Химическая технология

Содержание:

 

  Введение

1. Материальный баланс

2. Равновесие химических реакций

3. Кинетика химических реакций

4. Химические реактора

 Заключение

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Химическая технология — наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных методах и средствах переработки сырых природных материалов в продукты потребления и промежуточные продукты.

          Историю химической технологии неотделима от истории химической промышленности. Вместе с возникновением первых химических промыслов появилась и химическая технология, как раздел прикладной химии.

Ещё в XV в. в Европе стали появляться мелкие специализированные цеха по производству кислот, солей, щелочей, фармацевтических препаратов. В России в конце XVI — начале XVII вв. получило развитие собственное производство красок, селитры, порохов, а также соды и серной кислоты.

 

Основные процессы

Все процессы химической технологии разделяют в зависимости от общих  кинетических закономерностей протекания процесса на пять основных групп:

• гидромеханические;
• тепловые;
• массобменные (или диффузионные) процессы;
• химические процессы;
• механические процессы.

 

 

 

 

 

 

1. Материальный баланс

Материальный баланс - баланс, фиксирующий источники и масштабы поступления и расходования материальных ресурсов и соответствие их объемов. 

Степень превращения – количество прореагировавшего реагента, отнесенное к его исходному количеству. 

Мольная доля вещества — концентрация, выраженная отношением числа молей вещества к общему числу молей всех веществ, имеющихся в растворе.

 

Формализация условия

      Универсальный метод расчета заключается в последовательной математической формализации условия задачи с переходом к системе линейных уравнений и ее последующим расчетом. Расчет выполняют а пять этапов:

1 этап. Формализация  условия.

2.этап. Определения  перечня и количества неизвестных.

3 этап. Составление  системы линейных уравнений.

4 этап. Решение  системы.

5этап. Проверка  и оформления результатов.

Разберем  этапы на примере (02А03):

Рассчитать  материальный баланс реактора синтеза  аммиака. Производительность 6000м³/час аммиака. Концентрации компонентов в исходной смеси (объемные доли): водород 0,65;азот 0,21;остальное аммиак и метан. Концентрации компонентов в конечной смеси (объемные доли) : азот 0,16; аммиак 0,17; остальное водорода и метан. Установим число реакции и перечень веществ, которые надо принять в расчет. Затем запишем уравнение реакции в обычном виде , уравнением его и определим молекулярные массы, используя таблицу Д.И. Менделеева. Кратко обозначим вещества латинскими буквами. Большими буквами обозначим вещества, маленькими ла.тинскими буквами- соответствующие  стехиометрические коэффициенты.

Буквой µ обозначим молекулярные массы веществ .

Запишем модельное управление реакции на микроуровне. В этом случае, для одиночного пробега реакции, молекулы берутся «пошуточно»

  aA+bB=cC

Для n побегов в еденицу времени уравнение примет вид:

a*nA+b*nB=c*nC

           Разделим уравнение на постоянную Авогадро ( 6,02*10²⁶  кмоль^-1). В этом случае уравнение будет показывать число пробегов, выраженное в киломолях.

a* eA+ b*eB=c*eC

где е- химическая переменная, кмоль/ед.времени.

 

 

          Потоки a* e, b*e, c*e называют фиктивными. Они показывают. сколько веществ прореагировало по уравнению реакции.

Мольные доли вещества переведем из процентов в доли единицы. Найдем в глоссарии используемые в условии технологические параметры и употребим рекомендуемые обозначения для них. Обозначим например буквами Z мольную долю вещества А в исходной смеси Z_А1 . Буква в нижнем индексе укажет на вещество, цифра- на смесь. Буквой V обозначим объемный поток конечной смеси V₀₂ ( ноль указывает на то, что речь идет о смеси, двойка-том что речь идет о конечной смеси).

Учтем, что  материальный баланс прочного реактора рассчитывается почти всегда при  стационарном режиме (поэтому в условии задачи на материальный баланс о стационарном режиме обычно вообще не упоминают).

Как известно, скорость накопления (расходования) каждого из веществ внутри реактора представляет собой алгебраическую сумму скоростей их подвода и отвода. Обозначим эти скорости для взятых в рассмотрения веществ как: St_a , St_B , St_C , St_I. В стационарном режиме эти скорости равны нулю.

Ниже  представлено краткое записанное условие  задачи.

2Н₂+N₂=2NH₃

 aA+ bB= cC

a=3; b=1; c=2

 

Z_A1=0.65

Z_B1=0.20

Z_C1=0.16

Z_{C2  =} 0.17

V₀₂= 6000

 

 

Определение перечня и количества неизвестных.

Представим что материальный баланс уже рассчитан и составим таблицу материальнногго баланса в общем виде. Эта таблица заполненная числами представляет собой коенчный результат и цель расчета. Поскольку численные значения корней на этом этапе не известны таблицу запишем в общем виде. Парциальные мольные потоки веществ обозначим буквой N , массовые- буквой М.

Вещества	Приход		Расход
	Мольные поток	Массовый поток	Мольные поток	Массовый поток
A	NA1	MA1	NA2	MA2
B	NB1	MB1	NB2	MB2
C	NC1	MC1	NC2	MC2
I	NI1	MI1	NI2	MI2
ИТОГО	N01	M01	N02	N02

 

 

 

 

Потоки  снабдим индексами. Первый индекс обозначит  вещество. Ноль будет обозначать смесь. Второй индекс будет соответствовать  номеру потока.

Обобщенная  форма таблица материального  баланса реактора.

     Переменные, записанные в ячейке таблицы, представляют собой искомые неизвестные. Действительно, только в том случае, когда нам известны численные значения этих величин. материальный баланс можно считать рассчитанным.

Общее число  уравнений должно равняться числу неизвестных, а в таблице вместе с химической переменной мы видим 21 переменную. Понятно, что составлять и решать такую большую систему уравнений неудобно. Но можно рассчитать сначала только часть неизвестных, а потом уже и остальные. Опыт что труднее всего рассчитывать мольные неизвестные. Поэтому найдем сначала только девять мольных неизвестных представленных в перечне:

N_A1, N_B1 ,N_C1 , N_I1 , N_A2, N_B2 ,N_C2 , N_I2 e 

В этой связи  лучше сразу составлять лишь краткую  версию таблицы, в которую следует записывать только мольные величины.

 

 

 

 

Составление системы литейных уравнений

        Поскольку мы имен  набор девяти неизвестных, то мы сразу добавим к системе еще 4 неизвестных перечня. Уравнения к системе сделаем в компактном виде. В итоге получим систему из 13 уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После того, как будут найдены численные  значения неизвестных из перечня, остальные  неизвестные  в таблице нетрудно найти путем умножения на молярные массы по записанным ниже тривиальным  уравнениям:

M_A1= µ_AN_A1

M_B1= µ_BN_C1

M_C1= µ_CN_C1

M_I1= µ_IN_I1

M_A2= µ_AN_A2

M_B2= µ_BN_B2

M_C2= µ_CN_C2

M_I2= µ_IN_I2

 

 

 

 

 

 

Решение системы линейных уравнений

 

Решить  систему можно вручную, методом  исключения неизвестных, либо с помощью компьютера. Наибольшие удобства предоставляет программный продукт MathCAD. В нем имеется встроенный символьный процессор, который избавляет от необходимости ручных аналитических преобразований. К тому же расчеты всегда абсолютно точны.

Представим  нашу задачу документа MathCAD:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3Н₂+N₂=2NH₃

 

а=3; b=1; c=2 

 

 Given

 

 

 
         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Равновесие химических  реакций

 

Смещение химического равновесия в результате изменения условий подчиняется правилу, известному под названием принципа смещения равновесия (принцип Ле-Шателье).

Принцип Ле-Шателье – если на систему, находящееся в устойчивом состоянии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, течение которого ослабляет произведенного воздействия, и положения равновесия сместиться в том же направлении.

 

          Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.

Прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении  температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической  реакции, при понижении температуры - в направлении экзотермической  реакции.

 

Влияние давления. Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам, на положение                     равно влияет давление в системе. Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении  давления равновесие сдвигается в направлении  образования веществ (исходных или  продуктов) с меньшим объемом; 
при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом.

 

Пример равновесия химических реакции

 

 

 

 

 

 

 

 

     

    

      

             

 

 

 

         

 

 

 

   

 

 

 

                           

 

              

 

        

 

 
               

 

           

 

 

 

 

Вывод:

1. т.к реакция эндотермическая (Е₂˂ Е₁), то с увеличение температуры равновесия степень превращения растет и константа равновесия тоже растет. Равновесие смещается в сторону продуктов поэтому мольные доли исходного вещества увеличиваются а мольные доли продуктов уменьшаются.

2. т.к реакция идет с увеличением числа молей (V˃0) то с увеличением Р равновесие будет смещаться в сторону исходных веществ, поэтому Р повышать не выгодно.

Реакцию следует вести при низком давлении.

С увеличением  Р мольные доли будут падать а исходные вещества расти.

 

3. Кинетика химических реакции

 

Химическая кинетика – учение о химическом процессе, его механизм и закономерностях развития во времени.

Как известно системы, в которых происходит химическое превращение, могут, быть открытыми и замкнутыми.

Замкнутыми называют систему, в которой отсутствует материальный обмен с окружающей средой.

Системы, в которых имеет место материальный обмен с окружающей средой, называют, открытыми системами.

Прямая  и обратная реакция представляет собой элементарные стадии обратимого химического процесса. Вклад каждой стадии в общую скорость процесса заранее непредсказуем т.к зависит от многих факторов. Чаще всего это температура, давление смеси, концентрация исходных веществ и степень превращения.