Тема 3. Основные физико-химические закономерности химико-технологических процессов.

Классификация и оценка эффективности химико-технологических процессов

Иерархическая организация процессов в химическом производстве. Классификация химико-технологических процессов. Структура и блок-схема химико-технологических процессов. Критерии оценки эффективности химико-технологических процессов. Стехиометрия химических реакций. Материальный и тепловой баланс реакций.

Равновесие в технологических процессах и способы смещения равновесия

Обратимые и необратимые технологические процессы. Равновесие в химико-технологических процессах. Принцип Ле-Шателье. Константа равновесия. Равновесная и фактическая степень превращения в эндотермических и экзотермических реакциях. Факторы, влияющие на равновесную и фактическую степень превращения (концентрация реагирующих веществ, температура, давление, катализаторы). Способы управления.

Основные закономерности гомогенных и гетерогенных процессов. Способы управления скоростями

Гомогенные процессы. Характеристика и примеры гомогенных процессов. Гомогенные процессы в жидкой и газовой фазах и их основные закономерности. Скорость гомогенных процессов. Влияние условий проведения и способы интенсификации гомогенных процессов. Гетерогенные процессы. Основные стадии и закономерности гетерогенных процессов. Области протекания гетерогенных процессов: диффузионная, кинетическая. Лимитирующая стадия и ее определение. Скорость гетерогенных процессов и способы увеличения скорости. Гетерогенные химические процессы в системах «газ-твердое тело», «газ-жидкость» и «твердое тело-жидкость». Их особенности и основные типы применяемых реакторов.

Методические указания

При разработке технологии химико-технологического процесса основной задачей является обеспечение максимальной скорости процесса при минимальных затратах. Для решения этой задачи необходимо сдвинуть равновесие обратимой реакции в сторону образования готового продукта, обеспечить быструю подачу реагентов в зону реакции и их смешение, ускорить реакцию, быстро подать или отвести тепло. Для ускорения технологических процессов важно знать методы их интенсификации, при этом четко представлять в какой области идет процесс.

При изучении данной темы следует обратить внимание на те закономерности, с помощью которых можно управлять химическими процессами. Студент должен четко представлять, как применять эти закономерности для интенсификации того или иного типа процесса, от каких факторов зависит скорость гомогенных и гетерогенных процессов, какие приемы следует использовать для повышения скоростей указанных процессов, какие методы используются для интенсификации процессов, идущих в диффузионной и кинетической областях.

Например, если реакция протекает с уменьшением объема, то согласно принципу Ле-Шателье, для сдвига равновесия в сторону образования готового продукта нужно повысить давление. Но применение повышенного давления приводит к тому, что оборудование становится более сложным и дорогим, поэтому необходимо выбрать оптимальное давление с учетом экономического фактора. Если необходимо увеличить скорость химической реакции, то этого можно достичь путем повышения температуры, так как скорость реакций, как правило, с ростом температуры возрастает, или путем применения катализаторов, снижающих энергию активации реакции.

Следует обратить внимание также на то, что в ряде случаев один и тот же прием оказывает противоположные воздействия на технологический процесс. Так, при экзотермических реакциях снижение температуры приводит, с одной стороны, к повышению равновесного выхода продукта, а с другой стороны – к уменьшению скорости процесса, то есть к снижению производительности. Поэтому процесс ведут по линии оптимальных температур, достигая таким образом максимально возможного в данных условиях фактического выхода продукта.

Каталитические процессы

Катализ как способ управления (изменение скорости и селективности) химическими реакциями с помощью катализаторов. Виды катализаторов. Виды каталитических процессов: гомогенный, гетерогенный, микрогетерогенный, отрицательный, положительный, автокаталитический. Механизм каталитических процессов. Гетерогенный катализ на твердом катализаторе. Свойства твердых катализаторов и их приготовление. Каталитические реакторы. Пути интенсификации каталитических процессов. Значение и области применения промышленного катализа.

Методические указания

Каталитические процессы играют особую роль в химической промышленности, позволяя ускорять химические реакции в тысячи и даже миллионы раз. Наибольшее распространение получили в промышленности гетерогенно-каталитические процессы, существенным преимуществом которых является простота разделения продуктов реакции и катализатора для его повторного использования.

Электрохимические процессы

Электрохимические процессы. Достоинства и недостатки электрохимических процессов, области применения. Сырье и продукты, получаемые при электрохимических процессах. Аппаратурное оформление. Основные закономерности протекания электрохимических процессов. Способы управления скоростями и видом получаемого продукта.

Методические указания

Прежде чем начать изучение технологии электрохимических производств, необходимо вспомнить основные законы и понятия электролиза. Студент должен четко представлять, что такое катодный и анодный потенциалы, напряжение разложения электролита, перенапряжение, выход по току, коэффициент использования энергии.