Химическая технология – переработка в процессе которой превалируют физические и химические являются, которые приводят к коренному изменению состава, свойств, строения веществ.

ХТ – наука естественно-прикладная о сп. и процессах производства продуктов (предметах потребления и средств производства) осуществляется с участием хим. превращений технологически, экономически и социально целесообразным путем.

Предметом ХТ является химическое производство. Цель: создание целесообразным методом продукта.

Методы: экспериментальный, математическое моделирование, системный анализ.

Химическое производство – это совокупность процессов переработки сырья в нужные продукты с использованием химических превращений, осуществляемых в предназначенных для этого машинах и аппаратах.

Химическое производство – объект исследования науки химическая технология, совокупность процессов и операций осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенный для переработки сырья путем химических превращений для получения продуктов.

Требования:

• Получение в производстве необходимого продукта

• Экологическая безопасность

• Безопасность, надежность эксплуатации

• Максимальное использование сырья и энергии

• Максимальная производительность труда

Состав:

Сырье – подготовка сырья – переработка сырья – выделение продукта – очистка – энергетическая система – водоподготовка – система управления.

Методы ХТ:

1. математическое моделирование – метод исследования объекта на модели (явление, процессы): полученные свойства модели переносятся на свойства моделируемого объекта.

Модель – специально созданный объект любой природы, более простой по сравнению с исследуемым объектом, который надо изучить.

Модель:

1. физическая (изучение гидродинамических свойств)

2. математическая (описывание процессов системой математических уравнений), делится на реальную и знаковую.

Теория химических процессов

Физико-химические закономерности

Стехиометрические уравнения показывают, в каких соотношениях вещества вступают в химическое взаимодействие.

Общий вид стехиометрического уравнения:

nAA + nBB + .... = nRR + nSS +...

где А, В,... - исходные вещества; R, S,... - продукты; nA, nB,nR ,, nS ... - стехиометрические коэффициенты.

Стехиометрическое уравнение устанавливает соотношение между количествами превратившихся веществ:

(N_A0 – N_A)/ nA = (N_B0 – N_B)/ nB = (N_R – N_R0)/ nR = (N_S – N_S0)/ nS,

где N_A0, N_B0, N_R0, N_S0 - начальные количества компонентов A, B, R, S; N_A, N_B, N_R0, N_S - количества тех же компонентов после превращения.

Алгебраическая форма стехиометрических уравнений

Используя алгебраическую форму стехиометрического уравнения, получим такой вид записи соотношения между количествами превратившихся веществ:

(N₁ - N₁₀)/ ₁ = (N₂ - N₂₀)/ ₂ = ..... = (N _i – N _i0)/ _i = const,

где N₁₀, N₂₀,..., N _i0 - начальные количества компонентов;

N₁, N ₂… N _i - количества компонентов после превращения;

₁, ₂ ... _i - соответствующие стехиометрические коэффициенты.

Исходные вещества убывают и для них (N_i - N_i0) < 0, продукты образуются и для них (N_i - N_i0) > 0.

Соответствующий знак имеют стехиометрические коэффициенты _i:

для исходных веществ (_i < 0), для продуктов (_i > 0).

Стехиометрически независимые уравнения

На основании стехиометрической количественной связи между реагентами можно рассчитать состав реакционной смеси в химическом превращении. Таким образом, стехиометрические уравнения служат для составления материальных балансов в химически реагирующей системе и на этой основе- тепловых балансов и расчетов основных технологических показателей, таких как расходный коэффициент, степень превращения, выход продукта, селективность.

Для расчета материальных и тепловых балансов необходимо использовать только стехиометрически независимые уравнения, т.е. Такую систему уравнений, в которой ни одно из них не может быть получено линейной комбинацией других.

Базисная система стехиометрических уравнений

Базисная система стехиометрических уравнений, однозначно и полно описывающая процесс, должна содержать число стехиометрически независимых уравнений, определяемых уравнениями:

Для реакции обмена:

У = В – (Э – 1),где У – число уравнений в базисной системе, В-число веществ, Э-число элементов, из которых состоят вещества

Для ОВР:

У = В – Э (соблюдается не только поэлементный баланс, но и баланс по электронам)

Степень превращения - отношение количества превращенного исходного вещества N₀ – N к его начальному количеству N₀.

Степень превращения может быть определена для любого исходного реагента, например, x_А = (N_А0 – N_А)/N_А0, x_В = (N_В0 - N_В)/N_В0.

Связь между степенями превращения двух исходных веществ:

Степень превращения

Количество любого вещества N_i в реагирующей смеси можно определить по формуле:

В сложной реакции полнота превращения определяется для каждого стехиометрического уравнения. Определив x_Aj - его степень превращения в каждом j-ом уравнении, можно рассчитать количество N_i любого компонента:

Стехиометрия в технологических расчетах

Концентрации компонентов в реакционной смеси.

И стехиометрические уравнения, и степень превращения определяют изменение количества вещества. На практике состав смеси выражают через концентрации компонентов:

Общее количество реагирующей смеси

Стехиометрия в технологических расчетах

Величина - изменение числа молей в реакции, по ней судим об изменении объема.

