Дисциплина: Инженерная химия
Химико-технологический процесс (ХТП) закономерности их протекания, задачи анализа, синтеза и оптимизации химико-технологических систем, технологические принципы, создания химико-технологических систем.
Технологические критерии эффективности химико-технологических процесса (производительность, интенсивность, степень превращения для различных видов реакций, селективность, выход продукта).
Принципы составления материальных и тепловых балансов химических реакций.
Эмпирические методы расчета тепловых эффектов.
Термодинамическая вероятность протекания химических процессов. Расчет равновесной степени превращения и равновесного состава реакционной массы по константе равновесия, законы смещения равновесий. Принцип Ле-Шателье.
Кинетика гомогенных химических реакций. Скорость гомогенных химических реакций, зависимость скорости химической реакции от концентрации и температуры. Общее кинетическое уравнение химической реакции.
Исследование кинетики гомогенных химических реакций. Реакторы периодического действия с постоянным и переменным объемом реакционной массы, реакторы идеального вытеснения.
Особенности исследования кинетики гомогенных каталитических процессов.
Кинетика гетерогенно - каталитических процессов.
Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно- каталитических процессов.
Исследование кинетики гетерогенно-каталитичексих процессов в дифференциальном и интегральном реакторе. Определение лимитирующей стадии гетерогенно-каталитических процессов.
Кинетика гетерофазных химических. процессов в системах газ-хидкость, жидкость-жидкость (несмешивающиеся). Диффузионная, кинетическая и переходная области гетерофазного процесса.
Кинетика топохимических процессов, основные модели топохимических процессов и особенности их протекания, механизм и скорость процессов взаимодействия газа (жидкости) с частицами сферической формы и постоянных размеров, механизм и скорость взаимодействия газа (жидкости) с частицами сферической формы и переменных размеров, методы определения лимитирующих стадий топохимических процессов.
Общие положения, понятие о химических реакторах, классификация химических реакторов: периодические, непрерывнодействующие и полупериодические реакторы.
Общие положения, понятие о химических реакторах, классификация химических реакторов: изотермические, адиабатические и политропные реакторы, реакторы смешения и вытеснения.
Расчет изотермических реакторов для проведения гомогенных химических процессов, реакторы идеального смещения периодического действия, реакторы идеального смешения непрерывного действия, реакторы идеального вытеснения, реакторы идеального смешения полупериодического действия, последовательное соединение реакторов вытеснения и смешения, произвольная система идеальных реактор
Особенности расчета изотермических реакторов для проведения гетерогенно-каталитических процессов, расчет реакторов с неподвижным слоем катализатора, расчет реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора, аппараты с движущимся слоем катализатора, расчет контактных аппаратов на основе удельной производительности катализатора.
Расчет изотермических реакторов для проведения процессов в системах Г-Ж, Ж-Ж(н), аппараты колонного типа, система смеситель-сепаратор, модели смещения фаз в реакторах полупериодического действия.
Основы расчета реакторов для проведения топохимических процессов, реакторы с псевдоожиженным слоем при наличии уноса и возврата твердых частиц, расчет основных геометрических размеров реакторов для проведения топохимических процессов.
Основы расчета реакторов с неидеальным потоком движения реакционной среды, использование ячеечной и диффузионной модели для расчета реальных реакторов.
Расчет реакторов, работающих в различных тепловых режимах, проектные уравнения реакторов, работающих в политропном адиабатическом и изотермическом режимах, оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах, тепловая устойчивость химических реакторов.
1. Химико-технологический процесс (ХТП) закономерности их протекания, задачи анализа, синтеза и оптимизации химико-технологических систем, технологические принципы, создания химико-технологических систем.
Любое химическое производство может быть представлено в виде химической системы, которая характеризуется входными параметрами, выходными параметрами и параметрами управления z.
Х1
У1
Z1
Z2
ХТС
Х2
У2
Х3
У3
Любое химическое производство можно представить в виде следующих стадий:
Рассмотрим на примере реакции: А+В=С+Д
АСУП – автоматизированная система управления производством.
1 – стадия подготовки сырья; 2 – стадия синтеза; 3 – стадия выделения целевого продукта; 4 – стадия утилизации отходов; 5 – энергоснабжение; 6 – водоснабжение.
