типа реакционного узла. Технологическая схема процесса.
- •Синтез аммиака
- •Сырье для синтеза аммиака.
- •Технология процесса.
- •Основные направления в развитии производства аммиака.
- •7.2. Получение азотной кислоты. Физико-химические основы химических стадий процесса, обоснование выбора параметров и типа реакторов. Технологическая схема процесса.
- •Физико-химические основы процесса.
- •Контактное окисление аммиака.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Окисление оксида азота (II) до диоксида.
- •Абсорбция диоксида азота.
- •Технология процесса.
- •7.3. Производство минеральных удобрений. Классификация минеральных удобрений
- •Классификация минеральных удобрений.
- •7.3.1. Азотные удобрения. Физико-химические основы производства нитрата аммония. Устройство реакционного узла. Теоретические основы процесса и его технологическое оформление
- •Производство нитрата аммония.
- •7.3.2. Производство фосфорной кислоты. Физико-химические основы процесса. Технологическая схема
- •Функциональная схема производства эфк.
- •Сернокислотное разложение апатита.
- •7.3.3. Фосфорные удобрения. Физико-химические основы процессов их производства. Типы реакционных узлов.
- •Производство простого суперфосфата.
- •Производство двойного суперфосфата
- •Азотнокислое разложение фосфатов. Получение сложных удобрений
- •Обжиг серосодержащего сырья.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Сжигание серы.
- •Окисление диоксида серы.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Технология контактного окисления so2.
- •Абсорбция триоксида серы.
- •Перспективы развития сернокислотных производств.
- •7.5. Электрохимические производства. Теоретические основы электролиза водных растворов и расплавленных сред. Технология электролиза раствора хлорида натрия.
- •Основные направления применения электрохимических производств
- •Электролиз раствора хлорида натрия
- •Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой
- •Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом
- •7.6. Промышленный органический синтез
- •Первичная переработка нефти.
- •Каталитический риформинг углеводородов.
- •7.6.2. Производство этилбензола и диэтилбензола. Теоретические основы процесса и обоснование выбора условий процесса. Технология процесса
- •7.6.3. Синтезы на основе оксида углерода. Производство метанола. Теоретические основы процесса.
- •Окисление изопропилбензола (кумола)
- •Технологическая схема получения фенола и ацетона кумольным способом.
- •7.6.5. Биохимические производства. Особенности процессов биотехнологии.
- •7.6.5.1. Производство уксусной кислоты микробиологическим синтезом
- •7.6.5.2. Производство пищевых белков
- •8. Химико-технологические методы защиты окружающей среды
- •8.1. Утилизация и обезвреживание твердых отходов
- •8.2. Утилизация и обезвреживание жидких отходов
- •8.3. Обезвреживание газообразных отходов
2. Теоретические основы химической технологии
2.1. Энергия в химическом производстве. Тепловой эффект реакции в технологических расчетах. Направленность реакции в технологических расчетах
Изменение химического состава реагирующей смеси приводит к изменению ее теплосодержания ∆ НТ которое можно рассчитать через энтальпии образования компонентов (∆ НТ )обр:
∆ НТ = Σvi(∆ НТ )обр.i
Если энтальпия образования продуктов меньше, чем энтальпия образования исходных веществ, (∆ НТ < 0), то выделяется теплота Qр = -∆ НТ, называемая теплотой реакции. Если при химическом превращении теплосодержание смеси увеличивается (∆НТ > 0), то происходит поглощение теплоты.
В зависимости от знака ∆ Н (или Qр) реакции бывают экзотермические (∆ Н< 0, Qр > 0) и эндотермические (∆ Н >0, Qр < 0).
Тепловой эффект реакции входит в запись термохимического уравнения, представляющего собой стехиометрическое уравнение с указанием его теплового результата
VАА + vВВ + … = vRR + vSS + … + Qр.
Значение Qр в уравнении зависит от записи химического уравнения. Например, тепловой эффект реакции, записанной следующим образом: N2 + 3Н2 = 2NН3 в два раза больше, нежели для той же реакции, записанной по-другому: 0,5N2 + 1,5Н2 = NН3, поэтому в справочной литературе Qр приводят прямо в уравнениях, как это сделано в, или указывают изменение энтальпии, соответствующее превращению 1 моля вещества.
