2022 весна. ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Вопросы для подготовки к экзамену

Введение

Химическая технология, определение. Объект исследования, цель исследования, методы исследования химического производства (ХП). Определение ХП, состав и иерархическая структура. Показатели химического производства: технические, экономические, эксплуатационные, социальные.

I. Теория химических процессов

Физико-химические закономерности

Стехиометрические соотношения. Назначение. Стехиометрические уравнения, расчет количеств реагирующих веществ. Простая и сложная реакция. Базисная система линейно независимых уравнений химических реакций, назначение, примеры. Расчет состава реагирующей смеси на основе балансового стехиометрического соотношения. Определение и расчетные формулы для концентрации, степени превращения, селективности, выхода продукта, в том числе, для реакций с изменяющимся объемом.

Термодинамические закономерности. Константа равновесия и равновесная степень превращения, их связь с энтальпией реакции, зависимость от температуры. Способы управления равновесием экзо− и эндотермических химических реакций (влияние температуры, давления, избытка реагента и т.д.), примеры.

Кинетические закономерности. Понятия скорости реакции и скорости превращения вещества для простой и сложной реакции. Кинетическое уравнение, порядок реакции. Схема превращения и её отличие от базисной системы линейно независимых уравнений химических реакций.

Химические процессы

Химический процесс (ХПр), определение, иерархическая структура построения математической модели в химическом реакторе. Классификация процессов по способу взаимодействия реагентов, фазовому признаку и т.д. Наблюдаемая скорость превращения W_н, ее отличие от скорости химической реакции.

Гомогенный химический процесс. Определение, примеры. Аналитические и графические зависимости скорости превращения (или реакции) от концентрации, степени превращения и температуры для простых необратимых и обратимых реакций. Оптимальная температура и линия оптимальных температур. Влияние концентрации, порядка реакций и температуры на дифференциальную селективность в сложной реакции. Способы управления интенсивностью и селективностью процесса.

Гетерогенный процесс “газ-твердое”. Модель “сжимающееся ядро”. Схема и математическое описание процесса. Лимитирующая стадия. Наблюдаемая скорость и время полного превращения в кинетической, внутридиффузионной и внешнедиффузионной областях. Способы интенсификации.

Каталитический процесс. Определение катализа и катализатора. Химический процесс в пористом зерне катализатора. Схема процесса и математическое описание. Наблюдаемая скорость превращения, возможные режимы. Коэффициент эффективности (степень использования внутренней поверхности) зерна катализатора и его зависимость от модуля Тиле-Зельдовича.

II. Теория химических реакторов

Химический реактор определение и назначение. Классификация реакторов. Обзор конструкций реакторов. Функциональные элементы реактора. Общий вид математической модели химического процесса в реакторе. Основные математические модели. Реакторы идеального вытеснения и смешения. Математическое описание изотермического и неизотермического процессов в реакторах. Сравнение реакторов идеального вытеснения и смешения при осуществлении в них простых и сложных реакций в изо- и неизотермическом режиме. Явление тепловой устойчивости в химическом реакторе. Множественность и неоднозначность режимов. Способы управления тепловым режимом. Каскад реакторов идеального смешения К-ИС и сравнение его с единичными реакторами смешения и вытеснения при осуществлении процессов с простой и сложной реакциями. Аналитический и графический методы расчета К-ИС.

III. Химико-технологическая система и основы разработки эффективных ХТС

ХТС как обобщенная модель химического производства. Структура и состав ХТС. Функциональные и масштабные подсистемы. Иерархическая структура ХТС. Методы химической технологии − системный анализ и математическое моделирование. Составные части ХТС: элементы, подсистемы, технологические связи, примеры. Классификация элементов ХТС. Технологические связи: последовательная, параллельная, последовательно-обводная, рециркуляционная, перекрестная. Области применения, привести примеры. Модели ХТС: описательные и графические.

• Задачи синтеза и анализа ХТС.

Анализ ХТС− получение данных о состоянии, показателях эффективности и свойствах ХТС.

Состояние ХТС − параметры потоков (связей) и состояние аппаратов (элементов). Материальные и тепловые балансы как основа расчета состояния ХТС. Примеры составления балансов для элементов ХТС и ХТС в целом. Энергетический коэффициент полезного действия. Формы представления балансов. Свойства ХТС. Условие существования стационарного режима в системе с фракционным рециклом. Неоднозначность и устойчивость режимов, гистерезис теплового режима (на примере схемы реактора с теплообменником). Показать на примере РИС-Н, что оптимальный режим функционирования элемента ХТС внутри схемы (фракционный рецикл) и вне схемы различен.

Синтез ХТС − выбор операций и элементов, их соединений (связей), режимов.

Концепции (принципы) синтеза ХТС: наиболее полное использование сырьевых ресурсов, наиболее полное использование энергетических ресурсов, минимизация отходов, эффективное использование оборудования. Характеристика приёмов (эвристик) для реализации концепций синтеза ХТС. Синтез оптимальных схем однородных и неоднородных реакторов. Сравнить параллельное и последовательное соединения реакторов ИВ и ИС.

ХТС производства серной кислоты. Химическая и функциональная схемы. Обоснование режимов и аппаратурное оформление обжига колчедана, окисления диоксида серы и абсорбции триоксида серы. Физико-химическое основы и обоснование технологии “двойного контактирования и двойной абсорбции”. Показать, как решаются концепции синтеза ХТС.

ХТС производства азотной кислоты. Химическая и функциональная схемы. Физико-химические основы и аппаратурное оформление окисления аммиака и абсорбции оксидов азота. Энерготехнология в производстве азотной кислоты. Показать, как решаются концепции синтеза ХТС.

ХТС производство аммиака. Химическая и функциональная схемы. Физико-химические основы и аппаратурное оформление отделений производства (функциональных подсистем): сероочистка, конверсия метана - паровая и воздушная, конверсия СО, селективная абсорбция диоксида углерода, синтез аммиака). Энерготехнология в производстве аммиака. Показать, как решаются концепции синтеза ХТС.

Лектор Ванчурин Виктор Илларионович