15. Термодинамические расчеты химико-технологических процессов.

Термодинамическими называются характеристики процессов, связанные с передачей энергии в форме теплоты и работы при осуществлении последних и учетом состояний равновесности в ХТП. Их подразделяют на энергетические и статические характеристики ХТП соответственно.

По энергетическим характеристикам процессы делятся на экзотермические и эндотермические. Экзотермические процессы – процессы, идущие с выделением энергии, эндотермические процессы – процессы, идущие с поглощением энергии. Экзотермические процессы сопровождаются повышением температуры, а эндотермические – с понижением температуры. Если и экзотермические, и эндотермические эффекты очень малы по абсолютной величине независимо от знака то такие процессы называют атермическими процессами, как например следующая

[Ca(OH)₂]+{Na₂CO₃}=[CaCO₃]+2{NaOH} – атермическая реакция.

Энергетической характеристикой химического процесса является энтальпия (тепловой эффект):

Δ_rH⁰₂₉₈<0 – экзотермический процесс

Δ_rH⁰₂₉₈>0 – эндотермический процесс

Δ_rH⁰₂₉₈≈0 – атермический процесс.

Тепловые эффекты процесса влияют на энергозатраты производства.

11. Хим. пр-ть – крупнейший потребитель топлива и электроэнергии.

Тепловая энергия исп. для нагрева, плавления, сушки, выпаривания. Тепл. проц. б. высоко-, средне-, низкотемпературные и криогенные. Эту энергию получают за счет сжигания различных видов топлива . Теплоносителем в данном случае являются топочные газы.

Электрич. энергия - для проведения электрохим. (электролиз растворов и расплавов) и электротермич. (плавление, нагревание) проц. Эта энергия служит для освещения и используется для получ. мех. энергии.

Механич. энергия- для физ. операций: дробления, измельчения, смешения, центрифугирования.

Энергетические ресурсы б. топливные и нетопливные, возобновляемые и невозобновляемые, первичные и вторичные.

Первичные: Топливные б.тверд. (угли, торф, дрова, жидкие (нефть, бензин, керосин) газообразные (прир., попутный газ ).Возобновляемые ресурсы- солн. энергия, энергия ветра.Невозобновляемые - те ресурсы, кот. по мере их добычи необратимо уменьшаются.

Вторичными энергетическими ресурсами(ВЭР) наз. энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в агрегатах, кот. не применяются в самом технологическом агрегате, но могут частично или полностью использ. для энергоснабжения других агрегатов. По виду энергии они б.:

1. горючие (топливные) ВЭР– химическая энергия отходов.

2. тепловые ВЭР– физическая теплота отходящих газов агрегатов, основной, побочной, промежуточной продукции и отходов производства.

3. ВЭР избыточного давления(силовое)– потенциальная энергия газов и жидкостей, выходящих из агрегатов, находящихся при изб. давлении.

Направления использования вторичных энергетических ресурсов: топливное(горючие комп-ты в качестве топлива);тепловое(использование теплоты, получаемой в качестве вторичных энергетических ресурсов);силовое;комбинированное(использование теплоты, электрической или механической энергии, одновременно вырабатываемых за счет вторичных энергетических ресурсов).

Ценность источников энергии определяется количеством энергии, кот. м. б. получена при сжигании 1 кг топлива. Ист. энергии являются входящие потоки, несущие энергию топлива Q_топл, электроэнергиюQ_эл, тепло сырьяQ_сыри вспомогательных материаловQ_мат, экзотермические реакцииQ_экз. Их суммарное кол-во – потребление, или затраты энергииQ_затр. Из системы энергия выводится с потоками целевых продуктовQ_{прод. цел}и побочных продуктовQ_{прод. поб}, с энергетическими потокамиQ_эн, затрачивается на проведение эндотермич.реакцийQ_энди теряется естественным путемQ_пот. Энерг.эф-ость ХТС хар-ют КПД

Полное использ. энерг. ресурсов направлено на минимизацию затрат на энергетические и тепловые ресурсы

Q_топл Q_{прод. цел}

Q_эл Q_{прод. поб}

Q_сыр ХТС Q_эн

Q_мат Q_энд

Q_экз Q_пот

. Целью ХТП явл. получ. продукта при мин. экономических затратах. Поэтому надо выбир. оптимальн.режимы и конструции.Исп. реакроры – ап. для хим. превращ.

