ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (ХПР+ХТС)

Введение.

Определение химической технологии (ХТ) как науки. Место ХТ и приемов (методов) ХТ в производственной деятельности. Химическое производство (ХП) - определение, состав. Требование к ХП и его структура. Компоненты ХП (переменные и постоянные).

Учебный предмет ОХТ – изучение процессов, в основе которых лежат химические превращения – химические процессы и реакторы, химико-технологический процесс, химическое производство. Фундаментальная база для исследования химико-технологических процессов в курсе ОХТ – химия, физическая химия, термодинамика…

Физико-химические закономерности

Физико-химические закономерности необходимы для анализа и разработки ХР.

Стехиометрические закономерности. Стехиометрические уравнения для балансовых расчетов. Простая реакция, алгебраическая форма записи. Степень превращения Х, связь количеств и концентраций веществ. Сложная реакция - число независимых уравнений, их определение для обменных и окислительно-восстановительных реакций. их выбор. Пример определения результата превращения. Степени превращения ключевого вещества в частных реакциях Х_j, выход продукта Е_R, селективность процесса по продукту S_R. Метод расчета состава сложной реагирующей смеси через Х_j для частных реакций.

Термодинамические закономерности. Определение возможности протекания реакции по знаку энергии Гиббса. Изменение энтальпии в реакции H и тепловой эффект реакции Q_p, их определение в термохимическом уравнении и по теплоте превращения веществ в реакции. Экзо- и эндотермические реакции. Константа равновесия, ее связь с теплотой реакции и зависимость от температуры Т. Равновесные состав реагирующей смеси и степень превращения Х_р. Зависимость Х_р(Т) для экзо- и эндотермических реакций. Способы изменения равновесного превращения (температура, давление, разбавление, избыток реагента, выделение продукта - примеры).

Кинетические закономерности. Схема превращения и отличие ее от системы стехиометрических уравнений. Скорость превращения вещества W и скорость реакции r. Их определение (понятие) и взаимосвязь для простой и сложной реакций. Кинетическое уравнение, зависимость скорости реакции от температуры и концентрации. Константа скорости и уравнение Аррениуса.

Химические процессы и реакторы.

Химический реактор (ХР) как элемент ХТС. Обзор конструкций ХР. Конструктивные элементы и структура процесса в ХР.

Метод изучения ХР - математическое моделирование, его определение и основные понятия. Место натурного и математического эксперимента.

Химический процесс (ХП) - определение, классификация по фазовому признаку (гомогенный и гетерогенный) и способу взаимодействия реагентов (непосредственное, катализ и физическое воздействие). Задачи исследования ХП - определение зависимости скорости превращения в элементарном объеме (см. структуру процессов ХР) от условий в нем - наблюдаемая скорость превращения.

Гомогенный ХП. Определение, примеры. Зависимость скорости превращения для простой реакции от концентрации, температуры для простых (необратимой и обратимой) и сложных реакций. Оптимальные температуры - определение и ее изменение со степенью превращения. Дифференциальная селективность для сложных реакций (параллельной и последовательной) и зависимость ее от температуры и порядка частных реакций.

Способы управления интенсивностью и селективностью процесса.

Гетерогенный ХП. Определение, фазовый состав, классификация по виду фаз. Понятие наблюдаемой скорости превращения и общий (функциональный) вид ее зависимости от условий процесса. Идентичность систем “г-т” и “ж-т”, “г-ж” и “ж-ж” для их изучения.

Гетерогенный ХП "газ(ж)-твёрдое". Примеры.

Схема и структура процесса "сжимающаяся сфера". Математическое описание. Наблюдаемая скорость превращения W_н и время полного превращения t_к. Понятия лимитирующей стадии: “быстрая”, минимальная интенсивность, максимальная движущая сила, “определяющая”, - корректность определений и применимость. Режимы и лимитирующие стадии процесса “г-т”. Изменение размера частицы , степени превращения твердого x_т и W_н во времени (приведенного t/t_к). Влияние условий (С₀, Т, u, R₀) на интенсивность процесса (по влиянию на t_к). Пути интенсификации.

