книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

зованием аммиака, двуокиси серы с кислородом — с получением трехокиси серы, и многие другие.

В присутствии твердых катализаторов процесс протекает следую­ щим образом: сначала реагенты диффундируют к поверхности катали­ затора, затем они проникают в поры катализатора и осаждаются — адсорбируются на его поверхности. На поверхности катализатора протекает реакция между реагентами. Образовавшиеся продукты реакции диффундируют через поры катализатора к его поверхности и с поверхности катализатора в окружающий его объем. Скорости отдельных стадий такого процесса различны. Аналогично тому, как это делалось для гетерогенного некаталитического процесса (см. стр. 52), необходимо рассмотреть и определить наиболее медленную стадию гетерогенного каталитического процесса, от которой зависит его общая скорость (лимитирующую стадию). Если наиболее медлен­ ной стадией оказывается стадия диффузии, то это значит, что процесс протекает в д и ф ф у з и о н н о й о б л а с т и . Такой процесс можно ускорить, если увеличить скорость диффузии. Для этого целе­ сообразно перемешивать реагенты, что приведет к ускорению диффузии, или приготовить катализатор с большими порами для об­ легчения проникновения газов внутрь частицы катализатора.

Если же скорость процесса определяется скоростью химической реакции, т. е. процесс протекает в к и н е т и ч е с к о й области, для его интенсификации следует повысить температуру и концентра­ цию реагирующих веществ.

В случае, когда наиболее медленная стадия — адсорбция, целесо­ образно увеличить концентрацию реагентов и пористость катализатора.

Показатели процесса. Для обеспечения полноты протекания реак­ ции необходимо, чтобы реагирующие вещества достаточно долго сопри­ касались с катализатором..Это характеризуется в р е м е н е м с о ­ п р и к о с н о в е н и я ( в р е м е н е м к о н т а к т и р о в а н и я ) . Длительность соприкосновения с катализатором определяется о б ъ е м ­ н о й с к о р о с т ь ю , которая показывает, какое количество объемов газа в кубических метрах (при температуре 0° С и давлении 760 мм pm. cm.) проходит в течение 1 ч через 1 м3 катализатора.

пористые вещества, которые увеличивают пористость катализатора, делают его прочным и снижают его стоимость.

60

61

конструктивно аналогичны трубчатым теплоообменникам. В трубах 1, по которым проходят реакционные

или подвод необходимого для реакции тепла может быть осуществлен с помощью змеевиков 3, погруженных в слой катализатора.

Аппараты этого типа отличаются простотой конструкции и высокой производительностью. Они используются в сернокислотной, нефтепе­ рерабатывающей и других отраслях промышленности.

А п п а р а т ы с д в и ж у щ и м с я к а т а л и з а т о р о м (схема работы которых изображена на рис. 23) используют в тех слу­ чаях, когда катализатор в процессе работы быстро теряет активность и его необходимо регенерировать для восстановления его каталити­ ческих свойств. Реактор состоит из двух частей. Сверху располага­ ется контактный аппарат 1, снизу —■регенератор 2. Катализатор поступает в контактный аппарат сверху и непрерывно перемещается сверху вниз. Противоточно ему движутся реагенты.

Продукты реакции выводятся из аппарата сверху. Из контактного

6 2

§ 12. Материальные и энергетические балансы

Для количественной оценки и анализа процессов, для сравнения отдельных способов производства, а также выбора реакционных и других аппаратов проводятся технологические расчеты. Составляются материальные и энергетические балансы, которые отражают коли­ чественные изменения, происходящие в процессе, и позволяют опреде­ лить его характеристики: расход сырья и энергии, количество полу­ чаемых отходов, качество производимых продуктов, основные размеры аппаратуры, транспортные устройства и т. п.

М а т е р и а л ь н ы й б а л а н с основан на законе сохранения массы. Для технологического процесса это означает, что масса веществ,

63

Материальный баланс составляют по уравнению суммарной реакции

сучетом параллельных и побочных реакций.

