Инженерная химия (1-21 вопрос). Дисциплина Инженерная химия

• Название: Дисциплина Инженерная химия
• Анкор: Инженерная химия (1-21 вопрос).docx
• Дата: 09.03.2018
• Размер: 0.86 Mb.
• Имя файла: Инженерная химия (1-21 вопрос).docx
• Тип: Исследование; #16463
• страница: 2 из 9

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

n_io – число молей i-го реагента, входящего в элемент ХТС;

n_i - 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 Х_i 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.


Gi

Gio




Элемент ХТС


, %, доли.

Выделение продукта часто бывает многостадийным.

Для последовательно соединенных элементов ХТС:



Ф_m,1 Ф_m,2 Ф_m,3 Ф_m,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; Mr_i, Mr_j – 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; x_i - степень превращенияi-го реагента;  - селективность процесса; i_i - 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.


3. Принципы составления материальных и тепловых балансов химических реакций.

В основе расчета любого процесса лежит уравнение материального баланса.

Уравнение материального баланса базируется на законе сохранения массы вещества.



I II III

I – сумма всех входящих материальных потоков в элемент ХТС;

II – сумма всех выходящих материальных потоков из элемента ХТС;

III – суммарные материальные потери в элементе ХТС.

Различают теоретический и практический материальные балансы.

Теорерический материальный баланс составляется на заданную производительность с учетом только стехиометрии реакции.

А+В=С+Д

G_A+G_B=G_C+G_Д

Практический материальный баланс рассчитывают на основе теоретического материального баланса с учетом степени превращения, селективности, выхода, соотношения исходных реагентов, степени чистоты сырья, количество растворителя или инертного газа.

Уравнения практического материального баланса:

1.



2.



3.



4.



5. (консекутивная схема)





Отклонения практического от теоретического баланса обусловлены тремя основными факторами:

1. 
   Термодинамический (реакции не идут до конца вследствие их обратимости);
   
2. 
   Кинетический (реакции идут не до конца из-за падения скорости);
   
3. 
   Механизмы реакции (обуславливает образование побочных продуктов и как следствие снижает селективность реакции).
   

Материальный баланс может быть записан в виде уравнения, таблицы или диаграммы.

Тепловой баланс составляется с целью определения теплового режима работы реактора.

Реактор может работать в следующих тепловых режимах:

1. 
   Изотермический (температура на входе в реактор и на выходе одинакова);
   
2. 
   Адиабатический (отсутствует теплообмен с окружающей средой);
   
3. 
   Смешанный или политропный тепловой режим.
   

В основе теплового баланса лежит закон сохранения энергии, согласно которому

åQ_прих. = åQ_расх. +åQ_пот

åQ_прих – характеризует сумму всех входящих тепловых потоков;

åQ_расх – сумма всех выходящих тепловых потоков;

±åQ_пот – суммарные тепловые потери.

Для изотермического режима уравнение теплового баланса:

Q_реаг ± Q_r. ± Q_ф ± Q_F = Q_прод,+ Q_нагр. + Q_пот.

где Q_реаг – количество тепла, поступающего с исходными реагентами;

Q_r – тепло химических реакций;

Q_ф – тепло фазовых переходов;

Q_нагр – количество тепла, необходимое для нагрева сырья до температуры реакции.

Q_пот не должно превышать 5%.

В отличие от материального баланса, тепловой баланс не всегда сходится.

Приход тепла:

Q_реаг – тепло, входящее в реактор с исходными реагентами;

Q_реаг=∑ Q_i

Q_{реаг, i} = G_i×Cp_i×T_i

где G_i – мольный поток i-го реагента;

Cp_i – теплоемкость i-го реагента, (Дж·моль)/К;

- тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате химических превращений:

G_i(j)

где - тепловой эффект химической реакции, (Дж·моль)/К;

G_i(j) – мольный поток i-го реагента, участвующего в реакции (или полученного j-го продукта реакции);

- тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате фазовых превращений (испарение, конденсация, кристаллизация, плавление, возгонка, растворение):

G_i(j)ф

где G_i(j)ф – мольный поток i-го реагента (j-го продукта), претерпевающегося фазовый переход;

- энтальпия фазового перехода, кДж/моль (справочная величина).

Расход тепла:

Q_прод – тепло, выходящее из реактора с продуктами реакции;

Q_прод Q_{прод, j}

Q_{прод, j} = G_j×Cp_j×T_j

где G_j – мольный поток j-го продукта реакции;

Cp_j – теплоемкость j-го продукта реакции, Дж/(моль·К);

T_j – температура j-го продукта реакции, К.

Q_нагр – количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры реакции:

Q_нагр,i = ∑[G_i×Cp_i× (T_i,r – T_i)]

где G_i – мольный поток i - реагента, подвергаемый нагреву;

Cp_i – теплоемкость i- реагента, Дж/(моль·К);

T_i – температура i- реагента на входе в реактор;

T_i,r – температура i- реагента на выходе из реактора.

Q_пот – тепловые потери (1 – 5% от прихода тепла);

Q_пот = (0,01– 0,05)∙Q_{прих ,}

±Q_F – количество тепла, отводимое (подводимое) от реактора при помощи теплоносителя (хладоагента). Тепловая нагрузка на реактор.

Исходя из тепловой нагрузки на реактор, рассчитывают необходимую поверхность теплообмена F.

Q_F рассчитывают по уравнению:

±Q_F = Q_расх. - Q_прих

, м² ,

где К_t – коэффициент теплопередачи; ∆Т – движущая сила теплопередачи (разность между температурой реакции и температурой теплоносителя).

После нахождения поверхности теплообмена F осуществляют ее анализ, сравнивая с поверхностью теплообмена, имеющемся у реактора.

Fr (поверхность реактора) – справочная величина;

F>F_r – интенсифицируют процесс теплообмена (изменяют К и ∆T) или вводят дополнительные теплообменные устройства.

F≈F_r – неустойчивый тепловой режим, но интенсифицировать его проще.

Тепловой баланс записывается в виде уравнения, диаграммы или таблицы.


4. Эмпирические методы расчета тепловых эффектов.

1. Эмпирический метод расчета газообразных веществ (при 25^оС) по Коновалову:

;ккал/моль;

– теплота сгорания органических соединений до CO₂ и H₂O,

48,8 – коэффициент, выражающий теплоту полного сгорания в расчетах на 1 г атома кислорода;

10,6 – коэффициент, учитывающий теплоту конденсации;

m – число атомов кислорода, необходимое для полного сгорания вещества;

n – число молей воды, которое образуется в результате сгорания;

- поправочная величина для всех предельных органических соединений =0; для не предельных . Значение постоянно для всего гомологического ряда и растет с повышением не предельности. , _.
2. Расчет для жидких веществ (Т=25⁰)по Карашу:

, ккал/моль

С – число атомов углерода в соединении;

Н – число атомов водорода в соединении;

Р – число частично смещенных электронов в соединении;

- число одноименных заместителей;

- соответствующее данному заместителю тепловая поправка.
3.Расчет по энергии связи:

;

ε_i, ε_j – энергия связи;

n – число твердых атомов в исходном веществе;

Qвозг – тепловая возгонка для данного элемента.

4. Эмпирический метод расчета теплоемкости:

; Дж/моль*К

n_i – число атомов;

С_i – атомная теплоемкость.