МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В. Г. Агаев
О.П. Дерюгина
ТЕОРИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
Учебное пособие
Тюмень
ТюмГНГУ
2012
УДК 66.091(075.8)
ББК 35.61я73
Р
профессор, доктор химических наук А.Н. Нестеров
профессор, доктор химических наук А.В. Гунцов
Агаев В. Г., Дерюгина О.П.
Теория химико-технологических процессов органического синтеза: учебное пособие / В. Г. Агаев, О.П. Дерюгина. – Тюмень: издательский центр БИК ТюмГНГУ, 2012. – 96 с.
ISBN
Основу настоящего учебного пособия составляет материал лекций по курсу «Теория химико-технологических процессов органического синтеза».
Пособие предназначено для студентов направления: 240400.65 «Химическая технология органических веществ и топлива». При двухуровневой системе обучения пособие рекомендуется для бакалавров по направлению 240100.62 «Химическая технология» и для магистрантов по направлению 240100.68 «Химическая технология».
УДК 66.091(075.8)
ББК 35.61я73
ISBN
|
© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012 |
1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА 5
2. БЕЗРАЗМЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА 8
3. КОНЦЕНТРАЦИЯ, ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ И МОЛЬНЫЕ ДОЛИ 10
4. СКОРОСТЬ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ, СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ И КИНЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ 12
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ 16
6. ИДЕАЛЬНЫЙ ПЕРИОДИЧЕСКИЙ РЕАКТОР (РПС) И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ 17
7. РЕАКТОР ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (РИВ) И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ 19
8. РЕАКТОР ПОЛНОГО ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ (РПС) И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ 23
9. ГИПОТЕЗА О СХЕМЕ ПРЕВРАЩЕНИЙ И СПОСОБЫ ЕЁ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ 26
10. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ РЕАКЦИЙ 29
11. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЙ 35
12. ОСНОВЫ КИНЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 41
13. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ ОПЫТОВ ПО УРАВНЕНИЯМ С ОДНИМ НЕИЗВЕСТЫМ ПАРАМЕТРОМ 46
13.1. Необратимые простые реакции в периодических условиях. 46
13.2. Необратимые простые реакции в условиях идеального вытеснения. 50
13.3 Обратимые реакции в интегральных условиях. 53
14. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПРОСТЫХ И ОБРАТИМЫХ РЕАКЦИЙ 57
15. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ 59
15.1. Параллельные необратимые реакции одинакового порядка 60
15.2. Метод конкурирующих реакций 61
16. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ 63
17. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 66
18. УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РЕАКТОРОВ И ИХ СОЧЕТАНИЙ 67
18.1. Реакторы ИПР 69
18.2. Непрерывно-действующие реакторы 70
18.3. Реакторы идеального вытеснения 71
18.4.Реакторы полного смешения 72
18.5. Секционированные реакторы и каскады реакторов 73
18.6. Сочетания реакторов 77
19. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ 80
19.1.Последовательные необратимые реакции: 80
19.2. Последовательно-параллельные реакции 82
20. ВЛИЯНИЕ ТИПА РЕАКТОРОВ И СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ РЕАГЕНТОВ НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА 84
21. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА 87
ВВЕДЕНИЕ
Основу настоящего учебного пособия составляет материал лекций по курсу « Теория химико-технологических процессов органического синтеза» для студентов специальности «Химическая технология органических веществ»
Предусмотренный программой курса материал базируется на знаниях и навыках полученных студентами при изучении таких дисциплин как «Органическая химия», «Физическая химия», «Процессы и аппараты химической технологии», «Общая химическая технология».
Основной целью изучения дисциплины является формирование современных представлений о закономерностях основных технологических процессов органического синтеза, необходимых для изучения специальных дисциплин и дальнейшей практической деятельности.
В результате освоения данной дисциплины студент должен:
Знать: механизмы основных классов органических реакций и их общие кинематические закономерности; методы построения кинематических моделей органических реакций на основе их предполагаемого механизма.
Владеть: методами проведения кинематического исследования и построения кинематических моделей органических реакций по экспериментальным данным; современными методами поиска и обработки научно-технической патентной и справочной информации.
В настоящем учебном пособии рассмотрены основные представления о химической кинетике, даны определения. Рассмотрены безразмерные характеристики материального баланса. Приводится методика кинематических исследований и схемы экспериментальных установок.
Также представлены интегральный и дифференциальный методы обработки экспериментальных данных.
В учебном пособии имеются примеры расчетного характера. Приводится глава, в которой уделено внимание оптимизации условий проведения химического процесса.
При двухуровневой системе обучения пособие рекомендуется для бакалавров по направлению 240100.62 «Химическая технология» и для магистрантов по направлению 240200.68 «Химическая технология»
Авторы выражают признательность рецензентам Нестерову Анатолию Николаевичу и Гунцову Александру Владимировичу за ценные советы при подготовке настоящего пособия.
1. Материальный баланс химических реакций и его характеристика
Раздел химии о соотношениях реагентов в химических реакциях называется стехиометрией.
1.1. Простые реакции. С точки зрения стехиометрии все химические реакции бывают простыми и сложными. Простые реакции – это необратимые реакции, в которых не образуются другие стабильные продукты, кроме записанных в уравнении реакции. Возьмем для примера химическую реакцию в общем виде:
;
A, Y, B, и Z – участники реакции
A, Y, B и Z – стехиометрические коэффициенты перед участниками реакции
Для
простой реакции справедливы следующие
соотношения:
(1-1)
;
ni и ni,0 - это количество вещества в молях или киломолях в данный момент реакции и в исходной смеси (начальный момент);
Fi и Fi,0 - это мольные потоки (расход вещества), аналогично в данный момент реакции и в исходной смеси;
n - это для периодических процессов
F - для непрерывных процессов;
Fi можно выразить через ni и :
;
В уравнении (1-1) стехиометрические коэффициенты расходуемых веществ берутся со знаком «–», а для образующихся веществ со знаком «+». Величины n и F всегда положительные и их называют полнотой реакции.
Из уравнения (1-1) можно получить уравнение материального баланса простых реакций:
;
(1-2)
;
В реакциях различают исходные реагенты и продукты. Среди исходных продуктов один обычно основной. Его называют субстратом (A – субстрат). Из продуктов реакций один является целевым (B – целевой). Остальные называют побочными продуктами.
1.2. Сложные реакции. Для сложных реакций определяется число стехиометрически независимых реакций. Уравнения, которые нельзя получить комбинацией уравнений других реакций, ни сложением, вычитанием, умножением стехиометрических коэффициентов на постоянные множители являются независимыми реакциями. Обычно это делают последовательным исключением стехиометрически зависимых реакций. Одновременно с независимыми реакциями определяют равное ему число так называемых ключевых веществ. Они характеризуют материальный баланс системы. В простых реакциях ключевое вещество только одно. В сложных реакциях выбор независимых реакций и ключевых веществ взаимосвязан и определяется тем, чтобы в каждой независимой реакции участвовало хотя бы одно ключевое вещество и в то же время выбранные ключевые вещества участвовали бы только в одной или некотором минимуме независимых реакций. Для каждой из независимых реакций по аналогии с уравнением (1-1) можно записать уравнение полноты реакции:
(1-3)
;
i – относится к веществу;
j – относится к реакции;
Учитывая, что каждое вещество может участвовать в нескольких реакциях, можно записать, что расход вещества ni равен сумме расходов этого вещества во всех реакциях где оно имеется.
ni=ni,j (1) с учетом уравнения (1) можно получить:
n
(1-3a)
Fi=Fi,0+i,jFj;
Зная начальные условия ni,0 или Fi,0 и ni; Fi для ключевых веществ можно по уравнениям (1-3) рассчитать полноту реакции nj и Fj, а затем полный состав реакционной массы.
Материальные расчеты удобно проводить по независимым суммарным реакциям образования ключевых веществ из исходных реагентов. Например, при алкилировании бензола этиленом протекают следующие реакции:
С6Н6 + С2Н4 С6Н5С2Н5
С6Н5С2Н5 + С2Н4 С6Н4(С2Н5)2
С6Н6 + С6Н4(С2Н5)2 2С6Н5С2Н5.
Из четырех простых реакций две являются независимыми:
С6Н6 + С2Н4 С6Н5С2Н5
С6Н6 + 2С2Н4 С6Н4(С2Н5)2 (получена сложением первой и второй реакций).
Ключевых веществ так же два - этилбензол и диэтилбензол.