Требования , кот. д. обеспечить:

1. высокую производительность единицы реакционного объема;

2. значительную селективность для сложного процесса;

3. низкие энергетические затраты;

4. простоту обслуживания, малую стоимость изготовления и выполнение требований техники безопасности;

5. надежность регулирования и устойчивость технологического режима;

6. низкую стоимость продукции.

Важнейших показат. реактора - его интенсивность, кот. хар. количеством целевого продукта, получаемого в единицу времени при заданных условиях с единицы объема (площади) реактора. Интенсивность тем выше, чем меньше времени затрачивается на получение продукта. Поэтому главной задачей при изучении процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от различных факторов:

τ = f [х,C,v],

характеристическое ур

по гидродинамической обстановке.

Реакторы смешения – это емкостные ап. с пере­мешиванием мех. мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения – трубчатые ап., имеющие вид удлиненного канала. Есть два типа ап. – реактор идеального смешения и вытеснения.Для идеального смешения хар-но полное выравнивание всех пар-ов по объему реактора.Идеальное вытеснение - любое ко­личество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твер­дый поршень, и по длине реактора

по условиям теплообмена. реакции сопровождаются тепловыми эффектами, поэтому изменяется температура и возник. разность температур между реактором и окружающей средой - движущ. сила теплообмена.

При отсутствии теплообмена с окр. ср. ре­актор является адиабатическим- теплота идёт на нагрев или охлажде­ние смеси.

Изотермический, если за счет тепло­обмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство темпе­ратуры.

Автотермические , в кот. поддержание температуры процесса осущ. за счет теплоты хим процесса без исп. внешних источников энергии.

по фазовому составу реакционной смеси. Для проведения гомогенных проц применяют реакторы для газофазных и жидкофазных реакций, для гетерогенных проц – газожидко­стные, реакторы для проц в сист. газ – ТВ., ж – тв. ,реакторы для гетерогенно-кат. проц.

по способу организации процесса. периодические, непрерывно действующие и полунепрерывные

В реакторе периодического действия - отдель­ные стадии протекают последовательно и характеризуются различной продолжительностью. Все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса. Параметры изменяются во вре­мени.

В реакторе непрерывного действия все стадии процесса хим превращения вещества осущ. параллельно, одновременно

Реактор полунепрерывного действия - один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой – периодически.

по характеру изменения параметров процесса во времени. –стац и нестац режим. Стац – протек. х.р. в люб. т. ,хар-ся одинак. знач конц.,Темпер. в люб. момент вр.Пар-ры на выходе не зав от вр. Нестац – происх. измен. пар-ов во вр.

по конструктивным характеристикам. емкостные; колонные реакторы; реакторы ти­па теплообменника; реакторы типа реакционной печи

21. В гетеро- проц. компоненты нах. в разн фазах, и процессы связаны с переносом в-ва через поверхность фаз. Конструкция и устройство реакторов д. обеспеч. наилучшие условия для массопередачи, создавать большую поверхность соприкос. фаз.

Реакторы для проведения реакций Г – Т или Ж – Т. Исходя из этого, целесообразно разделить реакторы для гетерогенных процессов в системе Г – Т (Ж – Т) на две группы:

– реакторы, где условия, близки к режиму вытеснения;

– реакторы, где условия близки к режиму смешения.

Для реакторов, работающих в режиме вытеснения, характерно, что состав фаз меняется по мере прохождения через реактор, процессы в таких реакторах, являются неизотермическими. Недостатки описанных реакторов – плох. перемешивание фаз, либо полное его отсутствие, практически полное отсутствие обновления поверхности контакта фаз. Поэтому такие реакторы невыгодно применять там, где необходимо интенсивное перемешивание. В этом случае используют реакторы, относящиеся ко второй группе, где твердый материал находится в режиме смешения.Исп.ап., где перемешивание ТВ. матер. происходит в потоке газа - печи для обжига колчедана и ап. с псевдоожиженным (кипящим) слоем твердого материала Псевдоожиженный слой твердых частиц образуется при пропускании газа снизу вверх через слой твердого материала .Но скорость потока такова, что частицы не покидают пределов слоя и кажет. что материал кипит. Продукты реакции непрерывно выводятся из реактора.

Для проведения процессов в системе Ж – Т часто применяются кубовые или емкостные реакторы с механическими мешалками, а также с пневматическим перемешиванием. Исп. разн. типы мешалок. Для проведения процессов растворения, выщелачивания исп. горизонтальные шнековые реакторы, в которых перемешивание реакционной массы и ее транспортировка осуществляются непрерывным движением шнека.

Реакторы для проведения реакций в системах газ – жидкость (Г – Ж) Реакторы для проведения процессов в системе Г – Ж конструируются по принципу абсорбционных аппаратов, имеют большой объем, но относительно просты и легки в эксплуатации. Чаще это реакторы непрерывного действия, реакторы полупериодические,Взаимодействие газа с жидкостью осуществляют тремя способами: прямо- или противоточным движением сплошных потоков газа и жидкости; барботажем газа в жидкость; разбрызгиванием жидкости в газе

В трубчатом реакторе (рис. 27, а) жидкость стекает по стенкам трубок, одновременно контактируя со встречным потоком газа. Потоки хорошо разделены. Тепловой режим поддерживается регулироваием температуры трубок. Такие реакторы используют в производствах, где нужно точно выдерживать необходимый режим и быстро его регулировать

Рис. 27. Реакторы для процессов, протекающих в системе газ - жидкость:

а, б – трубчатые реакторы; в – насадочная колонна;

г, д – барботажные реакторы; е – распылительная колонна;

ж, з – тарельчатые колонны

Аппараты типа колонн с насадкой, барботажные колонны, либо аппараты оросительного типа. Общий вид насадочных реакторов показан на рис. 27, 3

17.Кинетическими расчетами называются расчеты скоростей. Скорость процесса определяет его интенсивность. Интенсификация процессов состоит в увеличении скорости процесса. Уравнения для определения скорости процессов называются кинетическими.

Для гомофазных процессов при Т=constскорости процессов м. б. представлены как функции концентраций или парциальных давлений всех компонентов реакционной смеси согласно выражению:

Простой необратимый процесс А₁→А₂

Простой необратимый процесс A₁+A₂→A₃,

_{Если реакция обратима: А1}↔А₂,

_{Если протекает обратимая реакция A+B↔L+D, .}

_{С – концентрации реактантов, k1 и k2 – константы скорости; α1, α2, β1, β2 - степени при концентрациях – частные порядки реакций относительно реагентов.}

_{Суммарный порядок реакции не должен превышать трех.}

_{Константа скорости показывает вероятность взаимодействия молекул Константа зависит от температуры. Эта зависимость носит название уравнения Аррениуса:}

_{Е1, Е2 – энергия активации прямой и обратной реакции. Энергия активации – высота преодолеваемого барьера, который нужно преодалеть для совершения акта химического взаимодействия.}

Чем больше величина энергии активации, тем сильнее зависит константа скорости от температуры. При низких температурах реакция более чувствительна к изменению температуры и подчиняется правилу Вант-Гоффа: при изменении температуры на 10⁰, скорость реакции увеличивается в 2 – 3 раза. Гомофазные реакции очень чувствительны к температуре.