Начальные концентрации

, то

Выход продукта- это отношение количества исходного вещества например А, к количеству А, превратившегося в продукт.

Для продукта R: Е_R= _А(N_R – N_R0)/ N_А0*_А

Для простой реакции: Е_R=Х_А

Для сложной реакции вводится понятие селективности – показывает, какая доля превратившегося исходного вещества пошла на образование заданного.

E_R и S_R имеют значение для сложных реакций,

для простых S_R =1., E_R= X_A

Интегральная селективность по продукту – это отношение количества исходного вещества, превращенного в данный продукт, ко всему количеству превращенного реагента.

Интегральная селективность по продукту R (при N_R0 = 0)

S_R = _А1 *N_R /_R(N_А0 - N_А)

Для двух последовательных реакций:

_АA _RR _SS

Интегральная селективность по продукту R (при N_R0 = 0)

S_R = _А *N_R /_R(N_А0 - N_А)

Термодинамические закономерности.

Химическое равновесие определяется условием DGP,T = 0.

Уравнение Вант-Гоффа ( ) определяет зависимость энергии Гиббса DGP,T от состава реакционной смеси.

Назовем равновесными состав смеси и концентрации компонентов при химическом равновесии, и тогда:

Выражение в квадратных скобках определяет константу равновесия химического превращения К_Р, представленного стехиометрическим уравнением:

(1) и

т.е. константа равновесия Kp - термодинамическая функция, зависящая только от температуры:

(0)

Отметим, что концентрации в уравнении (1) определены относительно стандартного состояния, т.е. они безразмерные. Соответственно, Kp – также безразмерная величина. На практике используют концентрации веществ разной размерности, соответственно, равновесный состав смеси, определяют из уравнений:

(2) или (3)

где Ci и pi – соответственно равновесные концентрации и парциальные давления компонентов; nA, nB, nR, nS, - стехиометрические коэффициенты. ni - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции в алгебраической форме.

Для неидеальной смеси в (2) используют активности вместо концентраций, а в (3) - летучести вместо парциальных давлений.

Если реакционная смесь идеальна (небольшие температуры и давления, разбавленные растворы), то, используя справочные значения или и DST, можно рассчитать K_P из (0).

Многие реальные смеси являются не идеальными, и для них используют формулы расчета K_P в таком виде:

K_P будет увеличиваться с ростом температуры для эндотермических реакций (Q_P < 0) и уменьшаться для экзотермических (Q_P > 0)

Если какой-то компонент в реагирующей системе находится в твердом состоянии, то его концентрация тем самым фиксирована. Эту постоянную величину обычно включают в константу равновесия. В таком случае в выражение, например, (3) войдут равновесные парциальные давления только газообразных компонентов.

Для упомянутой выше реакции сажеобразования

СО + Н₂ = Ств + Н₂О

углерод (сажа) Ств образуется в твердом состоянии, и

Равновесный состав реагирующей смеси

Концентрации всех компонентов в реагирующей смеси связаны между собой стехиометрическим уравнением, их можно определить через начальный состав и степень превращения ключевого компонента x.

В равновесии достигается равновесная степень превращения xр, так что выражение (2) или (3) примет вид

КР = f(xР) (4

Определив из него xр, далее находят равновесные концентрации всех компонентов. Приведем примеры.

Простая реакция.

• Простая обратимая реакция: А = R.

Начальная концентрация компонента А - С_A0, компонент R - отсутствует.

В равновесном состоянии С_А,равн= c_A0(1-x_Р)

и С_R,равн= С_A0x_Р.

Из (2) получим

, (5)

Учитывая зависимость К_Р(Т) для экзо- и эндотермических реакций, можно построить зависимость x_Р(Т) для этих реакций - рис. 3.3.

2. Конверсия СО с водяным паром: СО + Н2О = СО2 + Н2. Для нее

где парциальные давления компонентов pi = РСi;

Р - общее давление.

Концентрации СО, Н₂О, СО₂, Н2 в начальной смеси С₁₀, С₂₀, С₃₀, С₄₀, а в равновесии - С₁р, С₂р, С₃р, С₄р соответственно.

Выразим Сip через равновесную степень превращения xP:

С₁р = С₁₀(1 - x_Р); С₂р = С₂₀ - С₁₀Х_Р; С₃р = С₃₀ + С₁₀X_Р; С₄р = С₄₀ + С₁₀X_Р;

тогда из (3.39) получим квадратное уравнение относительно xP:

Его решение

где а = К_Р/[2С₁₀(К_Р - 1)], b = (С₂₀/С₁₀) [К_Р - С₃₀С₄₀/(С₁₀С₂₀)]. (0 < X_Р < 1)

3. Не всегда можно получить аналитическое выражение для xр.

Реакция SO₂ + 0,5O₂ = SO₃ протекает с изменением объема.

Начальные концентрации SO₂ и O₂ - С₁₀ и С₂₀ соответственно.

Парциальные давления компонентов получим из определения pi = РСi

Р - общее давление.

Концентрации компонентов выразим через степень превращения SO₂ - x:

(индекс "3" относится к SO₃).

В условиях равновесия

Уравнение решают методом подбора xр, после чего находят концентрации всех компонентов.