Основные закономерности химико-технологического процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по технологии производства

На тему: Основные закономерности химико-технологических процессов

1. Классификации химических реакций

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, повышение температуры, 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.

2. 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

К - константа равновесия данной реакции;

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

3. Скорость технологических процессов

Скорость технологического процесса по целевому продукту есть результирующая скоростей прямой, обратной и побочных реакций, а также турбулентной и молекулярной диффузии исходных веществ в зону реакции и продуктов из этой зоны. Изменение концентрации основного исходного вещества и продукта реакции в течение процесса характеризуется кривыми, которые различны для простых и сложных реакций, а также для процессов, протекающих по типу идеального вытеснения и полного смешения. Для простых процессов, протекающих по типу идеального вытеснения без изменения объема по схеме A-^D, концентрация основного исходного вещества сА уменьшается во времени от начальной Большинство химических реакций относится к сложным, т.е., состоит из нескольких элементарных, поэтому характер изменения концентраций реагентов носит более сложный характер. Скорость производственного процесса определяет производительность соответствующих аппаратов или размеры и число их. Скорость процесса рассчитывают по степени превращения исходного вещества, по выходу продукта за определенный промежуток времени или через константу скорости процесса. Степень превращения определяют по основному исходному веществу. Основным исходным веществом называется вещество, по которому ведется расчет. Это, как правило, наиболее дорогое из веществ, присутствующих в исходной смеси. Многие процессы являются многомаршрутными, т.е. протекают по нескольким параллельным или последовательным реакциям с получение побочных продуктов. Для таких процессов большое значение имеет избирательность процесса. Избирательностью (селективностью) процесса называют отношение количества основного исходного вещества, превратившегося в целевой продукт, к общему количеству превратившегося вещества. Избирательность в различных многомаршрутных процессах колеблется весьма сильно. Так, в старом способе производства бутадиена из этилового спирта она составляла лишь 0,25--0,3 и получалось до 30 других веществ, как полезных, так и отходов производства. Селективность окисления аммиака до оксида азота NО колеблется на разных катализаторах от 0,85 до 0,97, т.е. от 3 до 15% NH₃ превращается в N₂ и N₂O.На избирательность могут влиять многие параметры технологического режима: время пребывания в реакторе, температура, давление, концентрация реагентов, степень перемешивания реакционной смеси и особенно избирательные катализаторы, ускоряющие только реакцию получения целевого продукта в ущерб побочным. Выходом продукта называют отношение количества полученного продукта к тому, которое получилось бы при полном протекании реакции. Применяют в расчетах три вида выхода продукта: общий, равновесный и выход от теоретического. Общий выход продукта вычисляют как отношение количества полученного целевого продукта к максимально возможному при полном превращении исходного. Применительно к гетерогенным процессам выходом продукта называют степень извлечения компонента из одной фазы в другую, например степень абсорбции компонента из газовой фазы, степень десорбции из жидкой или твердой фазы в газовую. В опытах равновесный выход продукта определить точно довольно трудно, так как равновесие практически достигается обычно лишь по истечении большого времени реакции.Обычно равновесный выход определяют по известной константе равновесия, с которой он связан в каждом конкретном случае определенным соотношением. Выход продукта можно изменить, сместив равновесие реакции в обратимых процессах, воздействием таких факторов, как температура, давление, концентрация. В соответствии с принципом Ле Шателье равновесная степень превращения увеличивается с повышением давления в ходе простых реакций, а др. случае объем реакционной смеси не меняется и выход продукта не зависит от давления. Влияние температуры на равновесный выход, так же как и на константу равновесия, определяется знаком теплового эффекта реакции. Для более полной оценки обратимых процессов используют так называемый выход от теоретического (выход от равновесного), равный отношению действительно полученного продукта со к количеству, которое получилось бы в состоянии равновесия. Степень превращения и выход продукта зависят от многих параметров, т.е. являются нелинейной функцией ряда переменных x=f(T, P, т, с а, Св, Си,...). Поэтому их применяют обычно лишь для сравнительной оценки нескольких аналогичных производств, осуществляемых, например, по разным технологическим схемам или с применением катализаторов различной активности. Влияние одной переменной, например Т, экспериментально определяют при постоянстве других действующих параметров. Для количественной оценки интенсивности работы различных аппаратов и для технологического расчета производственных процессов лучше пользоваться константой скорости процесса k, которая в гетерогенных процессах называется также коэффициентом массопередачи. Константа скорости процесса в отличие от степени превращения не зависят от времени и от концентрации реагирующих веществ, и ее зависимость от температуры определяется по уравнению Аррениуса.

