Хіміко-технологічні процеси - складова хімічного виробництва. Кінетичні закономірності гетерогенних хіміко-технологічних процесів (стр. 1 из 3)

Вступ

Тема реферату «Хіміко-технологічні процеси - складова хімічного виробництва. Кінетичні закономірності гетерогенних хіміко-технологічних процесів» з дисципліни «Загальна хімічна технологія».

Мета роботи – ознайомлення з:

- класифікацією хіміко-технологічних процесів (ХТП);

- фізико-хімічними основами керування ефективністю процесів;

- термодинамічними аспектами (рівновагою). Впливом на рівновагу технологічних параметрів процесу;

- кінетикою процесів. Впливом технологічних параметрів на швидкість хімічних реакцій;

- швидкістю гетерогенних ХТП;

- кінетичними моделями гетерогенних процесів в системі «Г-Т». Моделлю з фронтальним переміщенням зони реакції

- гетерогенними процесами в системі газ-рідина.

Хіміко-технологічний процес (ХТП) – сукупність операцій, які дозволяють одержати цільовий продукт з вихідної сировини. Найважливішим етапом ХТП є хімічна реакція.

1. Хіміко-технологічні процеси - складова хімічного виробництва

1.1Класифікація хімічних реакцій, на яких засновані ХТП

В залежності від фазового складу розрізняють гомогенні та гетерогенні хімічні реакції. У випадку гомогенних хімічних реакцій реагенти знаходяться в одній фазі – рідині або газу.

Приклад гомогенної хімічної реакції:

- у газовій фазі окиснення оксиду азоту у виробництві слабкої азотної кислоти

- у рідинній фазі – реакції етерифікації.

В гетерогенних реакціях реагенти і продукти реакції повинні знаходитись хоча б у двох фазах. Існують наступні системи: «газ-рідина», «газ-тверде», «рідина-тверде», «рідина-рідина», «тверде-тверде», а також різні варіанти трьохфазних систем.

За механізмом розрізняють прості (одно стадійні) та складні (багатостадійні) реакції, які в свою чергу розподіляють на паралельні, послідовні, та паралельно-послідовні.

По молекулярності (за кількістю молекул, які приймають участь в елементарному процесі) виділяють моно-, бі-, та тримолекулярні реакції.

За використанням каталізаторів розрізняють каталітичні та некаталітичні реакції.

За тепловим ефектом розрізняють екзотермічні (з виділенням тепла

) та ендотермічні (з поглинанням тепла ).

1.2Фізико-хімічні закономірності хіміко-технологічних процесів

Фізико-хімічні закономірності ХТП підрозділяють на термодинамічні та кінетичні.

На основі законів термодинаміки проводять розрахунки рівноваги хіміко-технологічних процесів. За звичай розраховують рівноважний ступінь перетворення, визначають методи зміщення рівноваги хімічних реакцій в найбільш вигідний для ХТП бік.

На основі кінетичних закономірностей визначають швидкість хімічних реакцій в різних умовах та залежність швидкості від технологічних параметрів процесу (температури, тиску, співвідношення реагентів, їх концентрації та ін.)

Регулюючи рівновагу та швидкість ХТП досягають бажаних або максимально можливих показників ефективності – продуктивності, ступеня перетворення сировини, мінімальних витратних коефіцієнтів сировини.

1.3Рівновага в хіміко-технологічних процесах

Розрізняють зворотні та незворотні хіміко-технологічні процеси. Всі зворотні процеси прямують до рівноваги, стану в якому швидкість прямої та зворотної реакції однакові, в результаті чого співвідношення компонентів в реакційній суміші лишається незмінним до того часу поки не зміняться технологічні параметри процесу. В разі зміни температури, тиску, концентрації реагентів рівновага порушується і процес може протікати в тому чи іншому напрямку до встановлення повної рівноваги.

Система, що знаходиться в стані рівноваги характеризується наступними ознаками:

1)швидкості прямої та зворотної реакцій повинні бути однакові;

2)в системі не повинно виникати ні яких видимих змін;

3)система повинна бути ізольованою.

