3.2. Термодинамические расчеты химико-технологических процессов

Одним из самых первых видов количественных расчетов в химической технологии являлись термодинамические расчеты. Их задачей является определение возможности протекания химического превращения, теплового эффекта реакции, определение равновесия в реагирующих системах (расчет равновесных концентраций и степеней превращения).

Тепловой эффект реакции

Изменение химического состава реагирующей смеси приводит к изменению ее энтальпии Нт, которое можно рассчитать через энтальпии образования компонентов по следствию из закона Гесса (Нт)обр:

Нт = _i(Нт)обр _i

Если энтальпия образования продуктов больше, чем энтальпия образования исходных веществ, то теплота поглощается. и наоборот.

Qр= -  Нт

В зависимости от знака Qр или  Нт реакции бывают экзотермическими или эндотермическими.

Тепловой эффект входит в запись термохимического уравнения, представляющего собой стехиометрическое уравнение с указанием его теплового эффекта:

Значение Qр зависит от записи химического уравнения, поэтому в справочниках тепл эффект приводится прямо в уравнениях или указыфается изменение энтальпии в расете на 1 моль превратившегося вещества.

Равновесие химических реакций.

3. Основные закономерности химической технологии

Химические процессы (ХП) и их роль в структуре химического производства. Классификация химических реакций, лежащих в основе химических процессов. Равновесие химических реакций. Расчет равновесия по термодинамическим данным. Равновесная степень превращения и ее связь с константой равновесия. Способы смещения равновесия. Физико-химические закономерности химического превращения – стехиометрические, термодинамические, кинетические. Взаимосвязь типа реакций, условий их проведения и показателей ХП – степени и скорости превращения, выхода продукта, избирательности. Температура, концентрация, давление как основные технологические параметры химического процесса. Влияние температуры, концентрации, давления на степень превращения реагентов для химических процессов, в основе которых лежат простые обратимые, необратимые, экзо-, эндотермические или сложные реакции.

Скорость химических процессов. Кинетические уравнения простых, сложных, гомогенных и гетерогенных реакций. Константа и коэффициент скорости, порядок реакции. Способы изменения скорости реакций (влияние концентрации, температуры, давления, поверхности раздела фаз).

Термодинамические и кинетические закономерности как основа выбора оптимального технологического режима. Понятие оптимального технологического режима. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в реакторах для эндо- и экзотермических, обратимых и необратимых ХП. Выбор оптимальных концентраций реагентов, давления. Обоснование оптимального технологического режима на примерах промышленных химических процессов (окисление SO₂, синтез NH₃, конверсия СН₄, окисление NH₃, окисление FeS₂ и др.). Технические решения, связанные с увеличением степени и скорости превращения исходных реагентов на примерах химических процессов (двойное контактирование, ввод конденсата для охлаждения газовой смеси и др.).

Процессы, лежащие в основе ХТП, можно разделить на следующие:

1) механические и гидромеханические – перемешивание ма­териалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смеше­ние и разделение потоков; все они протекают без изменения химическо­го и фазового состава обрабатываемого материала; для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры;

2) теплообменные – нагрев, охлаждение, изменение фа­зового состояния; химический состав веществ при этом не меняется; они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, пла­вилках, сублиматорах;

3) массообменные – растворение, кристаллизация, суш­ка, дистилляция, ректификация, абсорбция, адсорбция, экстракция, десорбция; представляют собой перенос вещества внутри фазы или меж­ду фазами, вызванный градиентом его концентраций и протекающий без изменения химического состава; для данных процессов служат кристаллизато­ры, сушилки, дистилляторы, ректификаторы, абсорберы, адсорберы, экстракто­ры, десорберы;