1. Время пребывания исходных веществ в реакционной зоне.

На выход целевого продукта и интенсивность работы аппарата влияют не только температура, давление, концентрации исходных веществ, но и длительность пребывания этих веществ в зоне реакции. В аппаратах периодического действия время пребывания реагентов — это интервал времени между загрузкой и выгрузкой аппарата. В аппаратах непрерывного действия время пребывания исходных веществ в реакционной зоне определяют следующим образом:

где V – реакционный (полезный) объем аппарата, V_t,p - расход исходных веществ, поступающих в реакционный аппарат при температуре и давлении в аппарате.

Для каталитических процессов рассчитывают время соприкосновения исходных веществ с катализатором. Его называют временем контактирования. Время контактирования находят из отношения свободного объема катализатора V_св к расходу исходных веществ V_t,p, проходящих через катализатор при условиях процесса.

Свободный объем катализатора — это объем пустот между зернами и в сетках катализатора. Свободный объем V_св рассчитывают, как произведение объема катализатора V_k на долю свободного объема ε:

При расчете времени контактирования во взвешенном слое катализатора свободный объем находят как разность между объемом, занимаемым катализатором во взвешенном состоянии, V_взв, и объемом твердых частиц катализатора V_k (1- ε):

Если катализатор выполняется в виде сетки, его свободный объем рассчитывают по формуле:

где ε - доля свободного объема катализатора, m - число сеток, S - рабочая площадь сетки, d - диаметр нити сетки, 3 - числовой коэффициент, учитывающий увеличение толщины сетки при переплетении нитей.

где d - диаметр нити сетки, см; n – число плетений сетки на 1 см².

2. Объемная скорость

Объемная скорость W — это объем исходных веществ, поступающих в реакционный аппарат в единицу времени в фазовом состоянии, соответствующем условиям проведения процесса (для газофазных процессов – в газообразном состоянии), отнесенный к единице реакционного объема.

Для нахождения объемной скорости расход исходных веществ берут как при условиях проведения процесса (температуре и давлении в реакторе), так и при нормальных условиях (условная объемная скорость):

или

где V - объем реактора.

Объемная скорость и время пребывания исходных веществ в реакционной зоне связаны соотношением: .

В каталитических процессах вместо реакционного объема в расчете объемной скорости используют объем катализатора V_k:

2. Алгоритм разработки ХТП. Термодинамический анализ. Константа равновесия и изобарно-изотермический потенциал. Связь константы равновесия с равновесной степенью превращения и свободной энергией Гиббса. Анализ зависимостей изменения константы равновесия от температуры при различных знаках ∆Н и ∆S реакции.

1. Алгоритм разработки химической концепции хтп

Необходимо: обосновать выбора условий проведения процесса, катализатора, реактора, решение проблем теплоподвода и теплоотвода и т.п.

Первым этапом является выбор сырья и метода его переработки.

Термодинамический анализ позволяет по справочным данным оценить вероятность получения приемлемого выхода целевого продукта в доступных для химической технологии условиях.

Если результаты анализа указывают на то, что данный процесс не является запрещенным с термодинамической точки зрения, то переходят к следующему этапу разработки ХТП.

Если оказывается, что в доступных условиях выход целевого продукта из данных реагентов слишком мал, то выбирают другое сырье.

В случае положительного результата термодинамического анализа (может быть получен приемлемый выход) нужно установить необходимость применения катализатора. Если возможно обойтись без использования катализатора, то переходят к изучению кинетических закономерностей процесса.

При необходимости применения катализатора устанавливают тип катализатора, его фазовое состояние, т.е. будет ли это гомогенный или гетерогенный катализатор и, соответственно, каталитический процесс.

Как в случае каталитического, так и некаталитического процесса важен вопрос о фазовой характеристике системы. Отметим, что термодинамика процесса будет также различна при различном фазовом состоянии веществ системы.

В результате изучения кинетических закономерностей необходимо создать кинетическую модель процесса, которая позволит описать зависимость скорости процесса от таких условий как температура, концентрации реагентов, давление и т.п. или зависимости концентраций участников процесса от времени его протекания.

Математическая модель процесса с учетом массообмена и теплообмена служит основой для оптимизации ХТП, то есть поиска таких условий его реализации, при которых достигается максимальная степень превращения реагентов, максимальная селективность и выход продукта.

Данные лабораторных исследований служат основой для создания пилотной, опытной, опытно-промышленной установки. Так как такие стороны ХТП как массообмен и теплообмен плохо масштабируются, то результаты лабораторных исследований нельзя, как правило, напрямую применить к промышленным установкам. Это и вызывает необходимость промежуточных ступеней исследования.

Схема примерного алгоритма разработки физико-химической концепции метода: