ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.

• Химико-технологический процесс можно
разделить на три этапа:
– подвод исходных веществ в зону реакции;
– собственно химическая реакция;
– отвод продуктов из зоны реакции.

3.

• Первый и последний этапы – это
сложные физико-химические
превращения, связанные с диффузией или
конвекцией, конденсацией или
испарением, адсорбцией или десорбцией и
т. д.

4.

Интенсификация этих этапов:
• увеличение степени чистоты исходных
продуктов;
• измельчение исходных продуктов;
• изменение скорости перемешивания;
• перевод многофазной системы в однофазную;
• изменение температуры;
• изменение давления;
• изменение концентрации.

5.

Интенсификация процессов, основанных на
гомогенных реакциях
Основные факторы, ускоряющие протекание
гомогенных процессов:
– состава реакционной среды;
– температуры;
– давления.

6.

А. Влияние состава реакционной среды.
Влияние состава реакционной среды зависит
от величины концентрации реагентов и
физико-химических свойств компонентов,
входящих в состав реакционной массы.

7.

Зависимость скорости реакции от
концентрации для реакции
aA + bB = cC + dD
описывается кинетическим уравнением:
v = k C ACB
где CA , CB – молярные действующие
концентрации реагирующих веществ А и В
соответственно; a , b – порядок реакции по
веществам А и В соответственно.

8.

• ВЫВОДЫ:
– чем выше концентрации реагирующих
веществ, тем быстрее протекает реакция;
– скорость реакции в большей степени
зависит от концентрации реагента, входящего
в уравнение с более высоким порядком;
– если одновременно протекают реакции с
разными порядками, то изменение
концентрации в большей степени скажется на
скорости реакции с более высоким порядком.

9.

Б. Влияние температуры на скорость реакции.
Влияние температуры на скорость реакции
описывается уравнением Аррениуса:
k ko e
Ea
RT
• где k – константа скорости химической реакции;
k0 – предэкспоненциальный множитель;
e – основание натурального логарифма;
Ea – энергия активации; R – универсальная
газовая постоянная; T – температура процесса.

10.

• Графическая (экспоненциальная)
зависимость константы скорости от
температуры
Ea1› Ea2
Как следует из уравнения Аррениуса,
скорость реакции (точнее, k – константа
скорости) зависит от энергии активации Ea .

11.

В. Влияние давления.
Давление – это важнейший параметр
технологического режима.
– давление повышает скорость газофазных
реакций, так как
газы легко сжимаются, при этом увеличивается
концентрация газа в единице объёма;
– давление влияет на положение химического
равновесия для обратимых реакций, протекающих
с изменением объёма;
– давление увеличивает температуры кипения и
плавления, этим эффектом пользуются для
проведения жидкофазных реакций при
температурах, превышающих температуры
кипения;

12.

– давление способствует понижению
температуры синтеза, увеличение скорости
реакции под давлением позволяет снизить
температуру процесса, что важно для систем
с низкой термостабильностью реагентов или
продуктов реакции;
– давление позволяет повысить
селективность реакций, отличающихся
величиной изменения объёма.

13.

Интенсификация процессов, основанных на
гетерогенных реакциях
• Элементарные стадии гетерогенной
реакции протекают с разной скоростью.
Однако общая скорость сложного многостадийного процесса будет определяться самой
медленной его стадией, или лимитирующей.
• Следовательно, интенсификация
гетерогенной реакции связана с
интенсификацией её лимитирующей стадии.

14.

• Гетерогенная реакция в зависимости от
условий её осуществления может протекать
в одной из трёх областей:
– кинетической;
– диффузной;
– переходной (диффузно-кинетической).

15.

• Если лимитирующей стадией является стадия
массопередачи, говорят о протекании
реакции в диффузной области. Для этих
процессов скорость пропорциональна
площади соприкосновения контактирующих
фаз F и движущей силе ∆C, под действием
которой происходит массопередача:
v = KF∆C
где K – коэффициент массопередачи.

16.

– для интенсификации реакций в
кинетической области используют
кинетические факторы - это температура,
давление, концентрация, катализатор;
– для интенсификации реакций в
диффузной области – диффузные факторы
(поверхность соприкосновения, разность
концентраций или давлений).

