Общая химическая технология. Кинетика ХТП. Понятия движущей силы. Лекция №1 презентация

Вопросы:
1. Скорость технологического процесса.
2. Движущая сила процесса.
3. Способы увеличения скорости процесса.

Основными объектами, изучаемыми в химической технологии являются равновесие и скорость процессов, которые сильно различаются в гомогенных и гетерогенных системах.
Скорость технологического процесса по целевому продукту есть результирующая скоростей прямой, обратной и побочных реакций, а также диффузий исходных веществ в зону реакции и продуктов из этой зоны.
Закономерности химического равновесия позволяют определить максимально возможный выход продукта. Но теоретический выход продукта в производственных процессах обычно не достигается из-за уменьшения суммарной скорости реакции по мере снижения концентрации исходных веществ.
Кинетика необратимого процесса по закону действия масс, Р, Т - соnst может быть выражена графически.

Видно, что количество продукта возрастает Y(τ) по логарифмической кривой, а υ((τ) уменьшается. При некотором значении υn вести процесс нецелесообразно, так как υn - мало, и его останавливают.
То же самое с обратимым процессом. При некотором значении υn , когда Сисх. веществ достаточно малы, процесс прекращают. Это связано с экономическими затратами.
Кривые, характеризующие изменения концентрации исходного вещества продукта различаются по типу химических реакций, то есть простые и сложные. Большинство химических реакций относится к сложным, которые состоят из нескольких элементарных. Выделяю сложнопараллельные и сложно последовательные реакции.

Сложно последовательные реакции А В С характеризуется следующей кривой.
k1
k2
а) k1 ~ k2 ; б) k1 >> k2 ; с) k1 << k2.
Эти кривые описывают периодические процессы и процессы идеального вытеснения.

В проточном реакторе:
где Н - высота
ω - линейная скорость υ - реакционный объем
Vc - расход смеси реагентов.
Скорость химико-технологического процесса U можно выражать производными различных величин во времени.

Определяющими величинами в уравнении скорости процесса могут быть константа скорости k, движущая сила процесса ∆С, величина реакционного объёма ν.
При постоянстве реакционного объёма
Для гетерогенных процессов массопередачи
k – коэффициент массопередачи;
F – поверхность соприкосновения фаз.

Константа скорости k - является сложной величиной, зависящей не только от химических свойств, реагирующих веществ, но и от их физических свойств, конструкции аппарата, скоростей потоков реагирующих масс, степени перемешивания в гомогенной среде. k в общем виде является равнодействующей констант скоростей: прямой реакции k1, обратной k2, побочных kn и k˝n , коэффициентов переноса (диффузии) исх. веществ в зону реакции Р1, Р2 ...
k = ƒ (k1, k2, kn, Р1, Р2 ...)
При этом определяющими являются величины, имеющие наименьшие значения (т.е. тормозящие U процесса).
Например, для гомогенных процессов диффузия происходит быстро и
k = ƒ (k1, k2, kn΄, kn˝ .)
процесс протекает в кинетической области, а для гетерогенных наоборот.

Для гомогенных реакций ΔС определяется по закону действия масс как произведения концентраций, реагирующих веществ в данный момент (текущих концентраций).
Для массопередачи ΔС в данный момент определяется как:
ΔС = С - С*
где С - текущая действительная концентрация компонента в передающей фазе.
С* - равновесная концентрация в передающей фазе.
2. Движущая сила процесса.

Как видно из рис. концентрация реагирующих веществ измеряется по логарифмическим кривым, соответственно ΔСср. вычисляется как средняя логарифмическая из начальной ΔСН и ΔСК
ΔСср. =
при прямотоке
при противотоке

3. Способы увеличения скорости процесса.
Для повышения скорости процесса следует найти способы увеличения определяющих величин ΔС, k, F(V)
1) Увеличение ΔС
а) увеличение концентраций взаимодействующих компонентов в исходном сырье.
Зависит от агрегатного состояния: в твердом - обогащение; в жидком и газообразном - концентрирование
б) повышение давления влияет на скорость процесса и на достижение состояния равновесия. Эффективность повышения давления зависит от агрегатного состояния веществ. Наиболее сильно влияет давление на процессы, протекающие в газовой фазе.
Влияние давления определяется кинетическим уравнением:
рn - парцианальное давление продукта в газовой смеси
Δр - движущая сила процесса

Влияние давления на скорость газовых реакций различного порядка
Зависимость скорости от давления для реакций идущих с изменением количества молей ΔN

в) Регулирование температуры процесса.
При абсорбции, адсорбции, конденсации ΔС = С - С*, понижая Т жидкой фазы, уменьшают парциональное давление паров газового компонента над ней, т.е. С* и увеличивают ΔС и U.
Для десорбции и испарения соответственно наоборот ΔС = С* - С
Одновременная регулировка температуры и давления позволяет увеличивать движущую силу процесса за счет обоих составляющих.
г) Отвод продуктов из реакционной зоны увеличивает суммарную скорость обратимой реакции и увеличивает движущую силу.
2) Увеличение константы скорости процесса
а) повышение температуры
приводит к сильному увеличению констант скоростей реакций. В результате суммарная скорость процесса увеличивается до определенного предела при которой большое значение принимает значение скоростей побочных и обратных реакций. Влияние температуры на константу скорости реакции определяется формулой Аррениуса для процессов идущих в кинетической области:

Влияние температуры на скорость процессов в диффузионной области меньше, чем в кинетической.
Температурная зависимость коэффициента диффузии для газов упрощенно:

Для процессов идеального смешения и близких к ним массопередача осуществляется не молекулярной, а турбулентной диффузией, которая возрастает с повышением температуры за счет усиления конвективных токов.
В твердых средах диффузия имеет порядок см2/сек, усиливается при повышении Т (повышается скорость и амплитуда колебания атомов в кристаллах) но диффузия не влияет на равновесие техн. процессов.
Для экзотермических процессов - повышение температуры снижает Кр. Для эндотермических - высокая Т более благоприятна, т.к. повышает и k и Кр.
Оптимальная Т зависит от природы реагентов, их концентрации, степени превращения, давления, поверхности соприкосновения, перемешивания и от активности катализаторов.
б) Применение катализаторов сильно повышает k и не изменяет ΔС. Катализаторы ускоряют химические реакции вследствие замены одностадийного процесса, требующего большой Еа, двух или более стадийным с меньшим Еа. Применение катализатора во многих производствах ограничивается их нестойкостью в условиях необходимого технологического режима. (т.е. потеря активности при повышении или понижении Т, примеси) Катализаторы не ускоряют диффузионные процессы, поэтому их применяют только для кинетических.

в)Перемешивание увеличивает коэффициент массопередачи или k скорости, т.к. позволяет заменить молекулярную диффузию конвективной. Целесообразно применять для процессов, идущих в диффузионной области до тех пор, пока общая k скорости не перестанет зависеть от коэффициента переноса D.
3) Увеличение поверхности соприкосновения фаз.
Зависит от вида системы
а) Г-Ж
- развитие поверхности жидкой фазы распределением жидкости в виде тонкой пленки на поверхности насадки, заполняющей объем аппарата. Это насадочные башни или колонны. Площадь соприкосновения для расчетов равна площади насадки. Это пленочная массопередача
диспергирование, т.е. разбрызгивание, распыление жидкости пневматическим или механическим способом F = поверхности всех капель, массопередача
капельная интенсивнее насадочных, но мало применяются из-за трудности постоянного тонкого распыления.
диспергирование газа в объеме жидкости (барботирование), т. е пропускание пузырьков газа через слой жидкости в колоннах с кольчатыми тарелками или решетками. F = поверхности всех пузырьков, массопередача – пузырьковая
создание взвешанного слоя подвижной пены при пропускании газа снизу вверх через решетку пенного аппарата и находящуюся на ней жидкость с такой скоростью, при которой силы трения газа о жидкость уравновешивают массу последней. В пенных аппаратах F - небольшая.

б) Г - Т и Ж - Т необходимо всегда измельчение твердого вещества или применение пористых кусков и гранул, повысить дисперсность, доступ газа или жидкости по всей поверхности твердого вещества.
- перемешивание измельченного твердого материала, механическими мешалками на полках аппарата, омываемых сверху газом или жидкостью. F = S всех полок.
- перемешивание тонко измельченного твердого вещества методом прямотока при помощи пневматических сопел в газовой среде или распыление в турбулентном потоке жидкости или газа. F = общей поверхности всех твердых частиц.
- пропускание газа или жидкости через неподвижный (фильтрующий слой кусков твердого вещества)
- перемешивание во взвешенном (кипящем, псевдоожиженном) слое. Пропускают газ или жидкость снизу вверх через слой твердого вещества с такой скоростью ωср. при которой частицы взвешиваются, плавают и пульсируют, но не покидают пределов взвешаного слоя