Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Презентации / ХТ_ЛЕКЦИЯ№массопередача.pptx
Скачиваний:
34
Добавлен:
23.01.2022
Размер:
269.85 Кб
Скачать

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

Направленность реакции в технологических расчетах

Использование условий позволяет определить возможность­ получения желаемого продукта — с этого начинают разработку­ нового способа производства. Другой вариант применения заключается в поиске возможностей, предотвращающих протекание­ нежелательных реакций.

Продемонстрируем это на следующем примере. При конверсии метана водяным паром возможно образование сажи. Одна из вероятных реакций: СО + Н2 = С + Н2О

Из справочных данных и формул для этой реакции полученоGT0 = 132 + 0,133/Т (кДж/моль).

Конверсия метана в промышленном реакторе протекает вблизи равновесия. Соответствующее содержание СО, Н2 и Н2О, ответственных­ за образование сажи (углерода), для исходной смеси с

стехиометрическим соотношением пар:

метан = 2:1 при температуре 873 К и давлении 0,1 МПа следующее:

ССО = 0,071, СН2 = 0,53, СН2О = 0,24.

Зависимость энергии Гиббса ∆G от температуры Т для реакции образования углерода в реакторе конверсии метана при начальном соотношении пар : газ = 1:1 (1); 2:1 (2); 4:1 (3)

Такие данные можно получить и для других температур и соотношения исходного состава. Далее для этих температур и составов смеси по формуле (3.32) рассчитывают ∆GР,Т по реакции. Результаты

представлены на рис. При исходном соотношении пар : газ = 1 : 1 во всем температурном интервале ∆GР,Т < 0, и потому возможно выделение

сажи. При соотношении­ пар : газ = 2:1 при температурах ниже 900 К, т.е. в какой-то части­ реактора, также возможно сажеобразование. И только при четырехкратном избытке водяного пара выделение сажи становится

невозможным­ (∆GР,Т > 0 во всем интервале температур).

5

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.

С

С*у

 

Фаза Фу

Фаза Фх

 

С*х

С

Ядро фазы Фу

 

Ядро фазы Фх

 

 

Пограничный диффузионный слой

 

(пленка)

Схема распределения концентраций в фазах в процессе массообмена

Турбулентный поток каждой фазы имеет следующую структуру: ядро потока (основная масса фазы) и пограничный диффузионный слой у границы фазы (пограничная пленка). В ядре потока вследствие интенсивного перемешивания концентрация вещества постоянная. Здесь преобладает конвективная (турбулентная) диффузия. В пограничном слое движение потока замедляется, так как турбулентный поток заменяется ламинарным.

6

Теоретические основы химической технологии

Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов. Моделирование процессов теплообмена

Конвективная диффузия уступает место молекулярной диффузии. Вследствие этого в пограничном слое происходит резкое изменение концентрации от Сдо Су* и от Сх* до С. Перенос вещества

замедляется. Вот почему у границы раздела наблюдается почти линейное изменение концентрации вещества.

Согласно названных выше моделей процесс массопередачи представляет сумму процессов массоотдачи из основной массы фазы Фу к поверхности раздела фаз и процесса массоотдачи от поверхности раздела к основной

массе фазы Фх.

В итоге в основе пленочной и других теорий массообмена предложены следующие допущения:

Общее диффузионное сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из диффузионного сопротивления двух фаз и сопротивления поверхности раздела фаз. Причем сопротивление на поверхности раздела фаз принимается равным нулю. Таким образом, общее сопротивление переносу массы можно рассматривать как сумму фазовых сопротивлений.

На поверхности раздела фазы находятся в равновесии.

Предложены и другие модели механизма массопереноса. Но вследствие большой сложности турбулентных двухфазных потоков практически невозможно определение с концентраций (угр, хгр, у*, x*) в фазах, поверхности

контакта и т.д.

Молекулярная диффузия обусловлена беспорядочным перемещением молекул вещества в неподвижной среде. Конвективная диффузия имеет место в движущейся среде и осуществляется движущимися частицами носителя или распределяемого вещества.

При турбулентном движении перенос происходит главным образом путем турбулентной диффузии, а роль

 

молекулярной диффузии незначительна, за исключением области вблизи поверхности раздела фаз.

7

Теоретические основы химической технологии

Молекулярная диффузия. Первый закон Фика

Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика:

 

Размерность [D]:

 

 

 

 

 

dM D dF d dc

 

 

 

 

 

 

 

 

M dn

 

кг м м3

 

м2

dn

[D]

 

 

 

с м

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество вещества dM, продиффундировавшего за время d через

 

 

F dc

 

 

кг

 

с

элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии)

 

Физический смысл D можно

 

 

пропорционально градиенту концентрации dc/dn этого вещества.

 

 

 

 

выяснить из предыдущего выражения.

Или через всю поверхность F диффундирует количество вещества:

 

 

Коэффициент диффузии показывает,

dc

 

 

какое количество вещества

 

 

М D F

 

диффундирует в единицу времени

dn

 

через единицу поверхности при

dc - градиент концентрации характеризует изменение концентрации

 

 

градиенте концентрации, равном

dn диффундирующего вещества на единицу длины нормали между

 

 

 

единице.

 

 

 

 

 

двумя поверхностями постоянных концентраций; D – коэффициент

 

Коэффициент диффузии D -

 

 

пропорциональности, который называют коэффициентом

 

 

 

 

физическая константа, которая

молекулярной диффузии. Знак (-) перед D указывает на то, что

 

 

характеризует способность данного

молекулярная диффузия всегда протекает в направлении

 

 

 

вещества проникать в

 

 

 

 

уменьшения концентрации распределяемого компонента.

 

 

 

 

 

 

 

неподвижную среду. Величина D не

 

 

 

 

зависит от гидродинамических

 

 

Коэффициент D есть функция свойств распределяемого вещества, свойств

условий, в которых протекает

 

 

 

 

процесс.

 

 

 

 

 

 

среды, через которую оно диффундирует, температуры, t, и давления, р.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например, коэффициент D для газов возрастает c увеличением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

температуры и понижением давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

F – поверхность контакта фаз, м2.
у и х – коэффициенты пропорциональности, коэффициентами массоотдачи;
где у и х – средние концентрации в ядре каждой фазы; угр и хгр – концентрации у границы соответствующей фазы;
диффузии
где D - коэффициент турбулентной

Теоретические основы химической технологии

Турбулентная диффузия

Количество вещества dMТ, которое переносится в пределах фазы турбулентной диффузией, может быть рассчитано по уравнению: dMТ D dF d dndc

Или для всей поверхности (F = dF) MТ D F dndc

Коэффициент турбулентной диффузии , D, показывает, какое количество вещества передается

посредством турбулентной диффузии в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном единице.

Коэффициент D не является физической константой, он зависит от гидродинамических условий (скорости потока и масштаба турбулентности).

Уравнение массоотдачи

В связи с большой сложностью процессов массопереноса при расчетах принимают, что количество вещества, перенесенного от границы раздела фаз в другую фазу, пропорционально движущей силе, которая равна разности концентраций в ядре и на границе фазы, поверхности контакта фаз и времени.

Тогда если массоперенос происходит из фазы Фу в фазу Фх, то количество вещества М, переносимого в единицу времени в каждой из фаз (к границе раздела фаз и в обратном направлении), может быть посчитано по основному уравнению массоотдачи:

для фазы Фу: М у F y yгр

для фазы Фх : М х F хгр х 9

Теоретические основы химической технологии

Уравнение массоотдачи

у

М

х

М

 

 

F (y yгр )

F (хгр. х )

 

 

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:

 

М

 

 

 

 

кг

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

м

 

 

F ед. движ.силы

 

 

с (ед.движ.силы)

Коэффициент массоотдачи определяется при помощи теории подобия.

10

Соседние файлы в папке Презентации