Впроизводственной практике приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с сырьем сложного состава, поэтому сравнивают (ба­ лансируют) по данным анализов массу основных компонентов и при­ месей с массой основного получаемого продукта, побочных продуктов

иотходов производства.

Большей частью определяют массу вещества отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз. Таким образом, уравнение материального баланса имеет вид:

GT+ GM+ Gr = Gr -f- Gx -f- Gr, (IV, 26a)

где GT, G>K, Gr — соответственно масса поступивших твердых, жидких и газообразных материалов;

может быть несколько веществ в какой-либо одной фазе, и тогда урав­ нение (IV, 26 а) соответственно упрощается или усложняется.

Материальный баланс составляют из расчета расхода сырья и получения побочных продуктов на единицу основного продукта (кг/т,

сохранения энергии. Для химико-технологических процессов большей частью составляют т е п л о в о й баланс, применительно к которому закон сохранения энергии формулируется следующим образом: ко­ личество тепла, поступившего на технологическую операцию, т.е.

Тепловой баланс составляют на основании данных материального баланса, тепловых эффектов химических реакций и физических прев­ ращений, протекающих в аппарате, с учетом подвода тепла извне и отвода его с продуктами реакции и через стенки аппарата. Отсюда уравнение теплового баланса:

Qr + Qr + Q>k+ Qp + Qrj, + Qn = Qt + Qr Q>k+ Qp + Q(i> + Qn, (IV, 27a)

где QT, QM, Qr — тепло, вносимое с поступающими в аппарат тверды­ ми, жидкими и газообразными продуктами;

Qt, Qx , Qr — тепло выходящих продуктов;

QP, QP — тепло соответственно экзо- и эндотермических реак­ ций;

Qijj, Q<j> — тепло физических процессов, соответственно проте­ кающих с выделением и поглощением тепла;

Qn — тепло, подаваемое извне;

Qr, — потери тепла в окружающую среду и отвод его через холодильники, помещенные внутри аппарата.

64

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы .

1.Каким основным требованиям должен удовлетворять любой химико­ технологический процесс?

2.Какие условия ведения процесса называют оптимальными?

3.Из каких основных стадий складывается химико-технологический про­

цесс?

4.По каким признакам классифицируют химические реакции? Какие ос­ новные типы химических реакций вам известны? Приведите примеры.

5.Какие процессы называются обратимыми и необратимыми? Приведите примеры.

6.Какие системы называются гомогенными? Гетерогенными? Приведите примеры двух гомогенных и двух гетерогенных реакций, о которых не упомина­

лось в тексте.

7. Для каких процессов применим принцип Ле-Шателье?

8.Какие факторы влияют на положение равновесия?

9.Как влияет температура на обратимые экзотермические и эндотермиче­ ские процессы?

10.Как влияет давление на равновесие обратимого процесса, протекающе­ го в газовой фазе с уменьшением объема?

11.Как влияет концентрация исходных веществ на смещение равновесия?

12.От каких основных факторов зависит скорость химического процесса?

13.Объясните, почему получение аммиака в промышленности проводят при

относительно высокой температуре (около 550° С), хотя синтез аммиака из азота

иводорода является экзотермической реакцией.

14.Реакция между водородом и хлором с образованием хлористого водоро­ да протекает следующим образом:

Н2 (г) + С12(Г) ^ 2НС1(Г) + 44 к к а л

Какие три вывода можно сделать из этого уравнения реакции?

15.Каким образом можно сместить рановесие обратимых экзотермических реакций синтеза аммиака и конверсии окиси водорода?

16.Почему при проведении в промышленности реакции между твердым веществом и газом или жидкостью стремятся создать большую поверхность твердого вещества?

17.Как увеличивается поверхность соприкосновения фаз в гетерогенных

системах Г—Т, Ж —Т, Г—-Ж?

18.Из каких стадий состоит гетерогенный процесс?

19.Как увеличить скорость гетерогенного процесса, протекающего в кине­ тической области? В диффузионной?

20.Какой температурный режим является наилучшим при проведении

обратимых экзотермических реакций? Обратимых эндотермических? Необрати­ мых реакций?

21.Каково назначение катализатора?

22.Что понимают под «отравлением» катализатора?

23.Рассмотрим реакцию

4НС1 + 0 2 (г) 2НгО(г) + 2С12 (г) + 27 к к а л

Какое влияние на равновесную концентрацию С12 будут оказывать: а) повышение температуры в реакционном сосуде; б) уменьшение общего давления; в) увеличение концентрации 0 2?

Ответ обоснуйте.

3—615

ГЛА ВА У

ТИПОВЫЕ МЕТОДЫ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СХЕМ

Производство химических продуктов, как правило, включает ряд физических и химических процессов: подготовку сырья к переработке (дробление, сушку и др.), транспортировку реагирующих веществ (перемещение их из аппарата в аппарат), проведение химических реак­ ций, разделение полученных продуктов, их хранение и упаковку ит. д. Последовательное описание и графическое изображение всех ста­ дий переработки исходных веществ в продукты производства и аппа­ ратов, применяемых для этой цели, называется т е х н о л о г и ч е ­ с к о й с х е м о й п р о и з в о д с т в а .

Химико-технологические процессы и схемы могут обладать слож­ ной структурой. Необходимо знать, какое действие на характер про­ текания процесса (на количество и качество получаемого продукта) оказывает способ организации технологической схемы, т. е. способ проведения отдельных элементарных звеньев процесса и способ соеди­ нения их в одну схему.

При всей сложности химико-технологических процессов и схем среди них можно выделить некоторые типовые, наиболее часто встре­ чающиеся в производственных условиях.

Периодические и непрерывные процессы. По характеру введения исходных материалов в аппарат и вывода продуктов из него техноло­ гические процессы подразделяются на периодические и непрерыв­ ные.

Пе р и о д и ч е с к и м и называют такие процессы, при которых

ваппарат сразу загружают определенное количество исходных веществ, после чего там в течение заданного времени происходит их химическое превращение в продукты реакции, а по завершении процесса перера­ ботки исходных материалов из аппарата выгружают продукты реак­

ции. Затем снова повторяются все три операции: загрузка новой пор­ ции сырья — проведение химической реакции — выгрузка продукта.

В периодических процессах при загрузке исходных веществ и выгрузке продукта аппарат не работает (простаивает), т. е. время работы аппарата используется нерационально. Кроме того, перерывы в работе аппарата часто сопровождаются большими непроизводитель­ ными потерями тепла или других видов энергии. При периодических процессах трудно обеспечить получение продуктов одинакового ка­ чества, эти процессы сложно механизировать и автоматизировать.

Но все же иногда выгодно проводить процесс периодически, на­ пример, при небольшой производительности установки. В таких ус­ ловиях периодический процесс отличается лучшими экономическими показателями по сравнению с процессами непрерывными.

Н е п р е р ы в н ы м и называют такие процессы, при которых одновременно и непрерывно осуществляются следующие операции: поступление на входе в реактор потока исходных веществ, их хими­ ческое превращение при прохождении через реактор и вывод продук-

66

входе в аппарат достигается большая скорость процесса, но по мере прохождения потоков через аппарат она резко снижается и на выходе из аппарата становится незначительной. Средняя скорость|при прямоточной подаче реагирующих веществ относительно невысокая.

принципу противотока.

Прямоточные процессы применяют главным образом в тех случаях, когда из-за специфики взаимодействия реагирующих веществ невоз­ можно использовать противоток, например при сушке аммиачной селитры нагретым воздухом. При сушке аммиачной селитры по прин­ ципу противотока нагретый воздух встречался бы с уже высушенной и нагретой аммиачной селитрой, выходящей из аппарата. Это привело бы к разложению части селитры и увеличению потерь продукта. Когда влажная аммиачная селитра вводится в сушилку по принципу прямо­ тока, на выходе из сушилки сухая аммиачная селитра соприкасается

68