Схема и структура процесса "сжимающееся ядро". Математическое описание в общем виде. Наблюдаемая скорость превращения и время полного превращения в кинетической, внутридиффузионной и внешнедиффузионной областях (вывод из общего описания процесса). Изменение размера ядра _я, x_т и W_н во времени (t/t_к). Влияние условий (С₀, Т, u, R₀) на интенсивность процесса(по влиянию на t_к). Пути интенсификации.

Гетерогенный процесс "газ(ж)-жидкость". Примеры. Схема и структура процесса с реакцией в объёме. Математическое описание. Наблюдаемая скорость превращения W_н, режимы процесса. Зависимость W_н от условий процесса (Р_г, С_ж(!), Т, u, удельной поверхности раздела фаз, растворимости(-!)) Пути интенсификации.

Каталитический ХП. Определение катализа, влияние катализа на равновесие. Классификация каталитических процессов (гомогенный, гетерогенный и микрогетерогенный). Структура гетерогенно-каталитического ХП.

ХП на непористом зерне катализатора. Описание изотермического процесса. Наблюдаемая скорость превращения, влияние на нее условий протекания процесса (Т, u). Режимы процесса. Пути интенсификации.

ХП в пористом зерне катализатора. Структура и математическое описание (плоское зерно). Модуль Зельдовича-Тиле . Наблюдаемая скорость превращения W_н и степень использования внутренней поверхности . Зависимость (). Режимы процесса и области значений  , о неприменимости понятия лимитирующей стадии как “определяющей”. Влияние на W_н условий протекания процесса (Т, R₀). Пути интенсификации.

Химический реактор (ХР). Структура потоков в масштабе ХР и ее значение для построения модели ХР, общая структура математической модели процесса. Построение математических моделей процесса в ХР различного типа, их классификация - ИС-п, ИС-н, ИВ.

Изотермический процесс в ХР. Модели ИС-п и ИВ. Их математическая идентичность. Преобразование, решение и анализ уравнений (модели) - зависимости С(), Х(). Интерпретация свойств модели на свойства процесса - распределение концентраций по объёму и во времени для ИС-п и ИВ. Зависимость показателей процесса (С(), Х(), селективность S и выход продукта Е) от типа реакции (простые необратимая и обратимая, сложные параллельная и последовательная) и условий (С₀, Т, порядки реакций).

Модель ИС-н. Преобразование, решение и анализ уравнений (модели) - зависимости С(), Х().Интерпретация свойств модели на свойства процесса - распределение концентраций по объёму для разных (!) реакторов. Зависимость показателей процесса (С(), Х(), S, E) от типа реакции (простые необратимая и обратимая, сложные параллельная и последовательная), параметров и условий (С₀, Т, порядки реакций) - они идентичны свойствам модели ИС-п и ИВ (!).

Сопоставление с режимом ИВ по интенсивности и селективности процесса. Использование реакторов с различной структурой потока.

Неизотермический процесс в ХР. Способы организации теплообмена - без теплообмена (адиабатический процесс), с промежуточным и одновременным теплообменом.

Процесс в реакторах ИС-п и ИВ. Описание процесса. Величина адиабатического разогрева. Профили температур и концентраций и влияние на них условий теплообмена (адиабатический процесс и с теплообменом) и знака теплового эффекта реакции. Сопоставление профилей Т и Х в изотермическом и неизотермическом процессах Связь температуры и степени превращения в адиабатическом процессе. Диаграмма “Т-Х”. Влияние условий процесса (С₀ для адиабатического и Т_х для процесса с теплообменом) на профиль Т.

Процесс в реакторе ИС-н. Описание процесса. Связь температуры и степени превращения в адиабатическом процессе и сопоставление зависимостей Т(X) для ИС-н и ИВ. Сопоставление адиабатических процессов ИС-н и ИВ.

Число стационарных состояний, их устойчивость и область существования режимов в реакторе ИС-н. Аналогия с процессами “г-т” и на непористом зерне катализатора. Практическое значение неоднозначности режимов (возможность их осуществления, “зажигание” и “потухание” процесса, тепловой взрыв).