Принципы составления материальных и тепловых балансов химических реакций

Химико-технологический процесс (ХТП) закономерности их протекания, задачи анализа, синтеза и оптимизации химико-технологических систем, технологические принципы, создания химико-технологических систем.

Любое химическое производство может быть представлено в виде химической системы, которая характеризуется входными параметрами, выходными параметрами и параметрами управления z.

У1

Z2

Z1

Х1

У2

Х2

ХТС

У3

Х3

Любое химическое производство можно представить в виде следующих стадий:

Рассмотрим на примере реакции: А+В=С+Д

Энергоснабжение 5

Энергоснабжение 6

АСУП

А

В

Д

А1, В1

С

АСУП – автоматизированная система управления производством.

1 – стадия подготовки сырья; 2 – стадия синтеза; 3 – стадия выделения целевого продукта; 4 – стадия утилизации отходов; 5 – энергоснабжение; 6 – водоснабжение.

На первой стадии проводят операции, необходимые для подготовки исходных реагентов к проведению химической реакции. Реагенты переводят, в частности, в наиболее реакционноспособное состояние. Например, известно, что скорость химических реакций сильно зависит от температуры, поэтому часто реагенты до проведения реакции нагревают. Газообразное сырье для повышения эффективности процесса и уменьшения размеров аппаратуры подвергают компримированию до определенного давления. Чтобы устранить побочные явления и получить продукт высокого качества, исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, пользуясь методами, основанными на различии физических свойств (растворимость в различных растворителях, плотность, температуры конденсации и кристаллизации и т. д.). При очистке сырья и реакционных смесей широко применяют явления тепло- и массообмена, гидромеханические процессы. Могут быть использованы и химические методы очистки, основанные на химических реакциях, в результате которых ненужные примеси превращаются в легко отделимые вещества.

Соответствующим образом подготовленные реагенты на следующей стадии подвергают химическому взаимодействию, которое может состоять из нескольких этапов. В промежутках между этими этапами иногда необходимо вновь использовать тепломассообменные и другие физические процессы. Например, при производстве серной кислоты диоксид серы частично окисляют до триоксида, затем реакционную смесь охлаждают, извлекают из нее путем абсорбции триоксид серы и вновь направляют ее на окисление.

В результате химических реакций получают смесь продуктов (целевых, побочных, попутных) и не прореагировавших реагентов. Заключительные операции последней стадии связаны с разделением этой смеси, для чего вновь применяют гидромеханические, тепло- и массообменные процессы, например: фильтрование, центрифугирование, ректификацию, абсорбцию, экстракцию и т. д. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку; не прореагировавшее сырье вновь используют в процессе, организуя его рецикл.

На всех этапах, а особенно на заключительных, проводят также рекуперацию вторичных материальных и энергетических ресурсов. Потоки газообразных и жидких веществ, попадающих в окружающую среду, подвергают очистке и обезвреживанию от опасных примесей. Твердые отходы либо направляют на дальнейшую переработку, либо размещают для хранения в безопасных для окружающей среды условиях.

Любую сложную химическую систему можно представить в виде иерархической структуры.

В основе иерархической структуры должен быть положен такой элемент, на основе которого можно выстроить всю иерархическую структуру.

1 – процесс; 2 – аппарат; 3 – узел (агрегат); 4 – химико-технолгический процесс (ХТП); 5 – химическое производство (ХП).

Процессы бывают: механические (измельчение, дробление, гранулирование); физические (нагревание, охлаждение); физико-химические (конденсация, плавление); химические (химическая реакция).

Аппарат – это устройство, предназначенное для проведения какого-либо процесса. Аппарат, в котором осуществляется процесс называется реактором.

Узел (агрегат) – это совокупность аппаратов, предназначенная для проведения какого-либо процесса.

ХТП – это совокупность узлов, предназначенная для получения какого-либо продукта (отдельный цех, установка).

ХП – это совокупность ХТП, предназначенная для получения целевого продукта (цех, завод).

Химический комбинат – это структурная единица отрасли химической промышленности.

Классификация химических процессов и реакций, лежащих в основе промышленного производства:

По фазному состоянию исходных веществ: гомо- и гетерофазные. Гомофазные процессы – это процессы, в которых реагирующие вещества находятся в одинаковых фазах. Гетерофазные процессы – вещества находятся в разных фазах.

По месту протекания реакции: гомо- и гетерогенные процессы. Гомогенные процессы – реакции протекают в объеме фазы. Гетерогенные процессы – реакции протекают на границе раздела фаз.

По химической схеме: простые: ;

сложные:

1,2 – последовательные реакции; 1,3 – параллельные реакции.

Процессы пиролиза, крекинга нефтепродуктов описываются сложными химическими схемами:

По механизму: элементарные: А+В=С+Д;

неэлементарные: .

По тепловому эффекту: эндо- и экзотермические реакции;

По применению катализаторов: каталитические и некаталитические;

По молекулярности: моно-, би-, тримолекулярные.

По порядку: реакции 1,2,3, нулевого и дробного порядка.

Важной подсистемой сложного химико-технологического процесса является химический процесс.

