1 Химическая технология

Технология-наука о способах и процессах производства промышленных продуктов из исходного сырья. В основе технологии лежат химические реакции. Следовательно сырьё-это одни вещества, продукты- совершенно другие, химическая переработка- газ. Химические реакции схематически аА+вВ+сС. А-Н2, В-N2, C- NH3. Стехеометрические коэффициенты (закон сохранения вещества) а, в, с. А=3, в=1, с=2. 2Н2+ N2= 2NH3

2 Химико-технологический процесс и его содержание Химико-технологический процесс - это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением этого целевого продукта. Показатели:

-степень превращения исходного реагента- количество прореагировавшего реагента, отнесённое к его исходному количеству. Для простейшей реакции А1-А2. Х=С01-С1/С01. С01-концентрация на входе в реактор, С1-концентрация на выходе из реактора

-выход продукта- отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено в данных условиях осуществления реакций

Фr= nr/nk,max

- Селективность- отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшему на все реакции. Фи= дельта Па цел/ дельта Па сумм

- производительность -Количество продукта получаемого за единицу времени. П=nr/t

- интенсивность- Величина которая измеряется отношением производительности к объёму аппарата, Sсеч аппарата. I=П/V

3 химическая реакция и химический реактор Химический реактор — агрегат для проведения химических реакций объёмом от нескольких миллилитров до десятков кубометров. В зависимости от условий протекания реакций и технологических требований реакторы делятся: реакторы для реакций в гомогенных системах и в гетерогенных системах; реакторы низкого, среднего и высокого давления; реакторы низкотемпературные и высокотемпературные; реакторы периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Цель работы реактора – выработка конечного продукта из исходных компонентов при соблюдении требований максимальной эффективности процесса:

1. Создание устойчивого и стабильного режима проведения реакции;

2. высокие энергетические показатели;

3. минимальная стоимость реактора;

4. простота работы и ремонта.

Хими́ческая реа́кция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции). Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ)

4 Классификация химических реакций по фазовому составу, по механизму, по молекулярности, по порядку реакций

- в зависимости от фазового состава

*гомогенные –к ним относятся реакции , протекающие в газовой фазе и целый ряд реакций, протекающих в растворах

* гетерогенные- к ним относятся реакции, в которых реагенты и продукты реакций находятся в разных фазах

-по механизму осуществления реакции

*простые (одностадийные)

*сложные (многостадийные)

-по молекулярности

*мономолекулярные (А-В)

*бимолекулярные (2 молекулы должны встретиться)

*тримолекулярные

-по порядку реакции

*реакции 1 порядка. *реакции 2 порядка, *реакции 3 порядка

-участие катализатора

*каталитические

*некаталитические

-по тепловому эффекту

*эндотермические

*экзотермические

5 стехиометрия химических реакций Стехиометрия— раздел химии о соотношениях реагентов в химических реакциях. Позволяет теоретически вычислять необходимые массы и объёмы реагентов. Отношения количеств реагентов, равные отношениям коэффицентов в стехиометрическом уравнении реакции, называются стехиометрическими. Если вещества реагируют в соотношении 1:1, то их соответственные количества называют эквимолярными. Термин "стехиометрия" ввел И. Рихтер в 1793. В основе стехиометрия лежат законы сохранения массы. эквивалентов (см. Эквивалент химический), Авогадро, Гей-Люссака, постоянства состава, кратных отношений. Все законы стехиометрия обусловлены атомно-мол. строением вещества. Соотношения, в которых, согласно законам стехиометрия, вступают в реакцию вещества, наз. стехиометрическими, также наз. соответствующие этим законам соединения. В-ва, для которых наблюдаются отклонения от законов стехиометрия, наз. нестехио-метрическими

6 Технологические критерии эффективности химико- технологического процесса Химико-технологический процесс - это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением этого целевого продукта. Химико-технологический процесс складывается из трех стадий:

1) подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));

2) химические реакции - основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем);

3) отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой. Технологический процесс, в котором достигается абсолютная селективность и 100% -ный выход целевого продукта, просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты, энергетические затраты, вследствие чего стоимость продукта резко возрастает, и тогда товар теряет своего потребителя.

7 степень превращения реагента

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

Конве́рсия— процесс переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси. Конвертируют обычно газообразные углеводороды (метан и его гомологи) и оксид углерода (II) с целью получения водорода или его смесей с СО. Эти смеси используют для синтеза органических продуктов и в качестве газов-восстановителей в металлургии или перерабатываются для получения чистого водорода.

