ШПОРЫ ОХТ. Цели и задачи курса Общая химическая технология Объект изучения курса
 Скачать 3.94 Mb.
|
|
Схема превращения. Скорость превращения и скорость реакции. Схема превращения показывает реальные взаимодействия в реагирующей системе. Она может быть представлена системой химических уравнений протекающих реакций или графически. Схема превращений состоит из частых реакций или этапов. Схема превращения необходима для предсказания и объяснения динамического изменения в ней химических превращений. Скорость превращения вещества Wi< 0- вещество расходуется, для продуктов Wi> 0- вещество образуется.∑ ViAi=0 Из уравнения реакции в алгебраической форме вытекает, что ∆Ni/Vi=const где дельта Ni- количество превращенного вещества; Vi – стехиометрический коэффициент. Отсюда иWi/Vi=const и это отношение называется скоростью реакции r: r=Wi/Vi (1) скорость реакции r всегда положительна
Зависимость скорости реакции ос условий ее протекания называют кинетическим уравнением или кинетической моделью реакции Для элементарной реакции А+В =R =…, то есть протекающей в одну стадию, кинетическое уравнение стоится на основе закона действующих масс: r=kCA*CB (1) где k- константа скорости реакции; СА и СВ – соответственно концентрации компонентов AиВ. Однако закон действующих масс применим строго только к элементарной реакции состоят из ряда последовательных взаимодействий (стадий). В общем виде кинетических уравнений представляют в виде: r=kf(C) (2), в котором на скорость реакции влияют все компоненты реакции. По мере протекания сложной реакции компонентов кинетических уравнений вида (2) будет равно количеству частных реакций в общей схеме превращения. То есть это уравнение описывает скорость частной необратимой реакции в сложной схеме уравнения. Константа скоростей реакции k зависит от температуры I и энергии активации Ea по уравнению k=k0exp(-Ea/RT) Аррениуса: ,(3) где k0 – предэкспоненциальный множитель, связанный с вероятным числом соударений; R- универсальная газовая постоянная. Иногда кинетическое уравнение представляют эмпирического зависимостью (формальная кинетическая): r=kCnA где n – порядок реакции по компоненту A.
Простая обратимая реакция A <–>R фактически представляет собой сложную, в которой протекают два частных превращения: A –>R (прямая реакция) и R –>A (обратная реакция). Скорость реакции r1 и обратной r2 реакций; r=r1-r2 (1) отсюда если обе реакции первого порядка то r1=k1CA и r2=k1CR. Тогда: r=k1CA-k2CR=k1CA[1-k2CR/k1CA] (2) С учетом того, что константы равновесия kp и константы скорости прямой k1 и обратной k2 реакций связаны между собой Kp=k1/k2 (3) и того, что выражение k1 cA в (2) это скорость прямой реакции, выражение (2) можно записать в общем виде: r=ri[1-1/Kp  iVi](4) гдеiVi - выражение закона действующих масс в уравнении равновесия в приложении к текущим концентрациям ( например для реакции VA A+VB B <–>VR R+VS S…Kp,C=(CVpRCVsS…../ CVaACVbB…..)=  iVi)равн (5)
Скорость тепловыделения q, подобно скорости превращения веществ wi, определяет количество теплоты выделяющейся в реакции в единицу времени в единицы реакционного пространства ( единица объема, единица поверхности). Величина q зависит от скорости r и теплового эффекта Qp реакции: q=Qp*r (1) Скорость тепловыделения при протекании сложной реакции определяется суммированием тепловыделения всех j-ых частных реакций: q=  pj*ri(2) гдеQpj –тепловыделение j-ой реакции; ri- скорость j-ой реакции. 29.Химический реактор. Емкостной реактор. Емкостной реактор проточный. Колонный и насадочный реактор. Химический реактор- устройство, аппарат для проведения химических превращений ( химических реакций) Химический реактор понятие обобщенное, относыщееся к реакторам, башням, автоклавам, камерам, печам, контактным аппаратом, полимеризаторам, дожигателям, гидрогенезаторам, окислителям и другим аппаратам, названия которых происходит из-за их назначения или внешнего води.  Емкостной реактор (1) – оснащен мешалкой, которая перемешивает реагенты, помещенные внетрь аппарата. Температурный режим поддерживают с помощью теплоносителя (Т), циркулирующего в рубашке реактора или во встоенном теплообменнике. После проведения реакции продукты выгружают, и после очистки реактора цикл повторяется.Процесс периодический. Емкостной реактор протечный (2) – в нем реагенты непрерывно проходят через реактор. Газ барботирует через жидкость. Процесс непрерывный Колонный реактор (3) – аналогичен емкостному проточному («) однако у них отношение высоты к диаметру составляет 4 -в (вемкостных-1) . В заимодействие газа и жидкости такое же как в реакторе (2). Процесс непрерывный насадочный реактор(4) оснащен кольцами Рашига –насадкой Н. В взаимодействует газ г и жидкость ж. Жидкость стекает по насадке, а газ движется между элементами насадки. 30.Реактор с непрерывным твердым реагентом. Вращающийся цилиндрический реактор. Реактор с просыпающимся навстречу газу твердым реагентом. Реактор с «кипящим» слоем. Реакторы этих типов используют в основном для взаимодействия газа г с твердым ТВ реагентом.  