- •Предисловие
- •Тема 1 общие понятия о химическом производстве
- •1.1. Химическая технология как наука
- •М акрокинетика
- •1.2. Связь химической технологии с другими науками
- •Химическая технология
- •1.3. История отечественной химической технологии
- •Контрольные вопросы
- •Тема 2 компоненты химического производства
- •2.1. Сырье в химическом производстве
- •Химическое сырье, классификация
- •Кларки наиболее распространенных в земной коре элементов
- •2.2. Энергия в химической технологии
- •Энергетические ресурсы
- •2.4. Воздух в химической технологии
- •Химический состав сухого воздуха в приземном слое
- •Структура вредных выбросов промышленности России
- •Контрольные вопросы
- •Тема 3 критерии оценки эффективности химического производства
- •3.1. Технико-экономические показатели (тэп)
- •3.2. Структура экономики химического производства
- •Контрольные вопросы
- •Тема 4 системный подход в изучении химико-техноло-гического процесса
- •4.1. Общие понятия и определения
- •4.2. Химико-технологическая система как объект моделирования
- •4.3. Операторы
- •Типовые технологические операторы
- •4.4. Матричное представление моделей
- •Матрица инценденций
- •Матрица смежности (связи)
- •4.5. Подсистемы хтс
- •4.6. Связи
- •4.7. Классификация технологических схем
- •4.8. Системный подход к разработке технологии производства
- •4.9. Оптимизация производства
- •Контрольные вопросы
- •Тема 5 общие закономерности химических процессов
- •5.1. Понятие о химическом процессе
- •5.2. Классификация химических реакций
- •5.3. Интенсификация гомогенных процессов
- •5.4. Интенсификация гетерогенных процессов
- •5.5. Интенсификация процессов, основанных на необратимых реакциях
- •5.6. Интенсификация процессов, основанных на обратимых реакциях
- •Контрольные вопросы
- •Тема 6 гетерогенный катализ
- •6.1. Общие положения катализа
- •6.2. Процессы абсорбции и хемосорбции в гетерогенном катализе
- •6.3. Механизм гетерогенных каталитических процессов
- •6.4. Основные требования к гетерогенным катализаторам
- •6.5. Основные структурные параметры гетерогенных катализаторов
- •6.6. Технологические свойства гетерогенных катализаторов
- •6.7. Классификация гетерогенных катализаторов
- •6.8. Состав катализаторов
- •6.9. Приготовление катализаторов
- •Контрольные вопросы
- •Тема 7 гомогенный катализ
- •7.1. Кислотный (основной) катализ
- •7.2. Металлокомплексный катализ
- •7.3. Ферментативный катализ
- •Контрольные вопросы
- •Тема 8 химические реакторы
- •8.1. Принципы классификации химических реакторов
- •8.2. Принципы проектирования химических реакторов
- •8.3. Химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме
- •8.3.3. Примеры аналитического решения математической модели (8.22) и (8.23) для частных случаев.
- •8.4. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения
- •8.5. Конструкции реакторов
- •Контрольные вопросы
- •Тема 9 производство серной кислоты
- •9.1. Способы производства серной кислоты
- •8.2. Сырье процесса
- •8.3. Промышленные процессы получения серной кислоты
- •Влияние параметров процесса на степень превращения so2 в so3
- •9.4. Пути совершенствования сернокислотного производства
- •Динамика использования различных источников сырья
- •Контрольные вопросы
- •Тема 9 производство аммиака
- •10.1. Проблема связанного азота
- •10.2. Получение азота и водорода для синтеза аммиака
- •10.3. Синтез аммиака
- •Контрольные вопросы
- •Тема 11 переработка нефти
- •11.1. Общие сведения о нефти
- •11.2. Классификация нефтей
- •11.3. Состав нефти
- •11.4. Нефтепродукты
- •11.5. Подготовка нефти на нефтепромыслах
- •11.6. Первичная переработка нефти
- •11.7. Пиролиз
- •11.8. Коксование
- •11.9. Каталитический крекинг
- •11.10. Каталитический риформинг
- •11.11. Гидроочистка
- •11.12. Производство нефтяных масел
- •Контрольные вопросы
- •Тема 12 переработка каменного угля
- •12.1. Показатели качества каменных углей
- •12.2. Классификация углей
- •12.3. Коксование каменных углей
- •Коксование
- •Тушение
- •Разгонка
- •12.4. Состав прямого коксового газа и его разделение
- •11.5. Переработка сырого бензола
- •12.6. Переработка каменноугольной смолы
- •12.7. Газификация твердого топлива. Процесс Фишера – Тропша
- •Контрольные вопросы
- •Тема 13 производство стирола
- •13.1. Получение этилбензола
- •13.2. Производство стирола дегидрированием этилбензола
- •13.1.3. Технологическая схема производства стирола дегидрированием этилбензола
- •Контрольные вопросы
- •Тема 14 производство этанола
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Тема 5. Общие закономерности химических процессов……………………..54
- •Тема 6. Гетерогенный катализ ……………………………………….................64
- •Тема 7. Гомогенный катализ……………………………………………………93
- •Тема 8. Химические реакторы…………………………………………………101
- •Тема 9. Производство серной кислоты……………………………………….123
- •Тема 10. Производство аммиака………………………………………………137
- •Тема 11. Переработка нефти…………………………………………………...146
- •Тема 12. Переработка каменного угля………………………………………..204
- •Тема 13. Производство стирола……………………………………………….213
- •Тема 14. Производство этанола………………………………………………..218
Контрольные вопросы
1. Дайте определение гомогенного катализа. Что такое кислотно-основ-ной катализ? Каков механизм его протекания? Приведите примеры.
