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