8 выход продукта

Отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено в данных условиях осуществления реакций

Фr= nr/nk,max

9 Селективность

Селективность (избирательность). - отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшему на все реакции. Фи= дельта Па цел/ дельта Па сумм

10 производительность

Количество продукта получаемого за единицу времени. П=nr/t

11 Интенсивность

Величина которая измеряется отношением производительности к объёму аппарата, Sсеч аппарата. I=П/V

12 технико-экономические показатели: расходный коэффициент по сырью и энергии, фабрично- заводская себестоимость, качество продукции

На производство всякой продукции затрачивается определенное количество сырья, материалов и энергии. Расход различных видов сырья, материалов и энергии на 1 т готовой продукции называют расходными коэффициентами. Расходный коэффициент можно иначе назвать удельным расходом. Чем ниже расходные коэффициенты, тем меньше затраты на производство 1 т продукции. Поэтому нужно стремиться к наибольшему сокращению расхода сырья, материалов и энергии в производстве. Снижения расходных коэффициентов можно достичь путем повышения выходов полупродуктов и продуктов и снижения потерь.

Себестоимость продукции представляет собой сумму всех затрат, связанных с изготовлением изделий в процессе производства. Себестоимость включает затраты на сырье, материалы, рабочую силу, энергию и все прочие элементы, необходимые для получения в производстве 1 т какой-либо продукции. Качество продукции — это оценка потребителем степени соответствия ее свойств индивидуальным и общественным ожиданиям, обязательным нормам в соответствии с ее назначением

13 скорость гомогенной химической реакции

Скорость гомогенной реакции в целом определяется как скорость изменения глубины протекания реакции в единицу времени в единице объема:

Определенная таким образом скорость реакции не зависит от выбора компонентов и будет практически одинаковой для разных веществ, участвующих в реакции.

Скорость гомогенной химической реакции принято выражать изменением концентрации реагирующих веществ или образовывающихся продуктов реакции в единицу времени. Концентрации исходных веществ в ходе реакции уменьшаются, а концентрации продуктов реакции возрастают во времени. Скорость гомогенной химической реакции по мере израсходования исходных веществ уменьшается.

14 Законы скорости реакции 1 и 2 порядка

Зависимость скорости гомогенной реакции от концентрации определяется законом действующих масс: Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

          Для обратимой химической реакции, записанной в общем виде,

                                                        

скорость прямой реакции равна  

где с_A, c_B, c_D, c_E – концентрации реагирующих веществ, моль/л; a, b,d,e -стехиометрические коэффициенты или порядок реакции по реагенту A, B, D или  E; k₁ и  k₂ константы скоростей химических реакций.

Первый порядок имеют реакции диссоциации или разложения молекул Н2 → 2Н; радиоактивного Для реакций первого порядка кинетическое уравнение имеет вид- dС/ dt = k1 С. Разделяя переменные  - dС/С = k1 dt и интегрируя полученное уравнение, находят  ∫СС0 -dС/С = (integ)0t k1 dt, находят -(lnС – lnС0) = k1t   lnС = lnС0 – k1 t ; С = С0exp(-k1 t)

Примеры реакций второго порядка : Н2 + I2 ->2НI  ; или 2NО 2->2NО + О2 если в реакции участвуют два компонента, концентрации которых равны, то дифференциальное уравнение имеет вид - dС/dt = k2 С × С. (или С2) Разделение переменных и интегрирование в пределах от Со до  С приводит к следующему результату: 1/С - 1/С0 = k2 t из уравнения следует, что концентрация исходных веществ зависит от времени следующим образом:  С = С0 / (1+ k2 С0 t)

15 Дифференциальные и интегральные уравнения законов скоростей химических реакций

Для реакции 1-го порядка по реагенту кинетическое уравнение имеет вид:

R= -dCa/d=Kca

Это дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными. В результате интегрирования получаем

а) зависимость концентрации от времени:

CA = СA0 exp(-k ) 4

б) время, необходимое для достижения заданной концентрации:

Для реакции 2-го порядка (А + В = D Так протекает подавляющее

большинство элементарных актов химических реакций), в общем случае

кинетическое уравнение имеет вид: r2=-dCa/d=-dCb/d=K2CaCb

Дифференциальные способы используют дифференциальные кинетические уравнения. Порядок реакции с помощью этих способов рассчитывается и представляется в виде числа

Интегральные способы базируются на проверке уже известных интегральных зависимостей (табл.). Порядок реакции не рассчитывается, а находится на основании вывода о выполнении или невыполнении той или иной зависимости.

16 полупериод химической реакции

Это время в течении которого концентрация реагента уменьшается в 2 раза.

T1/2=(1/k)ln2

Для простой реакции ln2=x=е в квадрате.

Lg2=y=10 в квадрате.

На скорость реакции влияет t, Wr=f(T)

17 энергия активации химической реакции

Энергия активации- разность между значениями средней энергии частиц (молекул, радикалов, ионов и др.), вступающих в элементарный акт химической реакции, и средней энергии всех частиц, находящихся в реагирующей системе. Для различных химических реакций Э. а. изменяется в широких пределах — от нескольких до Энергия активации 10 дж./ моль. Для одной и той же химической реакции значение Э. а. зависит от вида функций распределения молекул по энергиям их поступательного движения и внутренним степеням свободы (электронным, колебательным, вращательным).