На первой стадии проводят операции, необходимые для подготовки исходных реагентов к проведению химической реакции. Реагенты переводят, в частности, в наиболее реакционноспособное состояние. Например, известно, что скорость химических реакций сильно зависит от температуры, поэтому часто реагенты до проведения реакции нагревают. Газообразное сырье для повышения эффективности процесса и уменьшения размеров аппаратуры подвергают компримированию до определенного давления. Чтобы устранить побочные явления и получить продукт высокого качества, исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, пользуясь методами, основанными на различии физических свойств (растворимость в различных растворителях, плотность, температуры конденсации и кристаллизации и т. д.). При очистке сырья и реакционных смесей широко применяют явления тепло- и массообмена, гидромеханические процессы. Могут быть использованы и химические методы очистки, основанные на химических реакциях, в результате которых ненужные примеси превращаются в легко отделимые вещества.
Соответствующим образом подготовленные реагенты на следующей стадии подвергают химическому взаимодействию, которое может состоять из нескольких этапов. В промежутках между этими этапами иногда необходимо вновь использовать тепломассообменные и другие физические процессы. Например, при производстве серной кислоты диоксид серы частично окисляют до триоксида, затем реакционную смесь охлаждают, извлекают из нее путем абсорбции триоксид серы и вновь направляют ее на окисление.
В результате химических реакций получают смесь продуктов (целевых, побочных, попутных) и не прореагировавших реагентов. Заключительные операции последней стадии связаны с разделением этой смеси, для чего вновь применяют гидромеханические, тепло- и массообменные процессы, например: фильтрование, центрифугирование, ректификацию, абсорбцию, экстракцию и т. д. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку; не прореагировавшее сырье вновь используют в процессе, организуя его рецикл.
На всех этапах, а особенно на заключительных, проводят также рекуперацию вторичных материальных и энергетических ресурсов. Потоки газообразных и жидких веществ, попадающих в окружающую среду, подвергают очистке и обезвреживанию от опасных примесей. Твердые отходы либо направляют на дальнейшую переработку, либо размещают для хранения в безопасных для окружающей среды условиях.
Любую сложную химическую систему можно представить в виде иерархической структуры.
В основе иерархической структуры должен быть положен такой элемент, на основе которого можно выстроить всю иерархическую структуру.
1 – процесс; 2 – аппарат; 3 – узел (агрегат); 4 – химико-технолгический процесс (ХТП); 5 – химическое производство (ХП).
Процессы бывают: механические (измельчение, дробление, гранулирование); физические (нагревание, охлаждение); физико-химические (конденсация, плавление); химические (химическая реакция).
Аппарат – это устройство, предназначенное для проведения какого-либо процесса. Аппарат, в котором осуществляется процесс называется реактором.
Узел (агрегат) – это совокупность аппаратов, предназначенная для проведения какого-либо процесса.
ХТП – это совокупность узлов, предназначенная для получения какого-либо продукта (отдельный цех, установка).
ХП – это совокупность ХТП, предназначенная для получения целевого продукта (цех, завод).
Химический комбинат – это структурная единица отрасли химической промышленности.
Классификация химических процессов и реакций, лежащих в основе промышленного производства:
По фазному состоянию исходных веществ: гомо- и гетерофазные. Гомофазные процессы – это процессы, в которых реагирующие вещества находятся в одинаковых фазах. Гетерофазные процессы – вещества находятся в разных фазах.
По месту протекания реакции: гомо- и гетерогенные процессы. Гомогенные процессы – реакции протекают в объеме фазы. Гетерогенные процессы – реакции протекают на границе раздела фаз.
По
химической схеме: простые:
;
сложные:
1,2 – последовательные реакции; 1,3 – параллельные реакции.
Процессы пиролиза, крекинга нефтепродуктов описываются сложными химическими схемами:
По механизму: элементарные: А+В=С+Д;
неэлементарные:
.
По тепловому эффекту: эндо- и экзотермические реакции;
По применению катализаторов: каталитические и некаталитические;
По молекулярности: моно-, би-, тримолекулярные.
По порядку: реакции 1,2,3, нулевого и дробного порядка.
Важной подсистемой сложного химико-технологического процесса является химический процесс.
Химический процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты, массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на протекание химической реакции.
Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим.
Технологическим режимом называется совокупность технологических параметров (температуры, давления, концентраций реагентов и т. д.), определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов (технологической схемы).
Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры, давления, состава исходной реакционной смеси и т. д.), позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость при соблюдении условий рационального использования сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружающей среде.
Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и т. д. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса.
Технологическая схема – рационально построенная система единичных аппаратов, соединенных различными видами связей (прямых, обратных, последовательных, параллельных), позволяющая получить заданный продукт заданного качества из природного сырья или полуфабрикатов.
Технологические схемы бывают открытыми и закрытыми, могут содержать байпасные (обводные) потоки и рециклы, позволяющие повышать эффективность функционирования химико-технологической системы в целом.
Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии.