2022 Весна. Общая химическая технология Вопросы для подготовки к экзамену

Введение

Химическая технология, определение.

Химическая технология – это естественная прикладная наука о наиболее выгодных способах и процессах переработки, в которой преобладают химические и физико-химические явления, что приводит к коренному изменению свойств и строения веществ.

Как наука химическая технология имеет:

- объект изучения – химическое производство (способы и процессы переработки исходных веществ в полезные продукты);

- цель изучения – разработка эффективного способа производства необходимых человеку продуктов;

- методы исследования – экспериментальный, математическое моделирование и системный анализ.

Химическое производство – это совокупность функциональных отделений подсистем), связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными и информационными потоками, обеспечивающая получение нужных продуктов с использованием химических превращений.

Компоненты химического производства делятся на переменные и условно-постоянные:

— переменные: сырьё, вспомогательные материалы, энергия, продукты (целевой и побочные), отходы матернальные, энергетические;

— усповно-постоянные: оборудование, аппаратура, трубопроводы; здания, сооружения; приборы ковтроля, управления, система безопасности, обслуживающий персонал.

Показатели химического производства:

Технические

Экономические определяют экономическую эффективность производства:

• капитальные и удельные затраты (проект, площадка, оборудование, монтаж коммуникации и т.д.,)

• себестоимость продукции

• прибыль или доход

Эксплуатационные показатели определяют качество процесса в период эксплуатации:

• надежность – свойство отдельных элементов ХП выполнять заданные функции в пределах нормативными документами периода времени. Часто характеризуется продолжительностью безаварийной работы или числом аварийных остановок за год.

• безопасность функционирования (пожаро-взрывобезопасность), т.е. отсутствие риска возникновения форсмажорных обстоятельств при соблюдении технологического регламента.

• чувствительность, характеризуется степенью отклонения какого-либо выходного параметра, (например, температуры в реакторе) при изменение входного параметра.

• устойчивость характеризует способность оборудования стабильно работать в заданном режиме при кратковременном наложении на них возмущений.

• управляемость и регулируемость – способность оборудования откликаться на управляющее воздействие при минимальном времени запаздывания.

Социальные

• экологическая безвредность – отсутствие вредных выбросов и стоков, переход на безотходные производства.

• безвредность (или безопасность) обслуживания, т.е. соответствие условий труда требованиям ТБ и охраны труда.

• степень автоматизации и механизации, минимизация ручного труда.

I. Теория химических процессов

Физико-химические закономерности

Стехиометрические соотношения.

Они позволяют:

1) Рассчитать количества веществ, принимающих участие в химическом превращении т.е. являются основой расчетов материальных и тепловых балансов;

2) Провести расчет показателей (расходные коэффициенты, степень превращения, селективность и другие)

Стехиометрическое уравнение — это форма представления взаимодействия веществ, которая показывает, в каком соотношении вещества вступают во взаимодействие друг с другом.

расчет количеств реагирующих веществ.

Простая и сложная реакция.

Стехиометрическое уравнение для простой реакции (описывается одним уравнением) имеет вид:

Реагенты А, В расходуются, продукты R, S образуются в соответствии с их стехиометрическими коэффициентами. Уравнение (1) можно представить также в форме алгебраического уравнения:

Сложная реакция, состоит из нескольких частных реакций, описываемых стехиометрическими уравнениями следующего вида:

где индекс j относится к j-й частной реакции. В уравнении (6) стехиометрический коэффициент v_ij может быть равен 0, если это вещество не участвует в данной реакции.

Важно! Для количественных расчётов сложной реакции необходимо использовать только стехиометрические независимые уравнения.

Базисная система линейно независимых уравнений химических реакций, назначение, примеры.

Такая система однозначно и полно описывает процесс. Доказано, что она должна содержать число уравнений, равное: для окислительно-восстановительных реакций

У = В – Э (7)

для обменных реакций

У = В – Э + 1 (8)

где У — число уравнений в базисной системе; В — число веществ (участников химического превращения); Э — число химических элементов, из которых состоят вещества.

Пример

Окисление аммиака кислородом воздуха до оксида азота как целевого продукта сопровождается протеканием ряда побочных реакций. Общее превращение аммиака можно представить в виде, схемы, состоящей из 4 реакций:

Расчет состава реагирующей смеси на основе балансового стехиометрического соотношения.

Определение и расчетные формулы для концентрации, в том числе, для реакций с изменяющимся объемом.

Степень превращения – отношение количества, превращенного исходного вещества к его начальному количеству N₀

Степень превращения может быть определена для любого исходного реагента, например, В:

Используя степень превращения ключевого вещества, можно определить по уравнению количество i-го вещества, израсходованного или образовавшегося в результате протекания реакции (1) в соответствии с (3):

Выход продукта - отношение количества исходного вещества, превращенного в продукт к исходному

количеству этого вещества.

Для продукта R:

Для простой реакции: E_R=x_A

Для сложной реакции, например, будет E_R= S_Rx_A

Селективность (избирательность)

Интегральная селективность по продукту — отношение количества исходного вещества, превращенного в данный продукт, ко всему количеству превращенного реагента. Если R-целевой продукт:

Термодинамические закономерности.

Расчет константы равновесия и равновесного состава смеси

Способы управления равновесием экзо− и эндотермических химических реакций (влияние температуры, давления, избытка реагента и т.д.), примеры.

Влияние температуры, давления, избытка реагента на К_р и х_р

а – экзотермическая

б – эндотермическая

Кинетические закономерности.

Понятия скорости реакции и скорости превращения вещества для простой и сложной реакции.

Скорость реакции – отношение количества превращённого вещества к объему смеси, времени и стехиометрические коэффициенты.

Всегда одинакова, не зависит от вещества, по которому считают

Скорость превращения вещества – количество вещества превращающегося в единицу времени в единице реакционного пространства.

Кинетическое уравнение, порядок реакции.

Кинетическое уравнение, или кинетическая модель, реакции — зависимость скорости реакции от условий ее протекания.

Формы кинетических уравнений весьма разнообразны. Методы построения кинетических моделей и способы определения ее параметров являются предметом специального раздела физической химии.

Для элементарной реакции А + В= R +..., т.е. протекающей в одну стадию, кинетическое уравнение строится на основе закона действующих масс:

r = kC_AC_B а в общем виде: r = kf(C)

Схема превращения и её отличие от базисной системы линейно независимых уравнений химических реакций.

Схема превращения показывает реальные взаимодействия между компонентами — пути превращения — в реагирующей системе.

Схема превращения состоит из частных реакций, или этапов. В отличие от стехиометрических, кинетические уравнения не могут быть записаны произвольно, и их число должно соответствовать реальным путям превращения компонентов.