- •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
1. 2. 1. Степень превращения
Совершенство процесса с позиции полного использования сырья оценивают с помощью степени превращения (конверсии).
Степень превращения – это отношение количества (массы, объема) одного из реагентов, вступившего в реакцию, к начальному количеству (массе, объему) этого реагента. Например, для реакции
степень превращения веществ Х рассчитывают по соотношениям:
Здесь пА,0, пВ,0, тА,0, тВ,0, VА,0, VВ,0 - число молей, масса и объем реагентов А и В в начале процесса; пА, пB,, тА,, тВ, VА, VВ – то же в конце процесса. В принятых обозначениях степень превращения безразмерна, но часто ее выражают в процентах.
Если реагенты А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то XА = ХВ. Степень превращения реагента, взятого с избытком от стехиометрического соотношения, всегда ниже, чем для реагента, поступающего в недостатке. Если aВ – коэффициент избытка В по отношению к стехиометрии, то
,
при этом
Если реакция протекает без изменения объема, то концентрация (С, моль/м3) реагента или его объемная доля (φ, %) в начале и в конце процесса равны:
;
;
где V – объем реагирующей смеси; V A,0, VA – объем реагента А.
Тогда степень превращения реагента А можно выразить:
Для реакций, протекающих с изменением объема:
Здесь eА — относительное изменение объема реакционной смеси при полном превращении реагента А.
Для необратимых реакций максимальное значение степени превращения реагента, поступающего в реактор в недостатке, равно 1. Для обратимых реакций значение максимальная степень превращения меньше 1. Такую степень превращения называют равновесной.
Для процессов межфазной массопередачи (испарение, конденсация, абсорбция, десорбция и др.) степень превращения называют степенью межфазного перехода, например степенью абсорбции, степенью десорбции, степенью конденсации и т.п.
1. 2. 2. Выход продукта
Совершенство процесса с позиции полного использования сырья оценивают также с помощью «выхода продуктов».
Выход продукта В – это отношение фактически полученного продукта п (или т) к его максимальному количеству пmax (или тmax), рассчитанному по стехиометрическому уравнению реакции при степени превращения исходных реагентов, равной 1:
Если в реакции участвуют два или более веществ, например А+В®D, то различают выход целевого продукта D по исходному веществу A(ВD(а)) и по веществу В (ВD(В)).
Если А и В содержатся в исходной смеси не в стехиометрическом соотношении, то ВD(а) ¹ ВD(В)
(при XA = 1); (при XB = 1)
Для простых реакций (т.е. в отсутствие параллельных и последовательных превращений) выход продукта по какому-либо компоненту исходного сырья численно равен степени превращения этого компонента, т.е.:
ВD(A) = XA: ВD(B) = XB
Для ХТП со сложными (параллельными, последовательными) реакциями выход продукта всегда меньше степени превращения соответствующего исходного реагента, превращение которого проходит по нескольким направлениям (реакциям):
; ВD(B) < XB
Для простых необратимых реакций максимальный фактический выход равен 1. Для обратимых реакций исходное вещество превращается в продукт не полностью, так как при установлении равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. В этом случае максимальное количество продукта равно его равновесному количеству, т. е. nmax = nравн.
Для характеристики степени приближения обратимого процесса к равновесию на практике используют так называемый выход от теоретического или выход от равновесного Вт, который равен:
Выход от равновесия наиболее объективно характеризует совершенство процесса по эффективности использования ресурсов.
Выход продукта выражают в долях единицы или в процентах. Этот показатель во многом отражает степень совершенства технологического процесса, затраты сырья на единицу продукта и экономические показатели производства.
1. 2. 3. Расходные коэффициенты сырья
Расходные коэффициенты (РК) характеризуют затраты сырья на производство товарных продуктов.
Расходный коэффициент – это отношение количества сырья, затраченного при проведении ХТП, к количеству полученного целевого продукта. Различают теоретические и практические РК. Теоретический расходный коэффициент рассчитывают по стехиометрическому уравнению основной реакции с учетом содержания исходного реагента в сырье. Например, для реакции аА®bВ теоретический расходный коэффициент hт для получения продукта В определяют по соотношению:
Здесь МA, МВ — молекулярное массы реагента А и продукта В; wа – массовая доля компонента А в сырье.
При расчете практических расходных коэффициентов учитывают степень превращения исходного реагента Xа, выход продукта Bв(а), избирательность ΦB:
Практический расходный коэффициент всегда выше теоретического. Задача уменьшения отношения hп/hт сводится к повышению степени превращения, избирательности и как следствие – выхода продукта. При этом финансовые затраты на повышение этих показателей в области низких значений hп/hт могут существенно превышать эффект от уменьшения затрат на сырье (рис. 1).