- •Химико-технологические системы
- •Содержание
- •Введение
- •1. Химико-технологические процессы и химико-технологические системы
- •1. Термины и определения
- •2. Технологические критерии эффективности химико-технологических систем
- •1. 2. 1. Степень превращения
- •1. 2. 2. Выход продукта
- •1. 2. 4. Производительность и интенсивность
- •1. 2. 5. Избирательность
- •1. 3. Структуры химико-технологических систем
- •1. 3. 1. Хтс с последовательной технологической связью
- •1. 3. 2. Параллельная технологическая связь
- •1. 3. 3. Последовательно-обводная технологическая связь (байпас)
- •1. 3. 4. Обратная (рециркуляционная) технологическая связь
- •1. 3. 5. Перекрестная технологическая связь
- •1. 4. Системный декомпозиционный анализ химико-технологических систем
- •4. 1. Молекулярно-кинетический уровень
- •1. 4. 2. Макрокинетический уровень
- •1. 4. 3. Аппаратный уровень
- •1. 4. 4. Уровень химико-технологической системы
- •1. 4. 4. 1. Синтез химико-технологической системы
- •1. 4. 4. 2. Анализ химико-технологической системы в целом
- •1. 4. 4. 3. Оптимизация химико-технологической системы
- •2. Химическая термодинамика
- •2. 1. Основные понятия и определения
- •2. 2. Первое начало термодинамики
- •2. 2. 1. Работа расширения идеального газа
- •2. 2. 2. Теплота процесса в различных условиях
- •2. 2. 3. Закон Гесса. Расчет тепловых эффектов химических реакций с использованием стандартных теплот образования и сгорания.
- •2. 2. 4. Зависимость тепловых эффектов химических реакций от температуры. Закон Кирхгофа
- •2. 3. Второе начало термодинамики
- •2. 3. 1. Термодинамически обратимые и необратимые процессы.
- •2. 3. 2. Математическое выражение второго начала термодинамики. Энтропия.
- •2. 3. 2. 1. Энтропия и термодинамическая вероятность
- •2. 3. 2. 2. Изменение энтропии как критерий направления процессов.
- •2. 3. 2. 3. Изменение энтропии при нагревании
- •2. 3. 2. 4. Изменение энтропии при фазовых превращениях
- •2. 3. 2. 5. Расчет абсолютной энтропии вещества
- •2. 3. 2. 6. Изменение энтропии при химическом превращении
- •2. 3. 3. Применение второго начала термодинамики к химическим процессам.
- •2. 3. 3. 1. Термодинамические потенциалы
- •2. 3. 3. 2. Уравнение Гиббса-Гельмгольца
- •2. 3. 3. 3. Критерии направления процессов в закрытых системах
- •2. 3. 4. Химический потенциал идеального и реального газа. Термодинамическая активность.
- •2. 3. 5. Уравнение изотермы химической реакции
- •3. Химическое равновесие
- •3. 1. Константы равновесия
- •3. 2. Расчет равновесного состава и равновесного выхода продуктов химической реакции
- •3. 3. Влияние температуры и давления на равновесный выход продуктов реакции. Принцип Ле Шателье.
- •3. 3. 1. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары химической реакции.
- •3. 3. 2. Влияние давления на равновесный выход продуктов химической реакции.
- •4. Фазовые равновесия
- •4. 1. Основные понятия и определения
- •4. 2. Условия равновесного сосуществования фаз
- •4. 3. Правило фаз Гиббса
- •4. 4. Однокомпонентные системы
- •4. 4. 1. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
- •4. 4. 1. 1. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к процессу плавления
- •4. 4. 1. 2. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к процессам испарения и возгонки
- •4. 4. 2. Диаграмма состояния однокомпонентной системы
- •4. 5. Метод физико-химического анализа. Диаграммы состав – свойство
- •4. 6. Двухкомпонентные системы
- •4. 6. 1. Бинарные системы взаимно растворимых жидкостей.
