- •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
4. 1. Молекулярно-кинетический уровень
Первый уровень предполагает описание процессов, как молекулярное взаимодействие реагирующих веществ. Принимают, что реагирующие вещества хорошо перемешаны и их молекулы могут беспрепятственно вступать во взаимодействие друг с другом, диффузионные торможения отсутствуют и процесс протекает в кинетическом режиме. Протекание химико-технологического процесса описывается закономерностями кинетики химических реакций. При описании, анализе и расчете протекания химической реакции, как элемента сложного процесса, используют известные кинетические закономерности без вскрытия механизма реакции. Анализ на этом уровне проводят в два этапа. На первом этапе оценивают возможность самопроизвольного протекания реакций и условия термодинамического равновесия, рассчитывают предельные (равновесные) выходы продуктов и степени превращения компонентов сырья при заданных ограничениях по температуре, давлению и начальным концентрациям компонентов сырья, а также оценивают тепловые эффекты. Предельные значения степени превращения сырья и выходов продуктов при протекании обратимых химических процессов, или диапазон рабочих температур и давлений, при которых возможно достижение заданной степени использования сырья, прогнозируют на основе данных о равновесии реакций. На втором этапе прогнозируют влияние оперативных управляющих параметров на скорость и избирательность реакций. Влияние температуры, давления, концентраций реагентов на скорость реакции определяют, оперируя кинетическим уравнением реакции или другой известной информацией о кинетике реакции. В случае протекания сложных параллельных или последовательных реакций влияние управляющих параметров на избирательность прогнозируют на основе соотношения скоростей основной и побочной реакций.
Подробнее молекулярно-кинетический уровень анализа ХТС рассматривается в главах 2 и 3.
1. 4. 2. Макрокинетический уровень
Этот уровень описывает протекание гетерогенных процессов. Для этого используют закономерности протекания процесса взаимодействующих фаз в «малом объеме», характерном для анализируемого процесса. Это может быть частица твердого материала, реагирующего с газом или жидкостью, гранула катализатора, пузырек газа, поднимающийся в жидкости, капля жидкости, омываемая газом и др. Необходимость рассмотрения процессов на этом уровне связана с тем, что для анализа и расчета гетерогенных процессов знания закономерностей протекания только химических реакций в большинстве случаев недостаточно. Скорость реакции может ограничиваться скоростью массопередачи между потоком и поверхностью контакта фаз. Диффузионные торможения снижают теоретически возможную скорость реакции. В этом случае закономерности влияния параметров управления на скорость реакции необходимо дополнить закономерностями протекания физических процессов переноса массы и теплоты в «малом объеме». Для гетерогенно-каталитических процессов на этом уровне оценивают влияние геометрических размеров частицы катализатора и ее пористой структуры, скорости физических диффузионных процессов на наблюдаемую скорость процесса.
На этом уровне рассматриваются также фазовые переходы, сопровождающие химические реакции или использующиеся для процессов очистки и разделения веществ. К ним относятся: испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, возгонка, сублимация, растворение, экстракция и др.
Некоторые вопросы макро-кинетического уровня анализа подробнее рассматриваются в главе 4.