Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию ХТС и укажите ее свойства.

2. Что предполагает системный подход в рамках ХТС? Каковы его основные положения?

3. Что такое подсистема? Какие подсистемы в химико-технологичес-ком процессе присутствуют? Поясните на примере.

4. Какая система является основой ХТС?

5. Опишите подсистему подготовки сырья. Поясните на примере.

6. Опишите подсистему химического (физического) превращения. При-ведите пример.

7. Опишите подсистему выделения целевого продукта. Дайте пример.

8. Опишите подсистему обработки технического целевого продукта. Приведите пример.

9. Что такое материально-потоковый граф? Приведите пример.

10. Что такое матрица процессов?

11. Что такое матрица потоков?

12. Что такое матрица инцинденций?

13. Что такое матрица смежности?

14. Дайте определение понятию оператора в ХТС. Приведите примеры.

15. Что такое связь в ХТС? Какие бывают связи?

16. Какие типы схем имеются в ХТС? Дайте им определения.

17. Что такое технологическая схема? Дайте классификацию техноло­гических схем. Что на ней изображают?

18. Какие задачи решаются при синтезе ХТС?

19. Какие задачи предшествуют этапу оптимизации производства?

20. Какие показатели могут быть взяты в качестве критерия эффек­тивности химического производства и целевой функции?

21. Какой критерий оптимизации производства является наиболее рас­про­страненным?

Глава 5 общие закономерности химических процессов

5.1. Понятие о химическом процессе

Химико-технологическим процессом, как было показано ранее, назы­ва­ют сочетание связанных друг с другом и проводимых в определенной последо­вательности химических, физико-химических, физических и механичес­ких операций с целью получения конечного продукта. Собственно химический процесс – это вторая и главная подсистема ХТС. Эффективность его тре­бу­ет соблюдения некоторых условий, содержание которых определяется техно­ло­гическим режимом.

Технологический режим – это совокупность параметров, обеспечиваю­щих устойчивое и максимально эффективное проведение химического процесса.

Параметром технологического процесса называют величину, характеризующую один из показателей режима работы аппарата. Как прави­ло, параметр – это величина, позволяющая дать количественную оценку рабо­ты аппарата. Основными параметрами химического процесса являются температура, давление, соотношение реагентов, их расход в единицу времени, время контакта, объемная скорость подачи сырья, активность катализатора, коэффициент рециркуляции, сила тока, напряжение и т.д. Сочетание оптимальных параметров позволяет вести процесс с максимально возможными выходом и качеством целевого продукта с высокой скоростью и минимальной себестоимостью.

5.2. Классификация химических реакций

Как было уже указано, химический процесс составляет главную подси­стему – химическое превращение сырья. Химические реакции классифицируют по ряду признаков.

1. По фазовому состоянию реакционной системы. В зависимости от того, одну или неколько фаз образуют реагенты и продукты реакции химические реакции делят на гомофазные или гетерофазные. Гомофазными называют реакции, в которых исходные реагенты, стабильные промежуточные продукты и продукты реакции находятся в пределах одной фазы. Гетерофазными называют реакции, в которых исходные реагенты, стабильные промежуточные продукты и продукты реакции образуют более чем одну фазу.

2. По месту протекания реакции классифицируют на гетерогенные (протекают в объеме одной фазы) и гомогенные (протекают на поверхности раздела фаз).

Понятия «гомогенная» и «гетерогенная» реакции не совпадают с понятиями «гомофазный» и «гетерофазный» процессы. Гомогенность и гетероген-ность реакции отражает в определенной степени ее механизм: протекает ли реакция в объеме какой-то одной фазы или на поверхности раздела фаз. Гомофазность и гетерофазность процесса позволяют лишь судить о фазовом составе участников реакции. Например, протекающий в растворе процесс нейтрализации кислоты щелочью – это гомофазный гомогенный процесс. Каталитический синтез аммиака – это гомофазный гетерогенный процесс. Окисление углеводородов в жидкой фазе газообразным кислородом – это гетерофазный процесс, но протекающая химическая реакция является гомогенной. Наконец, реакция получения гашеной извести

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂, (5.1)

при которой все три участника процесса находятся в разных фазах, а реакция идет на границе раздела воды и оксида кальция, является гетерофазной гетерогенной реакцией.

3. По механизму осуществления различают простые (одностадийные) и сложные (многостадийные), в т.ч. параллельные, последовательные, параллельно-последовательные, обратимые, цепные, сопряженные реакции.

Простыми называют реакции, осуществление которых связано с преодолением только одного энергетического барьера (одна стадия).

Сложные реакции включают в себя ряд параллельных и/или последовательных стадий (простых реакций).

В реальных условиях одностадийные реакции встречаются очень редко. Однако некоторые сложные реакции, проходящие через ряд промежуточных стадий, удобно считать формально простыми. Это возможно тогда, когда промежуточные продукты реакции в условиях рассматриваемой задачи не обнаруживаются.

4. По обратимости реакции подразделяют на обратимые и необратимые.

5. По знаку теплового эффекта реакции делят на экзотермические, сопровождающиеся выделением теплоты (Q > 0) и уменьшением энтальпии реакционной системы ( Н < 0) и эндотермические, протекающие с поглощением теплоты (Q < 0) и увеличением энтальпии реакционной системы ( Н > 0).

6. По наличию катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.

7. По температуре проведения реакции классифицируют на низкотемпературные и высокотемпературные.

8. Классифицируя реакции по молекулярности, учитывают количество молекул, участвующих в элементарном акте реакции. Различают моно-, би- и тримолекулярные реакции.

9. По порядку реакции классифицируют по виду кинетического уравнения. Порядком реакции называют сумму показателей степени у концентраций регентов в кинетическом уравнении.

Графическое представление о технологической классификации химических реакций показано в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Признак классификации	Примеры химических реакций
Механизм и химизм реакции: – простая необратимая; – простая обратимая; – с неблагоприятным равновесием; – сложная необратимая; – параллельная предыдущей; – последовательная (консекутивная); – сложная обратимая.	2KClO3 =2KCl + 3O2; SO2 + 0,5O2 SO3; 3H2 + N2 2NH3; NH3 + 1,25O2 = NO + 1,5H2O; 2NH3 + 1,5O2 = N2 + 3H2O; С6Н5СН3 +О2 = С6Н5СН2ООН = = С6Н5СНО +Н2О; СО + Н2О СО2 + Н2; СО + 2Н2 СН3ОН.
2. Величина и знак теплового эффекта реакции: – сильноэкзотермическая; – слабоэкзотермическая; – сильноэндотермическая; – слабоэндотермическая.	SO2 + 1,5O2 SO3 + 297 кДж/моль; С6Н12 СН3(СН2)2СН=СН – СН3 + циклогексан 2-гексен + 59,9 кДж/моль; С6Н12 = С6Н6 + 3Н2 – 221 кДж/моль; ROH + R1COOH RCOOR1 + H2O – – 50 кДж/моль.
3. Кинетическая модель–порядок реак­ции – нулевой; – первый; – второй; – третий; – дробный.	Уравнение скорости реакции: – VA = k; – VA = kCA; – V = kCACB ; – V = kC2A ; – V = kC2B; – V = kC2ACB ; – V = k CACB2; – V = kCACD1,5.
4. Температура реакции: – высокотемпературная (более 500 оС); – среднетемпературная (160–500 оС); – низкотемпературная (менее 160 оС).	пиролиз углеводородного сырья; окисление парафинов; алкилирование изобутана олефинами.

В таблице обозначено: А, В – исходные реагенты; V – скорость реак­ции; k – константа скорости; С – концентрация.