- •4. 6. 1. 1. Общая характеристика растворов
- •4. 6. 1. 2. Диаграмма состояния температура кипения – состав для идеального жидкого раствора
- •4. 6. 1. 3. Правило рычага
- •4. 6. 1. 4. Диаграммы температура кипения – состав для неидеальных растворов
- •4. 6. 1. 5. Разделение бинарных растворов
- •4. 6. 2. Системы взаимно нерастворимых жидкостей
- •4. 6. 2. 1. Диаграмма температура кипения состав для двух несмешивающихся жидкостей
- •4. 6. 2. 2. Перегонка с водяным паром
- •4. 7. Трехкомпонентные системы
- •4. 7. 1. Закон распределения
- •4. 7. 2. Экстрагирование
- •Библиографический список
Введение
Значительный прогресс в химической технологии связан с новыми подходами к решению теоретических и прикладных задач – математическим моделированием и системными исследованиями. Основной чертой новой технологической идеологии является системный подход, рассматривающий в единстве физико-химический, физико-математический, инженерно-технический, экономический, экологический и социальный аспекты организации производства. Такой подход нацелен на создание надежных, безопасных, энергоэффективных, высокопроизводительных и экономичных, непрерывных и безотходных, гибких по сырью и целевым продуктам производств.
При разработке новых химических производств, реконструкции существующих, а также при управлении ими одним из важнейших этапов является анализ протекания химико-технологических процессов и последующая их оптимизация. Задача оптимизации выполнима только при условии, если технологи, умеющие описывать корреляционные связи между технологическими показателями качества протекания химико-технологических процессов и технологическими параметрами управления, смогут устанавливать связи между экономическими и технологическими показателями эффективности производств, а экономисты и менеджеры будут знать, что управление химическим производством невозможно без знания основных закономерностей протекания химических процессов, и освоят методы технологического управления ими.
Современное химическое предприятие можно рассматривать как сложную химико-технологическую систему, содержащую подсистемы, соответствующие различным уровням сложности. Подсистемы первого (нижнего) уровня – это машины и аппараты. Второй уровень иерархии образуют совокупности машин и аппаратов в масштабе цеха. Третий уровень – это совокупность цехов в масштабе производства товарной продукции. Четвертый уровень образуют совокупности производств в рамках предприятия. Следует отметить, что указанная иерархия подсистем подчинена в основном задачам расчета химико-технологических систем. На стадиях проектирования и конструирования могут быть выделены и другие подсистемы.
В каждом элементе происходит преобразование потока: смешение, разделение, измельчение, нагрев, преобразование энергии, сжатие, расширение, химическое превращение и т. д. Потоки (или связи) обеспечивают передачу вещества или энергии между аппаратами (элементами системы) и могут быть материальными, тепловыми, энергетическими.
Методы изучения систем, в том числе и химико-технологических, включают эвристические или неформализованные методы и формализованные строгие математические приемы, алгоритмы расчета, анализа и построения схем.
Изучение химико-технологических систем играет важную роль в системе подготовки экономистов-менеджеров для химической промышленности. Дисциплина «Химико-технологические системы» служит связующим звеном между изучением теоретических основ прогрессивных технологий и основ физической химии с одной стороны и инженерными и технологическими дисциплинами, такими как «Процессы и аппараты, их конструирование для химических производств» и «Технология химических производств», с другой. Целью дисциплины, во-первых, является изучение системы аппаратов с различным функциональным назначением, взаимосвязанных материальными и энергетическими потоками и действующих как единое целое при выпуске товарной продукции заданного качества. Во-вторых, изучение сущности физико-химических превращений, осуществляемых в условиях химического производства.
На основе фундаментальных законов в учебном пособии рассматриваются следующие основополагающие вопросы: структура химико-технологических систем; технологические показатели качества химико-технологических систем; энергетические эффекты химических процессов; расчет химических равновесий и учет влияния внешних факторов на смещение равновесий; фазовые превращения в одно- и многокомпонентных системах; расчет фазовых равновесий; общие подходы к синтезу, анализу и оптимизации химико-технологических процессов.
.