2. Дайте определение кислот и оснований по Аррениусу, Льюису, Бренстеду, Усановичу.
3. Приведите примеры кислот и оснований Льюиса.
4. Объясните механизм специфического кислотного катализа.
5. Объясните особенности специфического основного катализа.
6. Объясните особенности общего кислотного катализа.
7. Объясните механизм общего основного катализа. Дайте примеры.
8. Объясните особенности электронного катализа. Приведите примеры реакций.
9. Расскажите о кинетике кислотно-оснвного катализа.
10. Объясните механизм металлокомплексного катализа. Что такое кластеры? Примеры катализаторов и реакций.
11. Объясните особенности ферментативного катализа. Дайте определение понятию «фермент».
12. Какие виды специфичности присущи ферментам?
13. Приведите примеры ферментов.
14. Приведите примеры синтезов с использованием ферментов.
Тема 8 химические реакторы
8.1. Принципы классификации химических реакторов
В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.
8.1.1. По организационно-технической структуре операций реакторы делят на реакторы периодического и непрерывного действия.
Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температуры, давления и т.д.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне (рис.8.1).
сА, Т, Р
сА,0
сА
сА, Т, Р
Рис. 8.1. Режим работы реактора периодического действия
сА,0, сА, – концентрации реагента А начальная и в момент ;
Т, Р – температура и давление в реакторе.
Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса (рис. 8.2).
сА,, Т, Р
сА,0 сА,
Т
Р
Рис. 8.2. Режим работы реактора непрерывного действия
В общем виде производительность реактора рассчитывают по формуле:
П = , (8.1)
где т – масса продукта, полученного за время цикла работы реактора;
– время химического процесса, загрузки компонентов и выгрузки продуктов, соответственно.
Так как в непрерывном процессе , то производительность реакторов непрерывного действия выше, чем реакторов периодического действия при прочих равных условиях.
Реакторы классифицируют также по температурному режиму и степени перемешивания. По температуре процесса реакторы делят на высокотемпературные и низкотемпературные, по давлению – на реакторы, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлении. По типу процесса реакторы классифицируют на гомогенные и гетерогенные.
8.1.2. По температурному режиму реакторы и проводимые в них процессы разделяют на адиабатические, изотермические и политермические.
Адиабатические реакторы при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, т.е. имеют хорошую теплоизоляцию. При этом все тепло экзотермической реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Температурный режим в любой точке по фронту реактора описывается уравнением:
Tk =Tн х, (8.2)
где: Tk , Tн – конечная и начальная температуры системы;
Qp/ – тепловой эффект процесса при полном переходе основного компонента из одного состояния в другое;
G – масса реакционной смеси;
с – средняя теплоемкость смеси в интервале температур Тн–Тк;
х – степень превращения.
Если обозначить Qp/ / G c = , то вышеприведенное уравнение является линейным и его можно записать следующим образом
Тк = Тн (8.3)
Знак «+» соответствует экзотермической реакции, знак «–» – эндотермической. представляет собой тангенс угла наклона графика зависимости температуры от степени превращения сырья, изображенного на рис. 8.3.
Т Т
tg Тн
Тк
Тк
xp xp
Тн
х х
а) б)
Рис.8.3. Изменение температурного режима по фронту
адиабатического реактора
а) – экзотермическая реакция; б) – эндотермическая реакция.
По времени контакта реагентов, которое пропорционально габаритам реактора H(L) ( = H/ w), степень превращения и температура в адиабатическом реакторе изменяются также по сложным кривым (рис. 8.4, 8.5).
Х,Т Т
1
Хр
Tk 2
Тн
0 Н(L) 0 H,
Рис. 8.4. Изменение степени превращения Х Рис. 8.5. Температурная характеристика изо-
и температуры Т по высоте Н (длине L) термического (1) и политермического реак-
адиабатического реактора торов (2)
Изотермические реакторы имеют постоянную температуру во всех точках реакционного объема, т.е. Тк = Тср во времени и пространстве в соот-ветствии с графиком 1 на рис. 8.4. Изотермический режим более выгоден для производства и облегчает автоматизацию технологического процесса в реакторе по сравнению с адиабатическим режимом.
Изотермический режим может быть достигнут в реакторах с мешалкой или в кипящем слое. В таких реакторах гидродинамический режим обеспечивает приближение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. При этом температура в экзотермических реакто-рах повышается, а в эндотермических понижается до конечной сразу после поступления исходных веществ в реакционное пространство. Можно приблизиться к изотермическому режиму путем подвода тепла для компенсации эндотермического эффекта или отвода тепла в экзотермическом процессе.
Политермические реакторы характеризуются частичной компенсацией тепла реакции путем отвода (подвода) теплоты. К политермическим относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и теплооб-менниками, помещенными внутрь реакционного объема, например, трубчатые контактные аппараты. Температура по высоте (длине) реактора изменяется по характерной кривой (рис. 8.5).