Химический процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты, массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на протекание химической реакции.

Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность технологических параметров (температуры, давления, концентраций реагентов и т. д.), определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов (технологической схемы).

Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры, давления, состава исходной реакционной смеси и т. д.), позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость при соблюдении условий рационального использования сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружающей среде.

Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и т. д. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса.

Технологическая схема – рационально построенная система единичных аппаратов, соединенных различными видами связей (прямых, обратных, последовательных, параллельных), позволяющая получить заданный продукт заданного качества из природного сырья или полуфабрикатов.

Технологические схемы бывают открытыми и закрытыми, могут содержать байпасные (обводные) потоки и рециклы, позволяющие повышать эффективность функционирования химико-технологической системы в целом.

Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии.

Технологические критерии эффективности химико-технологических процесса (производительность, интенсивность, степень превращения для различных видов реакций, селективность, выход продукта).

Производительность, П – это количество полученных продуктов (переработанного сырья) в единицу времени.

П = G/t, кг/ч, Т/год, м³/час, кмоль/мин.

G-количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t.

Максимально достигнутая производительность на реакторе называется мощностью.

Интенсивность, I – это количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата. Этот показатель характеризует интенсивность протекания процесса в технологическом аппарате и совершенство организации процесса.

= , ,

Степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

, %, доли

n_io – число молей i-го реагента, входящего в элемент ХТС;

n_i - число молей i-го реагента, выходящего из элемента ХТС.

Откуда, ,

Для обратимых реакций, степень превращения обратимая

- равновесное количество, выходящего реагента;

Откуда, .

Для реакций типа: aA+bB=cC+rR

степень превращения вещества рассчитывается для каждого вещества в отдельности. Между которыми существует связь

.

Для реакций, протекающих без изменения объема , степень превращения Х_i можно выразить через концентрации:

Откуда,

- текущая концентрация i-го реагента (концентрация на выходе из реактора);

- начальная концентрация i-го реагента.

Для реакций, протекающих с изменением объема :

,

следовательно ,

- текущий объем системы; - первоначальный объем системы.

Например, для реакции 3А+В=2С

.

Селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству реагента, пошедшего на реакцию (то есть доля реагента, претерпевшего превращение в какой-то продукт).

Селективность бывает полной (интегральной) и мгновенной (дифференциальной).

Полная селективность рассчитывается при полном завершении реакци.

- для параллельных (последовательных) реакций:

aA+bB=cC+rR (целевая)

a₁A+b₁B=zZ+yY (побочная)

или

При протекании последовательных, параллельных и последовательно-селективных реакций, селективность может изменяться по закономерностям, проходя через максимум для той или иной реакции. Вводят мгновенную (в данный момент времени) селективность.

, %, доли

- это отношение скорости расходуемого реагента в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходного реагента.

(целевая реакция)

(побочная реакция)

или

Выход продукта – бывает технологический и химический.

Технологический выход – характеризует потери продукта на стадиях выделения.

Химический выход – характеризует протекание самой химической реакции в реакторе.

Выход (технологический) – это отношение количества продукта, выходящего из элемента ХТС к количеству продукта поступающего в элемент ХТС.

Gi

Gio

Элемент ХТС

, %, доли.

Выделение продукта часто бывает многостадийным.

Для последовательно соединенных элементов ХТС:

Ф_m,1 Ф_m,2 Ф_m,3 Ф_m,n

При проведении многостадийных синтезов снижение технологического выхода при выделении играет существенную роль.

Выход химический Ф – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству по уравнению реакции.

aA+bB=cC+rR

где R – целевой продукт.

, %, доли.

Конечное выражение для химического выхода зависит от химической схемы.

- для необратимых реакций:

aA=cC+rR, ;

- для обратимых реакций:

, ;

- для параллельных реакций:

(целевая реакция);

(побочная реакция).

.

Расходные коэффициенты - величины, характеризующие расход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу полученной продукции. Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для большинства химических производств 60-70% себестоимости продукции приходится на эту статью расхода. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты учитывают расход исходного сырья с учетом стехиометрии реакции.

,

где - теоретический расходный коэффициент; n_i, n_j – стехиометрические коэффициенты при реагенте и продукте; Mr_i, Mr_j – молекулярная масса реагента и продукта соответственно.

Примечание: при нахождении числа независимых реакций и составлении стехиометрической матрицы для исходных реагентов в стехиометрические коэффициенты ставят знак «-» (см. разд.2).

Практические расходные коэффициенты учитывают селективность процесса, выход продукта, степень превращения и рассчитывают на базе теоретических расходных коэффициентов.

,

где - практический расходный коэффициент; f - технологический выход; x_i - степень превращения i -го реагента; F - селективность процесса; i_i - содержание i -го реагента в исходном веществе.

Расходные коэффициенты для одного и того же продукта зависят от состава исходных реагентов и могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому в тех случаях, когда производство и сырье отдалены друг от друга, необходима предварительная оценка по расходным коэффициентам при выборе того или иного типа сырья с целью определения экономической целесообразности его использования.

Принципы составления материальных и тепловых балансов химических реакций.