18 уравнение Аррениуса

Уравнение Аррениуса достаточно хорошо выполняется для простых гомогенных и многих гетерогенных реакций. Откло­нение от этого закона указывает на сложный характер протекаю­щей реакции

Аррениуса уравнение, температурная зависимость константы скорости к элементарной хим. реакции:

где A-предэкспоненциальныи множитель (размерность совпадает с размерностью к),

Е_а -энергия активации, обычно принимающая положит. значения,

Т-абс. температура,

k-постоянная Больцмана.

19 влияние концентрации реагентов и температуры на скорость химической реакции

Влияние концентраций веществ на скорость химической реакции

Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Очевидно, что вероятность столкновения молекул прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов.

В середине XIX в. был сформулирован основной постулат химической кинетики, называемый также законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных коэффициентам перед формулами веществ в уравнении реакции

Влияние температуры на скорость химической реакции

При повышении температуры скорость химических реакций обычно возрастает. Это объясняется теорией активации: энергия необходимая для активирования молекул, называется энергией активации (Е _акт).С повышением температуры увеличивается число активных молекул, поэтому увеличивается скорость реакции. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10^оС скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза.

20 влияние температуры на селективность химической реакции Селективность - это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшему на все реакции (и целевую и побочные).

21 способы увеличения скорости гомогенной химической реакции

Скорость гомогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции в единицу времени в единице объема. В количественном отношении влияние температуры на скорость гомогенных химических реакций может быть выражено в приближенной форме правилом Вант-Гоффа: повышение температуры на 10° увеличивает скорость гомогенных химических реакций примерно в 2÷4 раза. Изменение скорости реакции в зависимости от повышения температуры реакции

Математически это будет выглядеть следующим образом:

,

где  - температурный коэффициент скорости реакции, равный примерно 2÷4.

22 скорость гетерогенного химического процесса Гетерогенные реакции, хим. реакции с участием веществ, находящихся в различных фазах и составляющих в совокупности гетерогенную систему. Типичные гетерогенные реакции: термическое разложение солей с образованием газообразных и твердых продуктов (например, СаСО₃ -> СаО + СО₂)

Скорость любого гетерогенного процесса возрастает при увеличении поверхности контакта фаз. Для этого используют измельчение твердой фазы.

В уравнении закона действия масс для гетерогенной реакции концентрация твердой фазы не учитывается. Например, для горения углерода  C(т) + O₂(г)  CO₂(г)  выражение закона действия масс выглядит следующим образом v = k[O₂]

Разумеется, характеристики твердого вещества влияют на скорость реакции, но это влияние отражается величиной константы скорости k.

23 основные стадии и кинетические особенности гетерогенных процессов Химические реакции, протекающие на границе раздела двух фаз, называют гетерогенными. В гетерогенных реакциях, как правило можно выделить по меньшей мере три стадии: перенос реагирующих веществ к поверхности раздела  фаз, т.е. в реакционную зону; собственно химическое взаимодействие; перенос продуктов реакции из реакционной зоны. Могут быть и другие стадии, например адсорбция и десорбция; дополнительные химические превращения продукта реакции у поверхности твердого тела; комплексообразование, димеризация, протонирование. Если гетерогенный процесс находится в кинетической области, то его течение подчиняется зак-м протекания х.р. на поверхности раздела фаз. Особенности таких процессов:

- любой порядок процесса

- резкая зависимость скорости процесса от температуры

- зависимость скорости процесса от величины поверхности раздела фаз

24 лимитирующая стадия гетерогенного химического процесса

Как известно, у гетерогенной каталитической реакции может быть несколько лимитирующих стадий. Лимитирующей стадией может являться: Внешняя диффузия реагентов или продуктов реакции. В этом случае скорость процесса будет определяться скоростью, с которой частицы реагентов из ядра газового потока будут попадать на поверхность катализатора или тем, насколько быстро образовавшиеся частицы будут уходить с поверхности катализатора в ядро газового потока. Внутренняя диффузия реагентов или продуктов реакции. В этом случае скорость процесса определяется тем, насколько быстро молекулы реагента проникают в поры катализатора или же тем, как быстро молекулы продукта реакции освобождают пространство пор. Адсорбция или же десорбция на поверхности катализатора. В такой ситуации скорость процесса будет определяться тем, насколько быстро происходит насыщение активных центров катализатора молекулами веществ или насколько быстро десорбируются полученные вещества с поверхности катализатора. Непосредственно химическая реакция - в этом случае скорость процесса определяется скоростью взаимодействия веществ активных центрах катализатора.  Если химические превращения протекают очень быстро, то лимитирующей стадией гетерогенного химического процесса может стать скорость подвода и отвода регулирующих веществ к межфазной поверхности и от нее, т.е. массообменный процесс.