5. Уровни анализа, описания и расчета хтп.

Анализ и описание ХТП проводят послед-но с учетом уровня протекания пр-са. Всего сущ-ет 6 уровней протекания пр-са.

Протекание ХТП на этих уровнях описывается законами кинетики химической реакции. При описании, анализе и расчете протекания реакции, как элемента ХТП используют известные кинетические закономерности без раскрытия механизма реакции.

1. Молекулярный уровень.

На этом уровне описание ХТП происходит как молекулярное взаимодействие реагирующих в-в. Протекание ХТП опис-ся закономерностями кинетики в хим. р-ции.

При описании, анализе и расчете протекания хим. р-ции как элемента ХТП исп-ют известные кинетические закономерности без раскрытия мех-ма р-ции. Поэтому, говорят, что описание пр-са на этом уровне проводят на языке формальной кинетики. Сущ-ет еще теоретическая кинетика, главная задача к-рой изучение зав-ти протекания ХТП в зав-ти от строения исх в-в. Формальная кинетика изучает скорость р-ции, выход продукта, степень превращения и т.д. В простейшем случае эти закономерности м. изучать для описания гомогенных пр-сов.

2. Уровень малого объема.

Опис-ся протекание гетерогенных пр-сов для малого объема взаимодействующих фаз. Напр., для частицы тв материала, реагирующего с газом или ж-ю; для зерна кат-ра; пузырька газа, поднимающегося в ж-ти; для капли ж-ти, омываемой газом и др.

Необходимость рассмотрения пр-сов на этом уровне связана с тем, что для анализа и расчета гетерогенных пр-сов знания закономерностей протекания только хим. р-ций в большинстве случаев недостаточно. Эти закономерности необходимо дополнить закономерностями протекания физ. пр-сов переноса массы и теплоты.

Совместное протекание хим. р-ции пр-сов переноса теплоты и массы опис-ся уже закономерностями макрокинетики.

3. Уровень потока.

На этом уровне рассм-ся протекание пр-са на совокупности тв частиц, капель ж-ти, зерен кат-ра и др. разновидностей малого объема, находящихся в потоке реагирующих в-в. Учитываются эффекты, связанные с хар-ром движения потоков, с изм-ем тем-ры и конц-ции в различных участках реакционного объема. Для гетерогенных пр-сов закономерности их протекания в малом объеме дополняются закономерностями изм-ия конц-ции и тем-ры по длине реакционной зоны (l_р.з.), ч/з к-рую проходит поток.

4. Уровень реактора.

На этом уровне учитываются конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение, соотношение технологических показателей пр-са при прохождении потока из одной реакционной зоны в др.

5. Уровень ХТС.

Здесь учитываются взаимные связи м/д реакторами, теплообменниками, смесителями и др. аппаратами и трубопроводами, используемыми для переработки сырья в конечные (целевые) продукты.

6. Уровень предприятия, отрасли или министерства.

В ОХТ это не рассм-ся.

6. Основные показатели хтп: степень превращения, выход продукта

1. Степень превращения – доля одного из реагентов, вступающего в р-цию от нач кол-ва этого реагента.

Напр.,

где m_А, m_В, n_А, n_B, v_А, v_B – это масса, число молей и объем реагентов А и В в конце пр-са; а с “0” – в начале пр-са.

Если реагенты А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то .

Степень превращения реагента, взятого с избытком от стехиометрического соотношения, всегда ниже, чем поступающего в недостатке.

Если α_В – коэф-т избытка в-ва В по отношению к стехиом., то

Если р-ция протекает без изм-ия объема (изохорическая), то конц-ции реагентов А и В равны

[об.%]

Из этих ф-л вытекает расчетная ф-ла:

От протекания р-ции с изм-ем объема х_i рассчитывают по ф-ле:

где ε_А – относит. изм-ие объема реакционной смеси при полном превращении реагента А, т.е.

где ... – это объем реакционной смеси в конце и начале пр-са.

В общем виде значение для р-ции равно

где β – доля всей стехиом. смеси в начальный момент времени.

Для пр-сов межфазной массопередачи (испарение, конденсация, абсорбция, десорбция и др.) степень превращения наз-ся степенью межфазного перехода (степень абсорбции и т.д.)

2. Выход продукта – отношение практически полученного продукта к его максимальному, рассчитанному по стехиом. ур-ию р-ции при степени превращения реагентов =1

Обычно, m_max рассчитывают по исх в-ву, находящемуся в недостатке, но иногда для оценки эф-ти исп-ия исх в-ва, взятого с избытком, m_max опр-ют по кол-ву этого в-ва.

В-во В в избытке, то численное значение фактического выхода продукта D по в-ву А (Ф_D(А)) будет выше, чем по в-ву В, но при этом

Максим-ый выход продукта j по i Ф_{max j(i)} при протекании простых необр-ых р-ций в общем случае равен:

Для простых необр-ых р-ций фактический выход продукта по к-либо исходному в-ву численно равен степени превращения этого в-ва, т.е.

Для обр-ых р-ций исходные в-ва превращаются в продукты не полностью, и если в ф-ле (2.7) вместо m_ф подставить m_р, то получим равновесный выход:

Степень превращения, достигаемая при равновесии, наз-ся равновесной степенью превращения (х_р, х^*).

Для хар-ки степени превращения обратимого пр-са к равновесию на практике исп-ют, так называемый “выход от теоретического” или “выход от равновесного”, к-рый равен отношению фактически получаемого продукта (m_ф) к кол-ву его, к-рое получилось бы, если пр-с пришел в состояние равновесия (m_р)

Выход продукта во многом опр-ся степенью совершенства ХТП, затраты сырья на ед. продукции и экономические показатели производства.