Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория химико-технологических процессов органического синтеза. Учебное пособие
.pdf
реакции
k1, тем ближе селективность к 100 % , и выше доля исходного соединения А, которая пошла на образование целевого продукта В в этом примере. Когда скорости образования продуктов В
и С сравняются, то и селективность этого процесса станет равна
нулю, весь исходный продукт расходуется на образование побочного продукта С.
2.4. Задачи для самостоятельного решения
Задача 1. Вывести кинетические уравнения для системы эле-
ментарных реакций:
A + Y → X + Z (k1, k−1);
X → B (k2);
X + Y → C (k3)
и записать уравнение скорости превращения веществ B и С в концентрационной форме, предполагая, что промежуточное вещество
X образуется в пренебрежимо малом количестве.
Задача 2. Вывести кинетические уравнения для системы эле-
ментарных реакций:
A + K → AK (к1);
AK → B + K (k1);
B + K → BK (к2);
BK → C + K (k2)
и записать скорости превращения веществ А и B через их концентрацию как функцию только двух переменных СА и СB, предполагая, что С
С
и СB.
К
А
Задача 3. Вывести кинетические уравнения для системы эле-
ментарных реакций:
101
A + K → AK (к1);
((((
))))
((((
))))
3 2 3 4
CH C CH =C CH CH .
((((
))))
((((
))))
3 3 3
CH C CH C C H
((((
))))
((((
))))
3 3 4 3 2
C H CH C CH CH CC H
((((
))))
((((
))))
3 2
3 3 2 6
C H C H C H
.
→ +
→ +→ +
→ +
3 2 4
CH CHO CO CH
3 3
CH – CHO C HO C H
AK + Y → B + K (k1);
AK → C + K (k2)
и записать уравнения скорости превращения по веществам А и B
через их концентрацию как функцию только двух переменных СА и
С
, имея в виду, что С
B
С
К
и СB.
А
Задача 4. Составить кинетические уравнения методом Бо-
денштейна–Семенова и методом маршрутов для процесса термического распада 2,2-диметилпропана с образованием метана и 2метилпропена:
→ +
→ +
→ +→ +
4 2
Предложен следующий механизм реакции:
∗ ∗
∗ ∗
→ +
→ +
→ +→ +
4 3
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
+ → +
+ → +
+ → ++ → +
4 3
∗ ∗∗ ∗
(к1);
(к2);
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
→ +
CH CC H C H CH =C CH (к
3 2 3 2 3
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
+ →
+ →
+ →+ →
→ +
→ +→ +
Задача 5. Составить кинетические уравнения методом Бо-
денштейна–Семенова для процесса термического распада ацетоальдегида:
Предложен следующий механизм реакции:
→ +
→ +
→ +→ +
(к4).
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
(к1);
102
);
3
∗ ∗
C H CH – CHO CH +CH C =O
CH C =O C H CO
C HO H +CO
H CH – CHO H +CH C O
3 3 2 6
C H C H C H
C
O
H
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
+ →
+ →
+ →+ →
3 3 4 3
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
→ +
→ +
3 3
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
+ →
+ →
+ →+ →
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗∗ ∗
→ +→ +
→→→→
3 2 3
+ →
+ →
+ →+ →
(к4);
Задача 6. Даны реакции:
(к2);
(к3);
(к5);
(к6).
A
H2C CHCH2OH
O
A
H2C CHCH2OH
O
Начальные условия: С
C
= 5 моль/л.
D,0
B
+ H2O
D
+ CH2=CHCH2OH
A,0
H2C CHCH2OH
OH OH
CH2=CHCH2O H2C CHCH2OH
= 3 моль/л; С
E
= 28 моль/л;
B,0
Записать скорости превращения веществ B и D через изменение их концентраций и вычислить выход глицерина при полной
конверсии глицидола (А) и соотношении констант скорости реакций к2/к1 = 0,5.
103
ГЛАВА
лиза конкретного химического процесса и построения кинетических уравнений, соответствующих этому процессу, химик-технолог
сталкивается с необходимостью выбора оптимальных условий реализации химического процесса уже в промышленном производстве.
понимается оптимизация всей технологической схемы процесса, и
самым важным этапом является выбор типа реактора и условий его
работы. Для этого выявляются факторы, влияющие на результаты
процесса, и обосновываются несколько вариантов его осуществления. Основными факторами могут быть температура протекания
процесса, начальные концентрации или парциальные давления,
мольные соотношения реагентов и т.д. При выборе окончательных
вариантов руководствуются несколькими основными показателями:
степенью конверсии реагентов, удельной производительностью реактора, селективностью процесса. Не менее важными являются и
экономические показатели: минимальная себестоимость конечной
продукции, минимум удельных производственных издержек и как
результат – высокая экономическая рентабельность выбранного варианта процесса производства.
3. ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
После проведения термодинамического и кинетического ана-
Под оптимизацией условий проведения химического процесса
3.1. Химические реакторы и их удельная производительность
Известно, что любое химическое производство использует
совокупность большого количества различных аппаратов, которые
объединены в единую и взаимосвязанную последовательность технологических операций. Такую совокупность аппаратов для получения химической продукции называют химико-технологической
системой (ХТС). Основным узлом такой системы является химический реактор, агрегат для проведения химических реакций.
104
зависимости от условия протекания реакции и технологи-
,
dC rdt
====
.
i
i
dC
В
ческих требований существуют различные реакторы. Для реакций в
гомогенных и гетерогенных системах, для работы при низких,
средних и высоких давлениях, а также при низких, средних и высоких температурах требуются различные реакторы. Кроме того, реакторы бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного
действия.
Для того, чтобы исследовать влияние различных факторов на
кинетику протекания реакций в реакторах, следует рассматривать
такие аппараты в упрощенном виде, или, как ещё говорят, в идеальном режиме работы. Рассматривают реакторы с идеальным потоком
реакционной смеси: реакторы идеального, или полного смешения –
непрерывного действия (РИС) и реакторы идеального вытеснения –
непрерывного действия (РИВ), а также идеальные периодические
реакторы (ИПР).
Условием идеальности для периодического реактора смешения будет отсутствие градиента концентрации и температуры во
всем объеме реактора, которое достигается при интенсивном перемешивании. Кроме того, подача реагентов в этих реакторах также
происходит мгновенно, чтобы не нарушалось условие идеальности.
Условие идеальности и периодичность реактора приводят к
тому, что концентрация вещества Ci изменяется только во времени,
и в каждый момент времени концентрация веществ и скорости их
изменения ri будут постоянными по всему объему реактора. Тогда
из материального баланса по любому веществу за бесконечно малый промежуток времени следует
i i
(3.1)
или после интегрирования по интервалу времени от 0 до t получим
C
i
tr====
∫∫∫∫
C
(3.2)
,
i 0
Рассмотрим следующий пример.
Пример 3.1. Требуется определить время при 80 % конвер-
сии 7,5 моль вещества А в 15-литровом идеальном изотермическом
реакторе периодического действия (ИПР), работающем при 300 К.
105
Реакция первого порядка по отношению А и kА = 0,05 мин−1 при
7,5 моль
15 л
300 К.
Решение. Найдем начальную концентрацию вещества А:
n
A
CV= = =
0
= = =
= = == = =
A
0
0,5
и
= 0,80
=
=
.
X =
A
Скорость реакции для первого порядка по А запишется как
r k C k C X− = = −
− = = −1
− = = −− = = −
и
))))
((((
A A A A A A
C X X
dC
i A A
t C
= = = =
= = = =
= = = == = = =
i
∫ ∫ ∫
∫ ∫ ∫
∫ ∫ ∫∫ ∫ ∫
C 0 0
i
,
0
r k C X k X
= = =
= = =
= = == = =
A
ln
0
X
1
((((
k
A
i A A A A A
− −
− −
− −− −
dX dX
1 1
((((
0
n
l
−−−−
))))
A
0,05
((((
0
A A
− −
− −
− −− −
))))
,2
0
(((( ))))
))))
1
32,2 мин
((((
))))
–
1
.
Отметим, что для реакции первого порядка
время протекания реакции не зависит от
начальной концентрации исходного вещества.
В основном идеальные периодические реакторы (ИПР) используются для
жидкофазных реакций, и в качестве примера такого реактора можно привести
обычную колбу или автоклав с мешалкой. На рис. 3.1 показан такой периодический реактор с мешалкой и внутренним теплообменом. Модификацией таких реакторов могут быть реакторы с
Рис. 3.1. Периодический
реактор с мешалкой
и внутренним тепло-
обменом
106
внешним теплообменом и циркуляционным перемешиванием.
Реактор идеального вытеснения (РИВ) является непрерывно
действующим аппаратом, в котором реакционная масса движется
только в одном направлении; каждый предыдущий слой вытесня-
ется последующим, и все слои движутся с одинаковой линейной скоростью, не затормаживаясь
стенками реактора. При постоянстве скорости подачи и состава исходной смеси, которая подается
в реактор, и стационарности теплообмена меняется концентрация веществ по направлению движения потока, в то же время каждый элемент потока
будет находиться в реакторе одинаковое время.
a b c
Рис. 3.2. Типы реакторов, близких к модели идеального вытесне-
ния:
а – аппарат с насадкой; b – змеевиковый; с – трубчатый
Реакторы идеального вытеснения (рис. 3.2) обычно используются в гомогенных и гомофазных процессах в газовой и жидкой
фазе, а трубчатые и аппараты с насадкой –
процессах. Практически такие реакторы используют для быстрых
реакций со временем контакта не более 1–2 мин. Иначе возрастает
длина труб, а с ней –
гидравлическое сопротивление.
107
еще и в гетерофазных
Реакторы идеального
B
F
.
BBk
FGm
смешения используют там, где
реакция очень быстрая и сильно
экзотермическая. При использовании реакторов вытеснения изза выделения слишком большо-
Рис. 3.3. Реактор идеального
или полного смешения –
непрерывного действия
(РИС)
го тепла на его конце возможен
перегрев смеси или даже взрыв.
В реакторах смешения происхо-
дит моментальное перемешивание реагентов и снижение их концентрации в большем объеме реактора. Реакция идет в более безопасном режиме.
Непрерывная модель идеального реактора смешения показа-
на на рис. 3.3.
Для непрерывных процессов, когда реакция проходит медленно, используют реакционные колонны, которые отличаются от идеальных реакторов. Хотя в некоторых случаях используют для таких
процессов и каскад реакторов идеального смешения (рис. 3.4).
Одной из важнейших характеристик
реактора является его удельная производи-
тельность, под которой понимается съем
целевого продукта с единицы реакционного
объема за единицу времени. Ее можно выразить в молях (кмолях), килограммах или тон-
нах на 1 л или 1 м³ в секунду, минуту или час.
Для гетерогенно-каталитического процесса принимают съем
продукции с единицы массы катализатора m
. Тогда выражение для
k
удельной производительности по мольному потоку вещества B для
непрерывно действующего реактора при стационарных условиях
его работы примет вид
GV====
B
или
(3.3)
====
108
Рис. 3.4. Каскад реакторов идеального смешения
.
V t t
0
A
C
0
B
C
((((
))))
((((
))))
.
2
Для периодического реактора этот показатель будет равен с
учетом времени непроизводительных затрат (на загрузку и выгрузку реактора, подогрев или охлаждение и т.д.) t
n
====
B
++++
(((( ))))
0
G
B
:
0
(3.4)
Пример 3.2. Рассмотрим в качестве примера реакцию
A + B → D
c константой скорости реакции при 25 °С kа = 9,92·10−3 л/моль·с.
Определить объем реактора при производстве 175 моль в час продукта С при одинаковых начальных концентрациях A и B (
=
= = 0,15 моль/л) и степени конверсии ХА = 0,9. Примем время
непроизводительных затрат t0 = 30 мин.
Решение. Эта реакция второго порядка и ее скорость опреде-
ляется формулой
r k C C k C k C X− = = = −
− = = = −1
− = = = −− = = = −
A A A B A A A A A
Время протекания реакции
2 2
0
109
t C
= = =
= = == = =
= = =
.
D D A A
F C C X
α
((((
))))
((((
))))
, .
C 0
= = =
= = == = =
= = =
((((
))))
((((
))))
3
л (или
2,83 м).
i
dF
.
i
k
dF
X
A
A
∫∫∫∫
0
0
dX X
A A
2
k C X
1
((((
A A A
0
2
−−−−
))))
1
k C X
A A A
−−−−
1
((((
0
))))
1 0,9
= = =
= = =
= = == = =
9,92 10 0,15 0,1
–
3
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅⋅ ⋅
6050 c 1,68 ч
.
Из определения мольных потоков вещества D, которые можно выразить через ее концентрацию, получим следующее соотношение
для определения объема периодического реактора смешения
V V
= =
= =
= == =
t t t t
+ +
+ +
+ ++ +
(((( )))) (((( ))))
0 0 A
D
α
0
Используем следующую формулу
C C C C
− −
− −
− −− −
D D A A
0 0
α α α
D A A
X C
A A
0
D
0
Тогда
t t F
α
++++
V
A 0 D
= = =
= = =
= = == = =
α
C X
D A A
0
1 1,68 0,5 175
⋅ + ⋅
⋅ + ⋅
⋅ + ⋅⋅ + ⋅
1 0,15 0,9
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅⋅ ⋅
(((( ))))
2830
Определим скорость реакции по i-веществу при стационарных
условиях реакции в идеальных реакторах (вытеснения или смешения) как производную молярного потока i-вещества по реакционному объему или по массе катализатора для гетерогеннокаталитической реакции:
rdV====
i
Так, для реактора идеального смешения (РИС) скорость по
веществу А:
или
110
rdm====
i
(3.5)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]