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

1.

Лекция №1
по дисциплине «Общая химическая технология»
Тема: Кинетика ХТП. Понятия
движущей силы.

2.

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

3.

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.

4.

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.

5.

6.

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

7.

Н
В проточном реакторе:
VC
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.

8.

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

9.

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.

10.

2. Движущая сила процесса.
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.

11.

12.

Как видно из рис. концентрация реагирующих веществ измеряется по логарифмическим
кривым, соответственно ΔСср. вычисляется как средняя логарифмическая из начальной ΔСН и
ΔСК
С Н С К
ΔСср. =
C Н
2,3 lg
С К
при противотоке
при прямотоке
Сср.
С
г
Н
г
СН ж СК СК
г
ж
C СН
2,3 lg Н г
ж
СК СК
ж
Сср.
С
г
Н
СК
ж
С
г
г
К
СН
ж
C СК
2,3 lg Н г
ж
СК СН
ж

13.

14.

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:
U
dp n
k p
d
рn - парцианальное давление продукта в газовой смеси
Δр - движущая сила процесса

15.

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

16.

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:

17.

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

18.

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.

19.

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
механическим способом F = поверхности всех капель, массопередача
или
-
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.

20.

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

21.

в) Ж - Ж
Образуют взвешанный слой более тяжелой жидкости в виде эмульсии. Достигается при
медленном движении легкой жидкости снизу вверх навстречу тяжелой (барботаж)
г) Т-Т
Перемешивание механическими и пневматическими мешалками, а также вращающимися
барабанами.