6.7. Давление и разрежение
Давление – существенный фактор при проведении процессов. Влияние давления на протекание реакции:
1)
Если реакция протекает так, что продукты
реакции занимают меньший объем по
сравнению с исходными веществами, то
увеличение давления приводит к смещению
равновесия в сторону увеличения выхода
продуктов реакции. Пример – синтез
аммиака (до реакции было 4 объема газа,
а после реакции – 2 объема):
.
2) Процессы абсорбции эффективны при повышении давления, так как поглощение газа увеличивается при увеличении давления.
3) Увеличение давления дает возможность проводить реакции между жидкими реагентами при температуре большей температуры кипения этих жидкостей, что увеличивает скорость реакции.
4) Увеличение давления при работе с газами позволяет намного снизить объем реактора и сопутствующих аппаратов
5) От давления зависят свойства конечного продукта (пример – полиэтилен высокого и низкого давления).
Повышенное давление предъявляет особые требования к материалу, форме реактора, которые должны обеспечивать механическую прочность, герметичность и безопасность при эксплуатации. В химической промышленности существует система мер проверок, контроля и испытаний аппаратов, работающих под давлением.
Для сжатия и перемещения газов служат компрессоры, дающие при необходимости давление до 1000 атм., газодувки – до 3 атм., вентиляторы – до 1,1 атм.
Некоторые процессы лучше идут при разрежении. Области использования разряжения:
дистилляция (приводит к снижению температуры кипения);
сушка (происходит ускорение процесса);
выпаривание;
фильтрация.
Для разрежения используют вакуум-насосы, пароэжекционные установки, газодувки и вентиляторы.
Для измерения и контроля давления и разряжения используют специальные приборы – манометры и вакуумметры. Современные датчики давления служат не только для измерения давления, но и для регулирования, т.е. поддержание заданного давления.
6.8. Использование катализаторов
Большая часть реакционных процессов в химической промышленности протекает с использованием катализаторов.
Катализаторы могут представлять собой индивидуальные твердые, жидкие, газообразные вещества, а так же их смеси.
Катализ разделяют на два класса: гомогенный и гетерогенный
В первом случае катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе (газовой или жидкой), во втором случае находятся в разных фазах, чаще всего в твердой фазе находится катализатор.
Рассмотрим общие приемы использования катализаторов в химической промышленности. Основные требования к катализаторам:
обеспечить соприкосновение реагентов с наибольшей поверхностью катализатора;
найти оптимальные условия для долговечной работы катализатора (оптимальная температура, невозможность его отравления или загрязнения поверхности и так далее);
создать удобную систему регенерации катализатора.
Если все три условия соблюдены, катализатор работает десятки лет без смены.
Использование твердых катализаторов может идти по следующим вариантам:
катализатор помещают в реактор, и он там лежит неподвижно на решетках;
катализатор перемещается вместе с полками;
катализатор находится в реакторе в мелкораздробленном состоянии (почти пыль) во взвешенном слое (псевдосжиженный слой, кипящий слой).
В первом случае, когда катализатор неподвижен, есть недостатки: чистая смена рабочего цикла и регенерация катализатора, затруднения в подводе и отводе тепла в зоне реакции, сложность в конструкции реакторов.
Во втором случае используются два аппарата: контактный (реактор) и регенератор. Катализатор непрерывно перемещается с помощью механических устройств по контактному аппарату, переходит из него в регенератор и возвращается вновь в контактный аппарат. В этом случае конструкция аппарата упрощается, облегчается регулирование процесса.
В третьем случае (самый лучший) мелкие частицы катализатора в реакторе находятся во взвешенном состоянии, которое поддерживается потоком реакционных газов. Вся смесь приобретает свойства кипящей жидкости, поэтому такой процесс раньше назывался флюидпроцессом, а в настоящее время называется процессом в псевдосжиженном или в кипящем слое. Мелкие частицы катализатора движутся вместе с газами по реактору снизу вверх. Преимущества этого способа:
высокая развитая поверхность катализатора, которая омывается газом со всех сторон равномерно;
процесс непрерывен, так как катализатор легко выводится из сферы реакции, регенерируется и снова возвращается в цикл;
достигается идеальное перемешивание реагирующих газов между собой и с катализатором;
резко улучшается теплопередача, катализатор быстро обменивается теплом с газами, чем достигается равномерность их обогрева.
Контрольные вопросы:
1. Какие методы применяют для отделения жидкостей от твердых веществ? Какой метод лучше применить для выделения кристаллического сульфата меди (II) из раствора?
2. Чем отличается простая перегонка от ректификации? Кокой процесс позволяет получить более чистые вещества?
3. Воздух загрязнен токсичными примесями. Какой метод используют для его очистки?
4. Какие технологические процессы наиболее экономичны: непрерывные, полунепрерывные, периодические. Дайте обоснованный ответ.
5. Как называют аппараты, в которых проводят химико-технологические процессы?
6. Как влияет давление на процесс синтеза аммиака N2 + 3H2 = 2NH3? Обоснуйте ответ.
7. Приведите примеры применения катализаторов в химической технологии. Отметьте катализ гомогенный и гетерогенный.