1 Вопрос

Химико-технологический процесс как система

ХТП – совокупность физических и химических операций, в результате которых либо утилизируют отходы, либо обезвреживают.

ХТП – сложная система, взаимодействующая с ОС. При разработке ХТП необходимо руководствоваться следующими основными принципами:

1. Системность.

Необходимо увязать (согласовать) разработку ХТП с экологическими вопросами защиты ОС (уровень антропогенной нагрузки, экономический ущерб и т. д.), а также связать с социальными вопросами (влияние на качество жизни, здоровье и т. д.).

2. Комплексная переработка отходов с получением индивидуальных товарных продуктов с последующей их реализацией.

3. Рациональное использование энергии (тепло химических реакций, фазовых превращений; физическое тепло, аккумулированное в отходе; тепло отходящих газов, жидкостей и твердых потоков).

4. Принцип цикличности – создание замкнутых систем водопользования, замкнутых систем газо- и воздухооборота.

Химико-технологическая система (ХТС) ‑ совокупность аппаратов, машин и других устройств (элементов) и материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья)  в продукты.

Состав и структура химико-технологической системы Представляя химическое производство химико-технологической системой, выделяют две подсистемы: функциональную и масштабную. Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функции производства и его работу в целом. В них входят: технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты химико-технологического процесса; энергетическая подсистема – часть производства служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии (силовая, тепловая, электрическая) – может быть представлена соответствующая подсистема; подсистема управления – часть производства для получения информации по его работе и для управления процессом. Обычно это АСУТП. Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части ХТП. Их можно представить в виде иерархической последовательности. В структуре ХТС минимальный элемент – отдельный аппарат: реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и т.д. Это низший масштабный уровень 1. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое – то преобразование потоков являются элементами подсистемы второго масштабного уровня (реакционный узел). Совокупность подсистем второго масштабного уровня, как элементы образуют подсистему третьего масштабного уровня (отделения или участки производства) Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом – 4 – уровень.

13 Вопрос

Модели гетерогенного процесса в системе газ-твёрдое. Основные стадии в рамках модели с фронтальным перемещением зоны реакции.

Гетерогенные процессы – процессы, в которых участвуют вещества в различных фазах. Между фазами существует граница раздела фаз.

Глубина протекания гетерогенных процессов оценивается по изменению твердого вещества.

Два варианта:

1) размеры твердой частицы уменьшаются;

2) размеры остаются постоянными

Для описания гетерогенных процессов разработан ряд кинетических моделей. Наиболее распространены 2 модели:

1) модель квазигомогенная (гетерогенный процесс протекает одновременно в любой точке объема твердой частицы).

2) модель с фронтальным перемещением зоны реакции (модель с невзаимодействующим ядром).

Допущения:

- реакция начинается на внешней поверхности частицы и после ее завершения в реакцию вступают глубинные слои;

- с течением времени зона реакции продвигается вглубь частицы;

- за зоной реакции остается твердый продукт.

В произвольный момент времени твердая частица представляет собой внутреннее ядро, окруженное внешней оболочкой. Ядро состоит из непрореагировавшего реагента, поэтому эту модель называют моделью с непрореагировавшим ядром.

На примере гетерогенной реакции:

aA+bB→rR+sS

газ+тв в-во→газ+ тв в-во

Профиль изменения концентрации газообразного реагента при взаимодействии с твердой частицей.

1-пограничная газовая пленка с концентрацией реагента А ниже, чем в газовом потоке; 2-слой твердых продуктов реакции (слой золы); 3-ядро непрореагировавшего реагента В.

Рассмотрим стадии гетерогенного процесса, которые описываются моделью с фронтальным перемещением зоны реакции.

I) внешняя диффузия – подвод реагента А к пов-ти твердой частицы через слой газа, обедненный этим компонентом.

Происходит в пограничном слое.

В результате протекания реакции aA+bB→продукты

концентрация газообразного реагента А у пов-ти твердой частицы ниже, чем в ядре газового потока. Пусть δ – толщина поверхностной газовой пленки. За ее пределами концентрация газообразного реагента постоянна и равна С_A,g , а внутри пленки С_А уменьшается от С_A,g до концентрации на поверхности твердой частицы С_A,s.

Вещество А переносится из ядра газового потока к пов-ти частицы за счет молекулярной диффузии (в результате хаотического движения молекул, не связанного с движением потоков жидкости) и вследствие конвективного переноса (движения с газовой средой в направлении, совпадающем с направлением потока).

Уравнение Щукарева:

w_lA= -(1/F)*(dn_A/dτ)=β(C_Ag-C_As) – скорость конвективной диффузии, т.е количество газообразного А перенесенного вследствие конвективной диффузии через единицу пов-ти в единицу времени.

β – коэффициент массоотдачи, зависящий от гидродинамики потока, β=D/δ1

D – коэф-т молекулярной диффузии

δ1-диффузионный подслой

Повысить скорость внешней диффузии можно, увеличивая движущую силу, которая равна C_Ag-C_As, либо коэффициент массоотдачи.

II) внутренняя диффузия – проникновение газообразного реагента через поры твердого продукта реакции к поверхности ядра, на которой осуществляется химическое взаимодействие.

Закон Фика выражает скорость внутренней диффузии:

w_dA= -(1/F)*(dn_A/dτ)=D_эф*(dC_A/dr)

D_эф – эффективный коэф-т диффузии, учитывающий пористость твердого вещества.

Так как слой твердых продуктов реакции представляет собой определенное сопротивление переносу реагента А из пограничной газовой пленки к пов-ти ядра, то концентрация этого реагента по мере движения к поверхности ядра будет уменьшаться от С_A,s на внешней поверхности твердой частицы до С_А,с на поверхности ядра.

Если толщина слоя золы невелика, то:

dC_A/dr=∆C_A/∆r=(C_A,s – C_A,c)/(R-r)

Тогда скорость внутренней диффузии:

w_dA= (D_эф/∆r)*(C_A,s-C_A,c)=β’(C_A,s-C_A,c)

β’=D_эф/∆r

Измельчение твердых частиц продукта – основной путь интенсификации внутренней диффузии.

III) Химическая реакция на поверхности ядра

w_rA=k_S*Cⁿ_A,с

k_S – константа скорости поверхностной химической реакции.

Если химическая реакция необратима, концентрация газообразного реагента на пов-ти ядра уменьшится от C_A,c, достигнутой после стадии внутренней диффузии, до нуля (до полного расходования).

Скорость химической стадии может быть увеличена либо вследствие возрастания концентрации газообразного реагента C_A,c, либо вследствие роста константы скорости k_S.

Основной путь интенсификации гетерогенного процесса, протекающего в кинетической области, - повышение температуры.

w_rA<<w_dA – кинетическая область

w_dA<<w_rA - диффузионная область

Возможны ситуации, когда сопротивление одной из стадий существенно превышает сопротивление других стадий. Такая стадия называется лимитирующей.

Особенности лимитирующей стадии.

1) обладает максимальным сопротивлением и минимальным коэффициентом интенсивности;

2) скорость всего процесса равна скорости лимитирующей стадии;

3) лимитирующая стадия имеет максимальное изменение концентрации реагента.

Профиль изменения концентрации газообразного реагента при лимитировании гетерогенного процесса внешней (а), внутренней (б), диффузиями и химической реакцией (в).