17.

Интенсификация процессов, основанных на
необратимых реакциях
Они бывают простыми (идущие с образованием одного ряда продуктов) и сложными
(идущие с образованием нескольких рядов
продуктов).
• При разработке технологии простой
необратимой реакции преследуется две
основные цели:
– повышение скорости реакции;
– повышение выхода продукта.

18.

• При разработке технологии сложной
необратимой реакции всё внимание уделяется
достижению высокой селективности.
Основной задачей становится поиск
оптимальных значений концентраций
реагентов и температур, а также подбор
селективного катализатора.
• Рассмотрим сложную необратимую реакцию:
а1 А→ В
(1)
а2 А→ Д
(2)
• где 1 – целевая реакция; 2 – побочная
реакция. Скорости реакций (1) и (2)
соответственно

19.

vv11 kk11C
C
aa11
AA
v2 k 2 C A
a2
• где k1 и k2 – константы скорости целевой и
побочной реакций; a1 и a2 – порядок
соответственно целевой и побочной
реакций.

20.

• Селективность реакции можно оценить
величиной отношения скоростей этих
реакций v1 и v2:
v1
s
v2
При a1 › a2 (порядок целевой реакции выше порядка
побочной) селективность пропорциональна
максимальному значению концентрации вещества А.
При a1 ‹ a2 селективность обеспечивается
минимальным значением концентрации вещества А.
При a1 = a2 концентрация не оказывает влияния на
селективность.

21.

Интенсификация процессов, основанных на
обратимых реакциях
К обратимым реакциям относятся реакции,
которые одновременно протекают в прямом и
обратном направлениях.
Они также бывают простыми – протекают с
образованием одного ряда продуктов и
сложными – протекают с образованием
нескольких рядов продуктов.

22.

• Пусть уравнение обратимой химической
реакции
аА + bВ ↔ dD
В соответствии законом действия масс
vпр k пр C A С В
b
vобр kобр C D
d
a

23.

• Суммарная скорость обратимой реакции
определяется как разность скоростей
прямой и обратной реакций:
v vпр vобр k пр C A С В kобр С D
a
b
• В момент равновесия:
k пр C A С В kобр С D
a
b
d
d

24.

d
СD
a b kp
kобр C A С В
k пр
Степень превращения, при которой
устанавливается равновесие, называется
равновесной степенью превращения.

25.

• Характер влияния температуры на скорость
и положение равновесия для эндо- и
экзотермических реакций существенно
различен.

26.

Способы инициирования химической
реакции
Чтобы увеличить скорость химической
реакции, необходимо создать в веществе
высокие концентрации химически активных
частиц, т. е. частиц с повышенной
реакционной способностью. Такие частицы
появляются чаще всего в результате различных физических воздействий на вещество.

27.

А. Стандартные способы инициирования.
К стандартным способам активации
относятся:
– термическая активация;
– каталитическая активация (всегда
сочетается с термической активацией).

28.

Б. Нестандартные способы инициирования.
• Фотохимическая активация основана на
взаимодействии вещества со светом, в
результате световая энергия преобразуется в
химическую.
• Лазерохимия – один из методов
фотохимической активации. Наиболее
специфично действие ИК-излучения, которое
стимулирует химические реакции путём
резонансного возбуждения колебательных
степеней свободы молекул. Технологические
преимущества лазерного излучения велики.

29.

• Плазмохимическая активация – активация
реакционной системы электрическим
полем, возникающим при электрическом
разряде. Ускоряемые полем подвижные
электроны передают свою энергию
молекулам газа, что приводит их к
возбуждению, ионизации или диссоциации
на свободные радикалы и атомы.
• Механохимическая активация основана
на способности твёрдого тела накапливать
подводимую к нему механическую
энергию.

30.

• Звукохимические реакции – это реакции,
скорость и направление которых
изменяются под воздействием
ультразвукового поля.
• Радиационно-химическая активация
основана на взаимодействии вещества с
ионизирующим излучением.
• Низкотемпературная (криохимическая)
активация происходит в результате
достижения максимального сближения
реагентов, при котором существенно
усиливаются межмолекулярные
взаимодействия в твёрдой фазе