Производство стирола дегидрированием этилбензола по реакции

С₆Н₅СН₂СН₃ ↔ С₆Н₅СН =СН₂ + Н₂ (∆ Н >0)

сопровождается параллельными и последовательными реакциями распада и конденсации, энергии активации которых больше энергии активации основной реакции. Каким образом можно повысить селективность процесса?

Ответ: Для ускорения основной реакции необходимо использовать селективный катализатор. Для уменьшения влияния последовательных реакций необходимо ументшить время контактирования. По принципу Ле-Шателье: необходимо понизить температуру и давление.

47. В процессе пиролиза нефтепродуктов целевые реакции распада углеводородов осложнены реакциями конденсации, порядок которых выше порядка реакций распада. Как следует изменить условия процесса для увеличения доли реакций распада? Обосновать ответ.

Ответ: Пиролиз t=700-1000°C, P»1атм. Глубину процесса пиролиза определяют температура и давление. Для пиролиза благоприятна высокая температура, так с увеличением температуры растет выход этилена и пропилена (целевые продукты.). Процесс желательно проводить при пониженном давлении Р=0,03-0,12МПа. Чтобы снизить парциальное давление углеводородов, сырье разбавляют водяным паром. При разбавлении сырья водяным паром значительно возрастает выход этилена, уменьшается коксообразование на стенках труб и увеличивается скорость движения газосырьевой смеси в печи.

49. Какие приемы применяют в процессе окисления SO2+0,5O2&#8596;SO3 (Δ;Н<0) для реализации принципа наилучшего использования сырья? Какие еще приемы используются для реализации этого принципа?

Ответ: Для реализации принципа наилучшего использования сырья процесс окисления SO2+0,5O2=SO3 ведется с избытком О2, т.к. процесс обратимый, экзотермический, проводят его по линии оптимальных температур.

Принцип наилучшего использования сырья включает:

1) использование реагента в избытке

2) смещение равновесия

3) "закалка" системы в состоянии наиболее выгодном для проведения процесса

Используется

- в обратимых эндотермических реакциях (при охлаждении увеличивается скорость обратной реакции)

- при протекании последовательной побочной реакции

- при наличии обратимых полиморфных превращений

4) использование противотока в системе (способствует более глубокому взаимодействию реагентов в системе)

5) подавление побочных реакций

Увеличение скорости основной реакции относительно протекающих побочных

- селективный катализатор

- избыток реагента

- уменьшение времени пребывания или увеличение объемной скорости

- вывод продукта из сферы реакции

6) совмещение (комбинирование) процессов

- постадийное

- комплексное использование сырья

- использование отходов

50. Для чего необратимую гетерогенную экзотермическую реакцию в системе «газ-твердое тело»:

А_(г) + В_(т) → R_(г) + S _(т)

проводят с избытком реагента А? Обосновать ответ. Какие приёмы применяются для реализации принципа наибольшей интенсивности процесса в гетерогенных системах?

Ответ: Для интенсификации процесса используют избыток реагента А. Избыток реагента увеличивает скорость как химической реакции, так и процессов массопередачи и подавляет побочные реакции.

Приемы для реализации принципа набольшей интенсивности процесса:

Для увеличения движущей силы процесса используют

- увеличение концентрации реагирующих веществ.

- увеличение давления с участием газовой фазы

- вывод продукта из сферы реакции

- проведение процесса вдали от состояния равновесия (с большими объемными скоростями или малым временем контактирования)

51. Какие системы называют энерготехнологическими и каковы приёмы рационального использования энергии внутри ХТС?

Ответ: Энерготехнологические системы – системы, в которых наряду с продуктом производится энергия.

Приемы рационального использования энергии внутри ХТС:

- Производство пара в котлах-утилизаторах (парогенераторах);

- Использование энергетического потенциала промежуточных потоков ХТС.

52. Какие основные технологические принципы реализуются одновременно при применении рециркуляции исходных реагентов?

Ответ: Рециркуляция исходных реагентов связана с неполнотой их превращения.

