ХИМИЧЕСКАЯ

ТЕХНОЛОГИЯ

Лекция №9

Теоретические основы химической технологии

Энергия в химическом производстве. Тепловой эффект реакции в технологических расчетах. Направленность реакции в технологических расчетах

Изменение химического состава реагирующей смеси приводит­ к изменению ее теплосодержания ∆ НТ которое можно рассчитать­ через энтальпии образования

компонентов (∆ НТ )обр: ∆ НТ = Σvi(∆ НТ )обр.i

Если энтальпия образования продуктов меньше, чем энтальпия образования­ исходных веществ, (∆ НТ < 0), то выделяется теплота Qр = -∆ НТ, называемая теплотой реакции. Если

при химическом превращении­ теплосодержание смеси увеличивается (∆НТ > 0), то

происходит поглощение теплоты.

В зависимости от знака ∆ Н (или Qр) реакции бывают экзотермические­ (∆ Н< 0, Qр > 0) и эндотермические (∆ Н >0, Qр < 0). Тепловой эффект реакции входит в запись

термохимического уравнения,­ представляющего собой стехиометрическое уравнение с указа­ нием его теплового результата

VАА + vВВ + … = vRR + vSS + … + Qр.

Значение Qр в уравнении зависит от записи химического уравнения. Например, тепловой эффект реакции, записанной следующим­ образом: N2 + 3Н2 = 2NН3 в два раза больше, нежели для той же реакции, записанной по-другому: 0,5N2 + 1,5Н2 = NН3, поэтому в справочной литературе Qр приводят прямо в уравнениях, как это сделано­ в, или указывают изменение энтальпии, соответствующее превращению 1 моля вещества.

2

Теоретические основы химической технологии

Тепловой эффект реакции в технологических расчетах

Знание теплового эффекта реакции необходимо для определения тепловых явлений в технологических процессах. Количество выделившейся (или поглощенной) теплоты qр

зависит от количества превращенного вещества ∆N:

qр = Qр ∆NА/vА

В зависимости от знака Qр (экзо- или эндотермическая реакция), теплота в ходе протекания процесса будет выделяться или поглощаться.

Возможность химического превращения

Химический процесс принципиально осуществим, если реакция­ протекает с уменьшением химического потенциала, называемого­ также изобарным потенциалом, или энергией Гиббса, т.е. возможность протекания реакции определяется из следующих условий:

•при ∆GТ,Р < 0 протекание реакции возможно;

•при ∆GТ,Р < 0 протекание реакции невозможно;

•при ∆GТ,Р = 0 реакционная система находится в термодинамическом равновесии,

где ∆GТ,Р - изменение энергии Гиббса при превращении исходных веществ­ в продукты при температуре Т и давлении Р.

Изменение энергии Гиббса реакции можно рассчитать по уравнению:

G298o i ( G2980 )îáð .i i

3

Теоретические основы химической технологии

Тепловой эффект реакции в технологических расчетах

Значения стандартной энергии Гиббса образования веществ­ при стандартных температуре 298 К и давлении Р = 1 атм приведены в справочной литературе по термодинамике и означают изменение энергии Гиббса при превращении такого количества вещества, находящегося в стандартном состоянии, которое записано в стехиометрическом уравнении.

Для расчета в условиях, отличающихся от стандартных, используют зависимость энергии Гиббса от температуры: GT0 HT0 T S

где HT0 ,S изменение энтальпии и энтропии при стандартном давлении,­ которые можно рассчитать по формулам, аналогичным. Зависимость энергии Гиббса от состава реакционной смеси отражает уравнение Вант-Гоффа:

GP,T GT0 RT ln Civi,

где R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314iДж/моль∙К;

П - знак произведения; Сi- концентрации компонентов; vi - стехиометрические коэффициенты уравнения реакции в алгебраической форме.

4

Теоретические основы химической технологии

Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов. Моделирование процессов теплообмена

Для математического описания того или иного массообменного процесса предложены несколько теоретических моделей. Общепринятыми считаются две теории:

1.Двухпленочная модель Льюиса и Уитмена;

2.Теория граничного диффузионного слоя Ландау и Девиса.

Эти теории имеют много общего. В соответствии с ними процесс переноса вещества из одной фазы в другую можно представить происходящим в три последовательные стадии.

Пусть вещество переходит из фазы Фу в фазу Фх (например, аммиак из воздуха в воду). Движение фаз

турбулентное. Между фазами существует поверхность раздела фаз (ПРФ), которая обусловлена тормозящим действием сил трения, возникающих при движении фаз относительно друг друга и действием сил поверхностного натяжения, имеющих место на поверхности жидкой фазы.

Теоретические основы химической технологии

Уравнение массоотдачи

Если принять F = 1м2; = 1с; у-угр. = 1 (или хгр. – х = 1), то физическую сущность коэффициентов массоотдачи

выразим следующим образом: они показывают, какое количество вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе, равной 1.

Коэффициенты массоотдачи не являются физической константой. Это кинетическая характеристика. Они зависят от следующих факторов:

1.физико-химических свойств фазы ( , и других):

2.гидродинамических условий в ней (ламинарный или турбулентный режимы движения жидкости);

3.геометрических факторов, в том числе конструкция и размеры аппарата.

Коэффициент массоотдачи учитывает перенос вещества как конвективной, так и молекулярной диффузией. Размерность коэффициента массоотдачи находим:

Коэффициент массоотдачи определяется при помощи теории подобия.

10