В данном реакторе твердый реагент неподвижен. Газообразный или жидкий ж реагент непрерывно проходит через него.Процесс- периодически по твердому веществу. Реакторы (2-4) модифицированы так, что и по ТВ реактору процесс непрерывный. В реакторе (2) твердый реагент двигается вдоль вращающегося, наклонно установленного цилиндрического реактора. Газ движется навстречу ТВ реагенту. В реакторе (3) ТВ реагент просыпается через реактор навстречу подающемуся газу. В реакторе (4) газ подается снизу под большим давлением так, что твердые частицы оказываются во взвешенном состоянии образуя псевдо ожженной или кипящий «слой, оседающей некоторыми» свойствами жидкости. 31.Трубчатый реактор. Трубчатый реактор типа печь. Многослойный реактор. Трубчатый реактор (1) по виду подобен кожухо-трубному теплообменнику. Через трубки, в которых протекает реакция, проходят газообразные г или жидкие ж реагенты. Обычно в трубки загружен катализатор К. Температурный режим обеспечивает циркуляцией теплоносителя Т в межтрубном пространстве. Режим работы непрерывный. Трубчатый реактор (2) применяют осуществления высокотемпературных гомогенных реакций, в том числе в вязкой жидкости (например, пиролиз тяжелых углеводородов) Часто такие реакторы называют печами. Процесс непрерывный Многослойный реактор(3) предусмотрен для проведения в нем газожидкостных процессов, между несколькими слоями твердого вещества, выполняющими, например, роль катализатора. Процесс непрерывный 32.Основные структурные элементы реакторов на примере многослойного реактора, оснащенного системой теплообмена. Многослойный реактор, оснащенный системой, позводяющей охлаждать или нагревать реагент, находящийся между несколькими слоями твердого вещества (например, катализатора) 1- реакционная зона  2- входное и распределительное устройство 3- смеситель 4- теплообменник 5- выходное устройство Хг –холодный газ; Т- теплоноситель (И) и (П) –исходный и конечный продукт. В данном случае показано охлаждение исходного вещества холодным газом. Реакционную зону 1, в которой протекает химическая реакция представляют несколько слоев катализатора. Исходная Г(И) реакционная смесь подается через верхний штуцер. Чтобы обеспечить равномерное прохождение газа через реакционную зону 1 установлен распределитель потока2. После первого слоя два потока Г(И) и Хг смешиваются в смесителя 3. Между третьим и четвертым слоями помещен теплообменник 4. Структурные элементы 3 и 4 предназначены для изменения состава и температуры потока между реакционными зонами. Продукты Г(П) выводятся через выходное устройство (5). Кроме того, реактор может быть оснащен устройством разделения потоков ( не показано) 33. Процесс, происходящий в реакционной зоне (для каталитического и газожидкостного взаимодействия). 1) Каталитическое взаимодействие.  Схема реакционного процесса с участием катализатора через неподвижный слой которого проходит конвективный поток газообразных компонентов. Реагенты Г диффундируют к поверхности катализатора и проникает в его поры, на внутренней поверхности которых протекают реакции. Образовавшиеся продукты реакции обратным путем отводят в поток. Выделившаяся теплота за счет теплопроводности передается теплоносителю. Возникающие градиенты концентраций и температуры вызывают дополнительные потоки теплоты и в-ва к основному конвективному движению реагента к слою катализатора. 2) газожидкостное взаимодействие.  Представляет процесс в слое жидкости через которую барбатирует газ. Между пузырями газа и жидкости происходит газообмен(массообмен). Динамика жидкости складывается из движения около пузырей (1) и циркуляцией в масштабе слоя (2). 1 подобно турбулентной диффузии, 2 – циркуляционному конвективному движению жидкости через реакционную зону. 34.Модель и моделирование. Моделирование - метод исследования объекта, явления, процесса, устройства на модели с целью исследования самого объекта исследования его модели. Полученные свойства модели переносят на свойства моделируемого объекта. Модель – специально созданный для изучения объект любой природы, более простой, чем исследуемый по всем свойствам, кроме тех, которые необходимо изучить, и способный заменить исследуемый объект так, чтобы получить новую информацию о нем. При исследовании процесса на каждой модели изучают отдельные явления и свойства объекта. Учитываемые в модели явления и параметры называют составляющими моделями. Для изучения разных свойств объекта создают несколько моделей, каждая из которых отвечает определённой цели. Если модель отражает большее (или меньшее) число свойств ее называют более широкой(или более узкой). Понятие «общая модель» - как модель, отражающая все свойства объекта- бессмысленная модель. Чтобы достигнуть поставленной цели на модель должен воздействовать те же факторы , что и на объект. Составляющие и параметры процесса, влияющие на изучаемые свойства называют существенными составляющими модели, а слабо влияющие на свойства параметры – несущественными, их можно не учитывать. Простоя модель содержит лишь существенные составляющие ,иначе модель будет избыточной. Если в модель входят не все составляющие существенно влияющие на ее изучаемые свойства, то модель- неполноценная. Поэтому важно выделить те явления и параметры, которые являются существенными для изучаемых свойств. Простая и полная модель, кроме предсказания заданных свойств, должна давать информацию о неизвестных свойствах объекта. 35. физическое и математическое моделирование. Теория подобия позволяет переносить результаты экспериментов, получаемых на установках небольшого масштаба(моделях) на реальные объекты. При физическом моделировании природа модели и исследуемого объекта одинаковы. Физическое моделирование и теория подобия нашли широкое применение в химической технологии при исследовании тепловых и диффузионных процессов. Применение теории подобия для химических процессов и реакторов оказалось ограниченным из-за несовместимости условия подобия для физических и химических составляющих процесса в реакторах разного масштаба. То есть вклад химических и физических составляющих реакционного процесса, их взаимовлияние и влияние на результаты процесса в целом зависит от масштаба. Трудности масштабного перехода объекта к модели для реакционных процессов удается преодолеть, используя математическое моделирование, в котором модель и объект имеют разную физическую природу, но одинаковые свойства. Математические модели подразделяют на реальные, представленные неким физическим устройством, и знаковые, представленные математическими уравнениями. Обычно математическую модель отождествляют с уравнениями, описывающими объект, а исследование свойств этих уравнений называют математическим моделированием. Универсальной реальной математической моделью является ЭВМ. По уравнения, описывающим объект ЭВМ программируют, и ее «поведение» будет описываться этими уравнениями. 36.Математичекое моделирование химических процессов и реакторов. В общем виде математическое моделирование можно представить в виде схемы: Химические явления Промыш-ленный реактор Интерпретация Изучение модели синтез Физические явления взаимодействия анализ объект Наиболее существенный элемент в модели: Анализ-выявление влияния физических и химических составляющих на реакционный процесс и их взаимодействие. Следующий этап-определение термодинамических и кинетических закономерностей для химических превращений (химические явления), параметров явлений переноса (физические явления) и их взаимодействий. Для этого используют эксперимент. Результаты анализа процесса и исследования его составляющих позволяет построить математическую модель процесса(синтез)-уравнения, описывающие его. Исследование модели направлено на изучение её свойств, при этом проводят вычислительный эксперимент. Полученные свойства модели интерпретируют как свойства изучаемого объекта, в данном случае химического реактора. Для сложного объекта процесса используют специальный подход к построению модели, заключающийся в его разделении (декомпозиции) на ряд более простых операций, различающихся масштабом. Выделение составляющих сложного процесса (декомпозиция) должна отвечать условно инвариантности выделенных составляющих к масштабу, влияние которого учитывают в параметрах полученных уравнений математической модели и граничных условиях.
Иерархическая структура математической модели процесса в химическом реакторе. Химическая реакция, состоящая из элементарных стадий протекает в молекулярном масштабе. Ее свойства, например скорость, не зависят от масштаба реактора, то есть скорость реакции зависит только от условий ее протекания независимо от того, как или где они созданы. Результатом исследования на этом уровне является кинетическая модель химической реакции - зависимость скорости реакции от условий. Следующий масштабный уровень - химический процесс - это совокупность химической реакции и явлений переноса - диффузии и теплопроводности. На этой стадии кинетическая модель реакции является одной из составляющих процесса. Объем, в котором рассматривают химический процесс, выбирают так, чтобы закономерности процесса не зависили от размера реактора. Например, это может быть зерно катализатора. Полученная модель химического процесса как одна из составляющих элементов, в свою очередь, входит в следующий масштабный уровень - реакционную зону, в которую также входят и структурные закономерности потока, и явления переноса в ее масштабе. В масштабе реактора входят как составляющие реакционная зона, узлы смешения, теплообмена и др. Таким образом, математическая модель процесса в реакторе представлена системой математических моделей разного масштаба. Иерархическая структура математической модели процесса в реакторе позволяет: 1. полностью описать свойства процесса путем детального исследования основных процессов разного масштаба; 2. проводить изучение сложного процесса по частям, применяя к каждой из них специфические, прецизионные методы исследования, что повышает точность и надежность результатов; 3. установить связи между отдельными частями и выяснить их роль в работе реактора в целом; 4. облегчать изучение процесса на более высоких уровнях; 5. решать задачи масштабного перехода. |