ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Ю. Б. Швалёв, В. В. Коробочкин

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Химические процессы и реакторы

Учебное пособие

Издательство ТПУ

Т омск 2008

	УДК 66.0 (075) Ш 33
Ш 33	Швалёв Ю. Б., Коробочкин В. В. Общая химическая технология. Химические процессы и реакторы: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 180 с.

В учебном пособии дано определение химической технологии как науки и объекта её исследования – химического производства. Рассмотрены теоретические закономерности химических процессов и основы теории химических реакторов, общие принципы разработки химико-технологических процессов на основе системного подхода.

Пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов специальностей 240801 «Машины и аппараты химических производств», 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», 240304 «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов», 240401 «Химическая технология органических веществ» Института дистанционного образования.

УДК 66.0 (075)

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Рецензенты:

А. В. Кравцов – заведующий кафедрой ХТТ ТПУ, профессор, доктор технических наук;

И. В. Гончаров – заведующий лабораторией пластовых нефтей «Томск НИПИнефть, профессор, доктор геолого-минералогических наук, кандидат технических наук.

© Томский политехнический университет, 2008

О главление

ОГЛАВЛЕНИЕ 3

Введение 6

Глава 1 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО СОДЕРЖАНИЕ 8

§ 1.1. Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов 10

§ 1.2. Стехиометрия химических реакций 13

§ 1.3. Технологические критерии эффективности химико-технологического процесса 15

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 24

Глава 2 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 27

§ 2.1. Равновесие химических реакций 28

§ 2.2. Способы смещения равновесия 34

§ 2.3. Зависимость константы равновесия от температуры 37

§ 2.4. Расчет равновесия по термодинамическим данным 38

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 42

Глава 3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНОВ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ПРИ ВЫБОРЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА И МОДЕЛИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 44

§ 3.1. Скорость гомогенных химических реакций 44

§ 3.2. Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагентов. Кинетические уравнения 46

§ 3.3. Способы изменения скорости простых и сложных реакций 50

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 56

Глава 4 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ 59

§ 4.1. Моделирование химических реакторов и протекающих в них химических процессов 59

§ 4.2. Структура математической модели химического реактора 62

§ 4.3. Уравнение материального баланса для элементарного объема проточного химического реактора 65

§ 4.4. Классификация химических реакторов и режимов их работы 69

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 74

Глава 5 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ С ИДЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА В ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 75

§ 5.1. Реактор идеального смешения 75

§ 5.2. Реактор идеального вытеснения 84

§ 5.3. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения 90

§ 5.4. Каскад реакторов идеального смешения 96

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 101

Глава 6 ТЕПЛОПЕРЕНОС В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ 106

§ 6.1. Уравнение теплового баланса. Тепловые режимы химических реакторов 107

§ 6.2. Проточный реактор идеального смешения в неизотермическом режиме 108

§ 6.3. Тепловая устойчивость химических реакторов 120

§ 6.4. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах 124

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 136

Глава 7 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 137

§ 7.1. Общие особенности 138

§ 7.2. Диффузионные стадии 141

§ 7.3. Гетерогенные некаталитические процессы в системе «газ – твердое вещество» 143

§ 7.4. Гетерогенные процессы в системе «газ – жидкость» 162

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 170

Глава 8 ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 171

§ 8.1. Общие представления о катализе 171

§ 8.2. Технологические характеристики твердых катализаторов 174

§ 8.3. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно-каталитических процессов 180

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 187

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 187

Введение 5

Глава 1. ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО СОДЕРЖАНИЕ 7

§ 1.1. Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов 9

§ 1.2. Стехиометрия химических реакций 11

§ 1.3. Технологические критерии эффективности химико-технологического процесса 13

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 22

Глава 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 25

§ 2.1. Равновесие химических реакций 26

§ 2.2. Способы смещения равновесия 32

§ 2.3. Зависимость константы равновесия от температуры 34

§ 2.4. Расчет равновесия по термодинамическим данным 36

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 40

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНОВ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ПРИ ВЫБОРЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА И МОДЕЛИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 41

§ 3.1. Скорость гомогенных химических реакций 41

§ 3.2. Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагентов. Кинетические уравнения 43

§ 3.3. Способы изменения скорости простых и сложных реакций 47

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 52

Глава 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ 56

§ 4.1. Моделирование химических реакторов и протекающих в них химических процессов 56

§ 4.2. Структура математической модели химического реактора 58

§ 4.3. Уравнение материального баланса для элементарного объема проточного химического реактора 61

§ 4.4. Классификация химических реакторов и режимов их работы 66

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 70

Глава 5. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ С ИДЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА В ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 71

§ 5.1. Реактор идеального смешения 71

§ 5.2. Реактор идеального вытеснения 80

§ 5.3. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения 85

§ 5.4. Каскад реакторов идеального смешения 91

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 96

Глава 6. ТЕПЛОПЕРЕНОС В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ 101

§ 6.1. Уравнение теплового баланса. Тепловые режимы химических реакторов 101

§ 6.2. Проточный реактор идеального смешения в неизотермическом режиме 103

§ 6.3. Тепловая устойчивость химических реакторов 114

§ 6.4. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах 118

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 130

Глава 7. ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 131

§ 7.1. Общие особенности 131

§ 7.2. Диффузионные стадии 134

§ 7.3. Гетерогенные некаталитические процессы в системе «газ – твердое вещество» 136

§ 7.4. Гетерогенные процессы в системе «газ – жидкость» 154

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 161

Глава 8. ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 163

§ 8.1. Общие представления о катализе 163

§ 8.2. Технологические характеристики твердых катализаторов 166

§ 8.3. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно-каталитических процессов 172

Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы 178

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 179