- •1. Основные понятия
- •Модуль 2
- •Примеры расчетов с использованием стехиометрии химических процессов
- •Примеры термодинамических расчетов ХТП
- •Практические индивидуальные задания
- •4. Закономерности протекания гетерогенных технологических процессов
- •4.1. Основные понятия. Стадии гетерогенного процесса
- •4.2. Кинетические модели гетерогенных процессов
- •Модуль 3
- •1. Общие представления о химическом агрегате и реакторе.
- •Модели реакторов
- •Примеры технологических расчетов химических реакторов
- •Nq = 2 • 1,6 • 349 • 0,55 • 24 = 14745,6 (моль/сут) = 14,75 (кмоль/сут).
- •Индивидуальные практические задания
- •3. Анализ химико-технологической системы
- •4. Создание химического производства как химико-технологической системы
- •4.1. Основные задачи синтеза химико-технологической системы
- •4.2. Принципы создания химического производства
- •Индивидуальные практические задания
- •Модуль 5.
- •1.3. Получение спиртов
- •2.1с Технология производства серной кислоты
- •2.2. Технологические модели синтеза аммиака
- •2.4. Получение фосфорной кислоты и фосфорных удобрений
- •Индивидуальные практические задания
- •Модуль 6
- •1. Технологические процессы переработки отходов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств
- •1.2. Основные методы н технологии утилизации
- •2. Технологические процессы переработки отходов основного неорганического синтеза
- •2.1. Технологические процессы переработки отходов сернокислотного производства
- •2.2. Технологические процессы переработки отходов производства фосфорной кислоты
Модуль 2
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
1. Использование стехиометрии химических реакций в ХТП
Стехиометрические уравнения. Вещества вступают в химиче ское взаимодействие в определенных соотношениях, которые выра жаются стехиометрическим уравнением реакции.
Общий вид стехиометрического уравнения:
VaA + vBB + ... =vcC + vDD+ |
(2.1) |
где А, В - исходные вещества; С, D - продукты реакции; vA, vB, vc, vDстехиометрические коэффициенты.
В стехиометрическом уравнении соблюдается баланс по химиче ским элементам в соответствии с законом сохранения массы: количе ства каждого из них во всех исходных веществах и в продуктах реак ции равны между собой. Поэтому стехиометрические уравнения можно рассматривать как алгебраические и представить в виде
ZV|A*= 0, |
(2.2) |
где А/ —наименование веществ; V, - стехиометрический коэффициент /-го вещества. В формуле (2.2) v,< 0 для исходных веществ, которые расходуются; v, > 0 для продуктов реакции.
Из стехиометрического уравнения следует:
(N\0 - Nx)/ vi = (N20 - N2)/ v2= = CNi0 - Ni)/ v, = const, |
(2.3) |
где N\0, N20, Ni0 - начальные количества исходных веществ (моль); N\, N2, ..., Ni - количество вещества после превращения (моль); vb v2,
..., V/ - соответствующие стехиометрические коэффициенты.
На основе стехиометрических уравнений определяют состав про дуктов реакции, рассчитывают материальный баланс процесса.
Простые и сложные реакции.
Простая реакция описывается одним стехиометрическим урав нением, слоэюная реакция - несколькими.
Пример простой (одностадийной) реакции: Н2 + С12 <-> 2 НС1.
Примеры сложных реакций:
а) последовательная реакция: А —►В —►С
С -ь 0,5О2 <—►COj СО 0,5О2 +—►С 02; б) параллельная реакция: А—►В
А—►С
СН4 + 1/2 0 2 <-> СНзОН; СН4 + 202 <->С02 + 2Н20.
Базисные стехиометрические уравнения. Число уравнений, ис пользуемое при расчетах, должно выражаться числом независимых базисных уравнений - уравнений, которые нельзя получить комби нацией других. При этом соблюдается поэлементный баланс.
Для обменных реакций число базисных уравнений можно опре делить по формуле
У = В - ( Э - 1 ) = В - Э+1, |
(2.4) |
где У - число базисных уравнений; В - число веществ; Э - |
число |
элементов. |
|
В окислительно-восстановительных реакциях соблюдается не только поэлементный баланс, но и баланс по электронам (как измене ние степени окисления элементов, участвующих в реакции). В этом случае к поэлементному балансу надо добавить баланс зарядов.
Для окислительно-восстановительных реакций |
|
У = В - Э . |
(2.5) |
Пример. Определить число базисных уравнений при окислении |
|
аммиака. Окисление аммиака описывается уравнениями: |
|
4NH3+ 502 <-* 4NO + 6Н20; |
(2.6) |
4NH3 + 302 <->2N2 + 6Н20; |
(2.7) |
2NO <->N2 + 0 2. |
(2.8) |
Число веществ - 5, число элементов - 3 (N, Н, О), реакция окис лительно-восстановительная. Число базисных уравнений рассчитаем по формуле (2.5):
У = В - Э = 5 - 3 = 2.
Процесс окисления аммиака можно представить в алгебраиче ском виде:
—4NH3 - 502 + 4NO + 6Н2О = 0 |
(-0,5) |
-4NH3 - 302 + 2N2 + 6Н20 = 0 |
(+0,5) |
Умножим уравнение (2.6) на (-0,5) и (2.7) на (+0,5) и после сум мирования и преобразований получим
+ 2NH3 + 2,502 - 2NO - ЗН20 = 0 - 2NH3 - 1,502 + N2 + ЗН20 = 0
0 2 - 2NO + N2 =0
или
2NO = N2 + 0 2.
Таким образом, уравнение (2.8) можно получить комбинацией уравнений (2.6) и (2.7).
Вывод: для расчета достаточно двух уравнений.
Степень превращения (х,) характеризует долю прореагировав шего исходного вещества:
(2.9)
ЛК
Используя (2.3) и (2.9), можно определить количество любого вещества 7V, в реагирующей смеси:
N ^ N ° - ^ N ° A -Xa... |
(2.10) |
V A |
|
Степень превращения может быть определена для любого исход |
|
ного реагента, например хв = (N° ~NB) / JV°. |
Из уравнения (2.3) |
и определений для хАи хв получим |
|
*ЛУВ*А |
(2.11) |
vA' < |
|
Если исходная реакционная смесь имеет неэквивалентный со став, то состав реакционной смеси необходимо выражать через сте пень превращения того вещества, которое находится в недостатке. Его называют ключевым компонентом.
Если компонент А участвует в нескольких реакциях, то уравне ние (2.10) примет вид
N , = N f ^ N l - x |
(2.12) |
V A |
|
где - степень превращения компонента А ву-й реакции.
Концентрации компонентов в реакционной смеси. Концентра цию компонента в реакционной смеси в технологических расчетах
выражают через мольные доли: |
|
С, = |
(2.13) |
|
ш , |
Общее количество реакционной смеси X/V, найдем суммировани ем выражений (2.10):
m , = N: - — N l - x A. |
(2.14) |
V A |
|
Величина Av - алгебраическая сумма числа молей в реакции. Используя уравнения (2.12) и (2.14), получим
С,° ~ — |
Сд • хА |
|
|
с. =-— |
v*--------- |
(2.15) |
|
1- |
Av |
с : - х А |
|