Кількісно стан рівноваги описується законом діючих мас:

При постійній температурі та наявності рівноваги відношення множення діючих мас продуктів реакції до діючих мас реагентів є величина постійна – константа рівноваги. Константу рівноваги можна розрахувати з визначення стану рівноваги, як рівність швидкостей прямої та зворотної реакцій.

У випадку аналізу реакцій, які протікають в газовій фазі, константу рівновагі виражають через порційні тиски.

Розрахунки константи рівноваги проводять через значення ізобарно-ізотермічного-потенціалу

, згідно з рівнянням ізобари хімічної реакції:

,

де

- відповідно значення ентальпії та ентропії хімічної реакції, які розраховують за даними довідкових таблиць термодинамічних величин.

Величина константи рівноваги вказує на ступінь завершеності хімічної реакції.

На при кінці 19-го сторіччя Анрі Ле Шател’є в короткому повідомленні на засіданні паризької академії наук сформулював свій славнозвісний принцип:

В системі, яку виведено зі стану рівноваги в результаті зовнішній дії, самотужки протікають зміни, що зменшують ці дії.

реакція хімічний реагент концентрація

1.4Вплив умов протікання реакції на стан рівноваги

Якщо константа рівноваги велика, то концентрації продуктів великі у порівнянні з концентраціями реагентів. У такому випадку кажуть, що рівновагу зсунуто вправо, якщо константа рівноваги невелика, то рівновагу зсунуто вліво.

Якщо в рівноважній системі провести зміну концентрації, рівноважний склад суміші зміниться. Оскільки константа рівноваги величина постійна для даної температури (співвідношення діючих мас реагентів і продуктів), то збільшення концентрації реагентів призведе до збільшення концентрації продуктів та навпаки.

Вплив тиску на рівновагу системи, в який не має газів зовсім малий. Зміна тиску рівноважної суміші газів, не впливає на константу рівноваги та впливає на стан рівноваги. Наприклад, для процесу:

Константу рівноваги розраховують за рівнянням:

,

порційні тиски компонентів реакційної суміші можна виразити через мольні частки компонентів та загальний тиск в системі Р.

, ,

тоді константу рівноваги можна розрахувати:

Т. ч., якщо загальний тиск в системі зростає, співвідношення

буде зменшуватися – рівновагу буде зсунуто вліво. Та навпаки зі зменшенням тиску це співвідношення буде зростати.

Вплив температури. Зміна температури змінює значення константи рівноваги відповідно до рівняння ізобари. Якщо

(ендотермічна реакція) при збільшенні температури константа рівноваги збільшується. Якщо (екзотермічна реакція) при збільшенні температури константа рівноваги зменшується.

1.6Кінетичні закономірності ХТП

Розрахунки рівноваги дозволяють визначити тільки максимально можливий ступінь перетворення компонентів сировини. Але, в умовах виробництва, які обмежені часом цей граничний ступінь перетворення не досягається із-за того, що знижується концентрація реагентів і як слідство – швидкість хімічних реакцій.

Рівняння, які описують залежність швидкості хімічної реакції від концентрації, називають кінетичними (кінетичними моделями), їх одержують в результаті кінетичних досліджень. Кінетичні моделі є основою математичної моделі хімічного реактору, їх використовують для вибору типу та розрахунку конструктивних розмірів реактору.

1.7 Швидкість гомогенних хімічних реакцій

Швидкістю хімічної реакції називають кількість молей одного з реагентів (продуктів), що реагують (або утворюються) в одиницю часу в одиниці реакційного простору (об’єму реактору).

,

де V – об’єм реактору;

dnj - зміна кількості молей реагенту ;

dτ – незначний проміжок часу.

Так як

, тоді швидкість реакції можна виразити через концентрацію реагенту:

,

Знак перед похідною вказує на напрям змінення концентрації, якщо це швидкість визначається за реагентом, він витрачається, концентрація зменшується (-), якщо швидкість було визначено за продуктом, то він утворюється, його концентрація росте (+).

Якщо реакція описується рівнянням:

,

то зміни кількості молей речовин-учасників реакції пов’язані між собою наступним співвідношенням: