Контрольные вопросы

1. Дайте определение гомогенного катализа. Что такое кислотно-основ-ной катализ? Каков механизм его протекания? Приведите примеры.

2. Дайте определение кислотам и основаниям по Аррениусу, Льюису, Бренстеду.

3. Приведите примеры кислот и оснований Льюиса.

4. Объясните механизм специфического кислотного катализа.

5. Объясните особенности специфического основного катализа.

6. Объясните особенности общего кислотного катализа.

7. Объясните механизм общего основного катализа. Дайте примеры.

8. Объясните особенности электронного катализа. Приведите примеры реакций.

9. Расскажите о кинетике кислотно-основного катализа.

10. Объясните механизм металлокомплексного катализа. Что такое кластеры? Примеры катализаторов и реакций.

11. Объясните особенности ферментативного катализа. Дайте опреде­ление понятию «фермент».

12. Какие виды специфичности присущи ферментам?

13. Приведите примеры ферментов.

14. Приведите примеры синтезов с использованием ферментов.

Глава 8 химические реакторы

8.1. Принципы классификации химических реакторов

В основу классификации химических реакторов положены три прин­ципа: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.

8.1.1. По организационно-технической структуре операций реакто­ры делят на реакторы периодического и непрерывного дей­ствия.

Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периоди­ческого действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температуры, давления и т.д.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне (рис. 8.1).

с_А, Т, р

с_А,0

с_А

с_А, Т, р

Рис. 8.1. Режим работы реактора периодического действия: с_А,0, с_А, – концентрации реагента А начальная и в момент ; Т, р – температура и давление в реакторе

Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во вре­ме­ни и не требует корректировки параметров процесса (рис. 8.2).

с_А,, Т, р

с_А,0 с_А,

Т

р

Рис. 8.2. Режим работы реактора непрерывного действия

В общем виде производительность реактора рассчитывают по формуле

П = , (8.1)

где т – масса продукта, полученного за время цикла работы реактора;

– время химического процесса, загрузки компонентов и выгрузки продуктов, соответственно.

Так как в непрерывном процессе , то производительность ре­акторов непрерывного действия выше чем реакторов периодического дейст­вия при прочих равных условиях.

Реакторы классифицируют также по температурному режиму и степени перемешивания. По температуре процесса их делят на высокотем­пера­турные и низкотемпературные, по давлению – на реакторы, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлении. По типу процесса различают гомогенные и гетерогенные реакторы.

8.1.2. По температурному режиму реакторы и проводимые в них процессы разделяют на адиабатические, изотермические и политермические.

Адиабатические реакторы с хорошей теплоизоляцией при спокойном (без перемешивания) тече­нии потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой. При этом все тепло экзотермической реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Температурный режим в лю­­­бой точке по фронту реактора описывается уравнением:

T_k =Т_н х, (8.2)

где: T_k , T_н – конечная и начальная температуры системы; Q_p^/ – тепловой эффект процесса при полном переходе основного ком­по­нента из одного состояния в другое; G – масса реакционной смеси; с – средняя теплоемкость смеси в интервале температур Т_н–Т_к; х – степень превращения.

Если обозначить Q_p^/ как Q_p^/ / G c = , то уравнение (8.2) становится линейным и его можно записать следующим образом:

Т_к = Т_н ( ). (8.3)

Знак «+» соответствует экзотермической реакции, знак «–» – эндотер­мической. представляет собой тангенс угла наклона графика зависимости температуры от степени превращения сырья, изображенного на рисунке 8.3.

Т Т

tg Т_н

Т_к

Т_к

x_p x_p

Т_н

х х

а) б)

Рис.8.3. Изменение температурного режима по фронту адиабатического реактора: а) – экзотермическая реакция; б) – эндотермическая реакция

По времени контакта реагентов, которое пропорционально габаритам реактора H(L): = H/ w, степень превращения и температура в адиабати­ческом реакторе изменяются также по сложным кривым (рис. 8.4, 8.5).

Х,Т Т

1

Х_р

T_k 2

Т_н

0 Н(L) 0 H,

Рис. 8.4. Изменение степени превращения Х и температуры Т по высоте Н (длине L) адиабатического реактора

Рис. 8.5. Температурная характеристика изотермического (1) и политермического реакторов (2)

Изотермические реакторы имеют постоянную температуру во всех точ­­ках реакционного объема, т.е. Т_к = Т_ср во времени и в пространстве в соот-ветствии с графиком 1 (см. рис. 8.5). Изотермический режим более выгоден для производства и облегчает автоматизацию технологического процесса в реак­торе по сравнению с адиабатическим.

Изотермический режим может быть достигнут в реакторах с мешалкой или в кипящем слое. В таких реакторах гидродинамический режим обеспечи­вает приближение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. При этом температура в экзотермических реакто-рах повышается, а в эндотермических понижается до конечной сразу после по­ступления исходных веществ в реакционное пространство. Можно прибли­зиться к изотермическому режиму путем подвода тепла для компенсации эндотермического эффекта или отвода тепла в экзотермическом процессе.

Политермические реакторы характеризуются частичной компенсацией тепла реакции путем отвода (подвода) теплоты. К политермическим относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и со встроенными внутрь реакционного объема теплообменниками (например трубча­тые контактные аппараты). Температура по высоте (длине) реактора изменя­ется по характерной кривой (см. рис. 8.5).