Тепловой эффект реакции в технологических расчетах
Знание теплового эффекта реакции необходимо для определения тепловых явлений в технологических процессах. Количество выделившейся (или поглощенной) теплоты qр зависит от количества превращенного вещества ∆N. Если Qр представлена в записи уравнения (3.28), то
qр = Qр ∆NА/vА
В зависимости от знака Qр (экзо- или эндотермическая реакция), теплота в ходе протекания процесса будет выделяться или поглощаться.
Возможность химического превращения
Химический процесс принципиально осуществим, если реакция протекает с уменьшением химического потенциала, называемого также изобарным потенциалом, или энергией Гиббса, т.е. возможность протекания реакции определяется из следующих условий:
при ∆GТ,Р < 0 протекание реакции возможно;
при ∆GТ,Р < 0 протекание реакции невозможно;
при ∆GТ,Р = 0 реакционная система находится
в термодинамическом равновесии,
где ∆GТ,Р - изменение энергии Гиббса при превращении исходных веществ в продукты при температуре Т и давлении Р.
Изменение энергии Гиббса реакции можно рассчитать по уравнению
Значения стандартной энергии Гиббса образования веществ при стандартных температуре 298 К и давлении Р = 1 атм приведены в справочной литературе по термодинамике и означают изменение энергии Гиббса при превращении такого количества вещества, находящегося в стандартном состоянии, которое записано в стехиометрическом уравнении. Пример: имеется бесконечно большое количество смеси, содержащей Н2, N2 и NН3, при температуре Т = 298 К и давлении РН2 = РN2 = РNН3 = 1 атм. Если в этой смеси превратиться 1 моль N2 и 3 моля Н2 (на состав бесконечно большого количества смеси это не повлияет), то изменение энергии Гиббса будет равно величине, рассчитанной по формуле.
Для расчета в условиях, отличающихся от стандартных, используют зависимость энергии Гиббса от температуры
где S изменение энтальпии и энтропии при стандартном давлении, которые можно рассчитать по формулам, аналогичным.
Зависимость энергии Гиббса от состава реакционной смеси отражает уравнение Вант-Гоффа:
где R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль∙К;
П - знак произведения; Сi- концентрации компонентов; vi - стехиометрические коэффициенты уравнения реакции в алгебраической форме .
Направленность реакции в технологических расчетах
Использование условий позволяет определить возможность получения желаемого продукта — с этого начинают разработку нового способа производства. Другой вариант применения заключается в поиске возможностей, предотвращающих протекание нежелательных реакций.
Продемонстрируем это на следующем примере. При конверсии метана водяным паром возможно образование сажи. Одна из вероятных реакций:
СО + Н2 = С + Н2О;
Из справочных данных и формул для этой реакции получено
= 132 + 0,133/Т (кДж/моль).
Конверсия метана в промышленном реакторе протекает вблизи равновесия. Соответствующее содержание СО, Н2 и Н2О, ответственных за образование сажи (углерода), для исходной смеси с стехиометрическим соотношением пар : метан = 2:1 при температуре 873 К и давлении 0,1 МПа следующее: ССО = 0,071, СН2 = 0,53, СН2О = 0,24.
Рис. Зависимость энергии Гиббса
∆G от температуры Т для реакции
образования углерода в реакторе
конверсии метана при начальном
соотношении пар : газ = 1:1 (1);
2:1 (2); 4:1 (3)
Такие данные можно получить и для других температур и соотношения исходного состава.
Далее для этих температур и составов смеси по формуле (3.32) рассчитывают ∆GР,Т по реакции. Результаты представлены на рис. При исходном соотношении пар : газ = 1 : 1 во всем температурном интервале ∆GР,Т < 0, и потому возможно выделение сажи. При соотношении пар : газ = 2:1 при температурах ниже 900 К, т.е. в какой-то части реактора, также возможно сажеобразование. И только при четырехкратном избытке водяного пара выделение сажи становится невозможным (∆GР,Т > 0 во воем интервале температур).
Примечание. Процесс сажеобразования более сложный, чем описано выше, и потому приведенные результаты показывают качественную картину влияния исходного состава смеси на возможность выделения углерода в конверторе метана.
Итак, термодинамическая возможность является необходимым условием протекания реакции, однако осуществление превращения зависит от кинетики процесса.