- •Дисциплина: Инженерная химия
- •2. Технологические критерии эффективности химико-технологических процесса (производительность, интенсивность, степень превращения для различных видов реакций, селективность, выход продукта).
- •3. Принципы составления материальных и тепловых балансов химических реакций.
- •4. Эмпирические методы расчета тепловых эффектов.
- •Рассмотрим, например простую обратимую химическую реакцию:
- •7. Исследование кинетики гомогенных химических реакций. Реакторы периодического действия с постоянным и переменным объемом реакционной массы, реакторы идеального вытеснения.
- •8. Особенности исследования кинетики гомогенных каталитических процессов.
- •9. Кинетика гетерогенно - каталитических процессов.
- •10. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно- каталитических процессов.
- •12. Кинетика гетерофазных химических. Процессов в системах газ-жидкость, жидкость-жидкость (несмешивающиеся). Диффузионная, кинетическая и переходная области гетерофазного процесса.
- •14. Общие положения, понятие о химических реакторах, классификация химических реакторов: периодические, непрерывнодействующие и полупериодические реакторы.
- •15. Общие положения, понятие о химических реакторах, классификация химических реакторов: изотермические, адиабатические и политропные реакторы, реакторы смешения и вытеснения.
- •18. Расчет изотермических реакторов для проведения процессов в системах г-ж, ж-ж(н), аппараты колонного типа, система смеситель-сепаратор, модели смещения фаз в реакторах полупериодического действия.
- •20. Основы расчета реакторов с неидеальным потоком движения реакционной среды, использование ячеечной и диффузионной модели для расчета реальных реакторов.
- •Проектные уравнения реакторов, работающих в политропном режиме
- •Проектные уравнения реакторов, работающих в адиабатическом режиме
- •Проектные уравнения реакторов, работающих в изотермическом режиме
- •Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах
- •1) Простые необратимые реакции
- •2) Обратимые химические реакции
- •Тепловая устойчивость химических реакторов
2. Технологические критерии эффективности химико-технологических процесса (производительность, интенсивность, степень превращения для различных видов реакций, селективность, выход продукта).
Производительность, П – это количество полученных продуктов (переработанного сырья) в единицу времени.
П = G/t, кг/ч, Т/год, м3/час, кмоль/мин.
G-количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t.
Максимально достигнутая производительность на реакторе называется мощностью.
Интенсивность, I – это количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата. Этот показатель характеризует интенсивность протекания процесса в технологическом аппарате и совершенство организации процесса.
= ,,
Степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.
, %, доли
nio – число молей i-го реагента, входящего в элемент ХТС;
ni - число молей i-го реагента, выходящего из элемента ХТС.
Откуда, ,
Для обратимых реакций, степень превращения обратимая
- равновесное количество, выходящего реагента;
Откуда, .
Для реакций типа: aA+bB=cC+rR
степень превращения вещества рассчитывается для каждого вещества в отдельности. Между которыми существует связь
.
Для реакций, протекающих без изменения объема , степень превращения Хi можно выразить через концентрации:
Откуда,
- текущая концентрация i-го реагента (концентрация на выходе из реактора);
- начальная концентрация i-го реагента.
Для реакций, протекающих с изменением объема :
,
следовательно ,
- текущий объем системы; - первоначальный объем системы.
Например, для реакции 3А+В=2С
.
Селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству реагента, пошедшего на реакцию (то есть доля реагента, претерпевшего превращение в какой-то продукт).
Селективность бывает полной (интегральной) и мгновенной (дифференциальной).
Полная селективность рассчитывается при полном завершении реакци.
- для параллельных (последовательных) реакций:
aA+bB=cC+rR (целевая)
a1A+b1B=zZ+yY (побочная)
или
При протекании последовательных, параллельных и последовательно-селективных реакций, селективность может изменяться по закономерностям, проходя через максимум для той или иной реакции. Вводят мгновенную (в данный момент времени) селективность.
, %, доли
- это отношение скорости расходуемого реагента в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходного реагента.
(целевая реакция)
(побочная реакция)
или
Выход продукта – бывает технологический и химический.
Технологический выход – характеризует потери продукта на стадиях выделения.
Химический выход – характеризует протекание самой химической реакции в реакторе.
Выход (технологический) – это отношение количества продукта, выходящего из элемента ХТС к количеству продукта поступающего в элемент ХТС.
Gio
Gi
Элемент ХТС
, %, доли.
Выделение продукта часто бывает многостадийным.
Для последовательно соединенных элементов ХТС:
Фm,1 Фm,2 Фm,3 Фm,n
При проведении многостадийных синтезов снижение технологического выхода при выделении играет существенную роль.
Выход химический Ф – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству по уравнению реакции.
aA+bB=cC+rR
где R – целевой продукт.
, %, доли.
Конечное выражение для химического выхода зависит от химической схемы.
- для необратимых реакций:
aA=cC+rR, ;
- для обратимых реакций:
, ;
- для параллельных реакций:
(целевая реакция);
(побочная реакция).
.
Расходные коэффициенты - величины, характеризующие расход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу полученной продукции. Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для большинства химических производств 60-70% себестоимости продукции приходится на эту статью расхода. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты учитывают расход исходного сырья с учетом стехиометрии реакции.
,
где - теоретический расходный коэффициент;i , j – стехиометрические коэффициенты при реагенте и продукте; Mri, Mrj – молекулярная масса реагента и продукта соответственно.
Примечание: при нахождении числа независимых реакций и составлении стехиометрической матрицы для исходных реагентов в стехиометрические коэффициенты ставят знак «-» (см. разд.2).
Практические расходные коэффициенты учитывают селективность процесса, выход продукта, степень превращения и рассчитывают на базе теоретических расходных коэффициентов.
,
где - практический расходный коэффициент;f - технологический выход; xi - степень превращения i-го реагента; - селективность процесса; ii - содержание i-го реагента в исходном веществе.
Расходные коэффициенты для одного и того же продукта зависят от состава исходных реагентов и могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому в тех случаях, когда производство и сырье отдалены друг от друга, необходима предварительная оценка по расходным коэффициентам при выборе того или иного типа сырья с целью определения экономической целесообразности его использования.