соответствующим изменением обеих величин.

1. Увеличение концентрации взаимодействующих компонентов в исходном сырье повышает с и пропорционально увеличивает скорость процесса. Способ увеличения концентрации взаимодействующих компонентов в исходном сырье зависит от агрегатного состояния материала. Увеличение содержания полезного составляющего в твердом сырье называется обогащением, а в жидком и газообразном -- концентрированием. Увеличение концентрации взаимодействующих веществ -- это один из самых распространенных приемов для интенсификации процессов.

Повышение давления влияет на скорость процесса (скорость достижения равновесного состояния обратимых процессов) и состояние равновесия. Давление сильно влияет на скорость процессов, идущих в газовой фазе или же при взаимодействии газов с жидкостями и твердыми телами. В гомогенных процессах, протекающих в газовой фазе или в гетерогенных с участием газообразных компонентов, повышение давления уменьшает объем газовой фазы и соответственно увеличивает концентрации взаимодействующих веществ. Таким образом, повышение давления равносильно росту концентрации реагентов. Влияние давления определяется кинетическими уравнениями.

Таким образом, скорость реакции взаимодействия газовых компонентов пропорциональна давлению в степени, равной порядку реакции. Давление наиболее сильно интенсифицирует реакции высокого порядка. Однако рост Одной из основных задач технологии является использование всех путей для увеличения скорости технологического процесса и соответствующего повышения производительности аппаратуры. Анализ направлений интенсификации химико-технологических процессов производится при помощи основных формул скорости процесса, согласно которым для повышения скорости процесса следует найти способы увеличения определяющих величин Ac, k и F(v). Увеличение движущей силы процесса Дс может быть достигнуто: а) возрастанием концентраций взаимодействующих компонентов в исходных материалах (сырье); б) повышением давления; в) регулированием температуры процесса; г) отводом продуктов реакции из реакционного объема с целью сдвига равновесия в сторону продукта. Движущая сила химических реакций, процессов абсорбции, адсорбции и конденсации выражается через разности действительных с и равновесных с* концентраций реагирующих веществ (с--с*). Поэтому увеличение движущей силы процесса может осуществляться или увеличением с, или уменьшением с*, или одновременным давления может привести к изменению порядка реакции и уменьшению константы скорости процесса k.

химический реакция гетерогенный концентрация

4. Выбор оптимального технологического режима

В зависимости от вида и уровня задач оптимизации(проектирование операции и технологического процесса или оценка работы предприятия в целом) основные исполь­зуемые критерии оптимальности можно подразделить на следующие виды:

1) экономические: минимальная себестоимость; наименьшие на­роднохозяйственные приведенные затраты; наименьшие приведенные хозрасчетные затраты; наибольшая прибыль; рентабельность; минимальный уровень затрат на производство (минимальные затра­ты на электрическую и другие виды энергии, на основные и вспомо­гательные материалы, на фонд заработной платы и др.);

2) технико-экономические: максимальная производительность; наименьшее штучное время; основное и вспомогательное время; коэффициент полезного действия оборудования; надежность работы системы оборудования или отдельных ее элементов; станкоемкость изделия; стабильность технологического процесса обработки;

3) технологические: точность изготовления изделия, показатели качества поверхности изделия (шероховатость, волнистость, микро­твердость, остаточные напряжения и др.); физико-химические свой­ства изделий; стойкость инструмента;

4) эксплуатационные: износостойкость; усталостная прочность; контактная жесткость и другие показатели долговечности изделий;

5) прочие: психологические; эстетические; эргономические.

Наибольшее распространение при решении задач оптимизации технологического проектирования получили экономические и техни­ко-экономические критерии оптимальности. Это связано с тем, что в основе разработки любого ТП или решения более частной задачи, например расчета режимов резания, лежат два принципа: техни­ческий и экономический. В соответствии с первым принципом технологический процесс должен гарантировать выполнение всех требований на изготовление изделия. Второй принцип определяет условия, обеспечивающие минимальные затраты труда и наимень­шие издержки производства. Первый принцип наиболее полно отражается минимальной себестоимостью из группы экономических критериев, а второй - максимальной производительностью из груп­пы технико-экономических критериев.Технологические и эксплуатационные критерии оптимальности используются при обеспечении требуемого качества наиболее ответ­ственных изделий (точности, качества поверхности, физико-хими­ческих свойств и др.), а также эксплуатационных свойств отдельных деталей, определяющих надежность и долговечность машин.

5. Гетерогенные системы

Гетерогенные системы и гомогенные (хим.). -- Буквально гетерогенные системы значит разнородные, а гомогенные -- однородные системы; при этом, однако, есть ряд подразумеваемых допущений, почему вопрос заслуживает более подробного рассмотрения. "Материя может являться в двух состояниях, между которыми имеется резко выраженное различие и которые не могут быть связаны друг с другом рядом непрерывных промежуточных состояний: это состояния -- кристаллическое и аморфное. Кристаллическое состояние характеризуется тем, что свойства материи ориентированы в пространстве, т. е. меняются вокруг каждой точки в зависимости от избранного направления... на первом месте тут должна быть поставлена способность влиять на скорость света..., затем, теплопроводность... и, наконец, внешняя геометрическая форма"; к этой характеристике можно бы прибавить и различную скорость растворения кристаллов по различным плоскостям ."Аморфное состояние, -- продолжает Ле-Шателье, -- это не кристаллическое состояние; в аморфной материи все свойства, каковы бы они ни были, тождественны вокруг всякой точки и по всем направлениям. Таковыми являются все жидкие, газообразные и так называемые стеклообразные тела", являющиеся примерами гомогенных систем. На основании приведенной цитаты следовало бы все кристаллические тела считать Г. системами, но принято, однако, называть и их гомогенными, если в них не наблюдается каких-нибудь видимых плоскостей раздела, указывающих на сосуществование по крайней мере двух фаз (пар твердого тела, как невидимый, при этом игнорируют); можно считать этот обычай до некоторой степени оправдываемым тем, что в массе кристаллического тела, особенно, если оно образовано сплетением мелких кристаллов, ориентировка свойств не подчинена никакому закону, она вполне беспорядочна и в силу этого является вероятность "средней однородности" ("средней аморфности") данного тела. Затем, когда мы говорим о Г. системах, то мы подразумеваем гетерогенность равновесных систем, где сосуществующие фазы разделены видимыми поверхностями раздела, поверхностями, на которых наблюдаются резкие разрывы сплошности физических свойств и химической концентрации, но которые могут с изменением условий (факторов равновесия) перемещаться в том или другом направлении; а потому жидкость, запаянная в стеклянном сосуде, при отсутствии пара и отвечающего ей твердого тела, считается, напр., нами гомогенной, а не Г. системой (стекло не рассматривается как естественная часть системы); вода и ее пар, вода и лед, раствор над избытком твердого ("кристаллического") растворенного тела (насыщенный раствор) -- примеры Г. систем. Как известно из правила фаз чем богаче данная система фазами, тем меньшим числом степеней свободы она располагает, тем она определеннее; несмотря на это, такие системы привлекли на себя внимание главным образом в последнее время, а большинство работ и до сих пор посвящено "гомогенным" системам; обыкновенно, впрочем, их свобода ограничивается выбором определенной температуры опыта, игнорированием влияния давления на ход превращения, благо оно почти не сказывается при грубых способах исследования, игнорированием сосуществующей газообразной фазы, если изучаются свойства раствора и т. д. Об особом случае гетерогенности, создаваемом неоднородностью давления в разных точках системы.

6. Материальный баланс технологический

Соотношение количеств веществ, введённых и полученных в химико-технологическом процессе. М. б. т. составляют по уравнению основной суммарной реакции с учётом побочных реакций; он базируется на законе сохранения массы (в данном случае общая масса поступающих в производство материалов равняется массе выходящих материалов). М. б. т. составляют в расчёте на единицу сырья или продукции или для одного аппарата или машины в единицу времени. М. б. т. -- составная часть проекта новых производств или анализа работы существующих.

Размещено на Allbest.ru