Причинами рециркуляции могут быть:

· избыток реагента

· ограниченное время контактирования (для предотвращения побочных процессов)

· малая скорость (проводят процесс вдали от состояния равновесия, а непрореагировавшие вещества возвращают в процесс, при этом повышается интенсивность процесса, т.е. повышается производительность)

· термодинамические ограничения (синтез NH₃)

Рассмотрим принципы:

1. принцип наилучшего использования сырья – реализуется (в результате рецикла повышается степень превращения сырья)
2. принцип наилучшего использования энергии – нет
3. принцип наибольшей интенсивности процесса – реализуется (маленькое время контактирования – большая объемная скорость→большая интенсивность I=a*W)
4. принцип экологической безопасности – реализуется (меньше отходов)
5. принцип технологической соразмерности – реализуется

54. Какие основные технологические принципы реализуются одновременно при применении оптимальных больших объемных скоростей?

Ответ: 1) принцип наибольшей интенсивности процесса, т.к. увеличивается движущая сила процесса из-за того, что концентрация продукта не успевает достигнуть равновесного значения и поэтому процесс ведется вдали от равновесия.

Интенсивность процесса , где а – мольная доля продукта, w – объемная скорость (расход потока/единицу объема аппарата).

2) принцип наилучшего использования сырья, так как позволяет подавить побочные реакции, ведь уменьшается время пребывания реагента в системе.

55. Какие приемы применяют при абсорбции нитрозных газов в процессе производства азотной кислоты для увеличения движущей силы?

Ответ: Абсорбции нитрозных газов является завершающим этапом производства азотной кислоты и состоит из двух процессов:

1) хемосорбции диоксида азота водой:

2NO₂ + H₂O ↔ HNO₃ + HNO₂ ΔH<0

2) превращением азотистой кислоты в азотную:

3HNO₂ ↔ HNO₃ + 2NO + H₂O ΔH>0

Кинетика процесса хемосорбции в системе газ-жидкость (абсорбция с химическим взаимодействием) описывается уравнением:

,

где К_абс – константа абсорбции, F – поверхность контакта, – парциальное давление в газе на абсорбцию, - парциальное давление над поглощающей жидкостью. Разность равна движущей силе процесса хемосорбции.

Для увеличения движущей силы процесса абсорбции необходимы:

- высокая концентрация NO₂ в газе, поступающем на абсорбцию

- понижение температуры, так как процесс абсорбции экзотермический

- организация противотока газа и абсорбирующей воды.

Какие приемы используют в гетерогенных системах для реализации принципа наибольшей интенсивности процесса?

Скорость гетерогенного процесса:

,

где k – коэффициент интенсивности процесса, F – поверхность контакта фаз, с - текущая концентрация регента, с* - равновесная концентрация реагента, Δ – движущая сила процесса.

Для увеличения интенсивности процесса, т.е. для его ускорения необходимо:

- увеличить поверхность контакта фаз, например, использовать более мелкие частицы катализатора,

- увеличить движущую силу процесса, например, увеличить объемную скорость процесса, тем самым отодвинув текущую концентрацию от равновесной, или просто увеличить концентрацию реагента в потоке,

- увеличить температуру протекания процесса, если процесс проходит в кинетической области, тогда коэффициент эффективности равен константе скорости реакции или ввести катализатор, уменьшив тем самым энергию активации реакции.

- если процесс протекает во внешнедиффузионной области, то следует увеличить линейную скорость потока, турбулизировать поток.

56. Какой из технологических приемов позволяет одновременно реализовать принципы наибольшей интенсивности процесса, наилучшего использования сырья, технологической соразмерности процесса и экологической безопасности?

Ответ: селективный катализатор, т.к.:

ускоряет реакцию (ПНИП);

ускоряет только основную реакцию, обеспечивая более полное ее протекание (ПНИС);

позволяет разрешить противоречия, возникающие во время процесса (например, реакция экзотермическая - необходимо понижать температуру процесса, но для высокой скорости процесса необходимо повышать температуру. Противоречие разрешается путем введения катализатора - ПТСП);

в связи с более полным протеканием основной реакции уменьшается количество отходов (ПЭБП).

57. При производстве серной кислоты на последней стадии – абсорбции – протекает реакция:

SO3+H2O=H2SO4,?H= -92 кДж.

Чем орошают абсорбер?

В чем противоречие ПНИП? Каковы способы увеличения движущей силы процесса?

Ответ: орошение проводят 98.3% серной кислотой, т.к. при орошении абсорбера водой возможно резкое увеличение температуры (реакция сильно экзотермична, а введение дополнительного количества реагента в сферу реакции сместит ее вправо. Увеличится т-ра, возможно образование сернокислотного тумана)

Противоречие ПНИП: мы умышленно уменьшаем движущую силу процесса, вводя продукт в сферу реакции.?= pSO3- p* SO3. Надо орошать тем соединением, над которым p* SO3 min (над водой=0)

Увеличиваем движущую силу процесса, организуя противоток в системе.

58. Какими приемами увеличивают движущую силу процесса (принцип наибольшей интенсивности процесса)? Какие еще приемы применяются для реализации принципа наибольшей интенсивности процесса?

Ответ: Для увеличения движущей силы процесса

1) увеличивают концентрацию реагирующих веществ

2) увеличивают давление с учетом газовой фазы

3) выводят продукт из сферы реакции

4) проводят процесс вдали от состояния равновесия (с большими объемными скоростями или малым временем контактирования)

увеличение объемной скорости также является способом интенсификации технологического процесса,

направление потоков (прямоток, противоток или смешанный ток)

59. Каталитическую конверсию оксида углерода водяным паром:

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ ∆Н = - 36,6 кДж/моль

проводят в две стадии, используя сначала высоко-, а затем низкотемпературные катализаторы. К каким изменениям расхода водяного пара это приводит по сравнению с одноступенчатым процессом?

Ответ: СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ ∆Н = - 36,6 кДж/моль – основная реакция; 2СО ↔ С + СО₂ – побочная реакция. При одноступенчатом процессе для подавления побочной реакции увеличивают скорость основной путем проведения процесса с избытком водяного пара, при этом увеличивается и конверсия. При двух стадийном способе на высокотемпературном катализаторе (Fe₃O₄ + Cr₂O₃, t = 400 – 500°C) селективно достигается большая скорость основной реакции, на низкотемпературном катализаторе (CuO + ZnO + Cr₂O₃, t ≈ 250°C) достигается большая конверсия. Таким образом, подавление побочной реакции производится с помощью высокотемпературного катализатора, поэтому расход водяного пара можно уменьшить.

60. Какие приёмы используют для подавления побочных реакций и повышения селективности?

Ответ: Рассмотрим параллельную реакцию:

a₁A → rR – основная реакция;

a₂A → sS – побочная реакция.

Константа скорости основной реакции – k₁, побочной реакции – k₂.

Для подавления побочной реакции и повышения селективности нужно увеличивать скорость образования целевого продукта R по отношению к скорости образования побочного S. Для этого применяют следующие способы:

1) Влияние концентраций исходного реагента.

Пусть t = const, целевая реакция имеет по исходному реагенту А порядок n₁, а побочная реакция – n₂.

Если n₁>n₂, то увеличение скорости образования целевого продукта по сравнению со скоростью образования побочного достигается за счет использования исходного реагента высокой концентрации.

Если n₁<n₂, то скорость образования целевого продукта по отношению к скорости образования побочного будет больше при использовании исходного реагента низкой концентрации.

Если n₁=n₂, то скорости образования целевого и побочного продуктов остаются постоянными при любых значениях концентрации исходных реагентов, их изменить в этом случае можно, лишь изменив k₁ и k₂. Это можно сделать за счет изменения температуры проведения реакции.

2) Влияние температуры проведения процесса.

Пусть n₁=n₂, энергия активации целевой реакции Е₁, побочной Е₂.

Если Е₁>Е₂, то с ростом температуры быстрей увеличивается скорость целевой реакции по отношению к скорости побочной.

Если Е₁<Е₂, то для более быстрого увеличения скорости основной реакции по отношению к скорости побочной температуру проведения процесса нужно уменьшать.

3) Влияние катализаторов.

Катализаторы применяют для уменьшения энергии активации реакции.

Пусть t = const, тогда при снижении энергии активации основной реакции с помощью селективного катализатора увеличивается k₁ по сравнению с k₂, поэтому увеличивается скорость образования целевого продукта по отношению к скорости образования побочного.

61. Что такое последовательные связи в ХТС и для чего их используют?

Какие ещё типы связей используются в ХТС и их назначение?

Ответ: Последовательная схема применяется для увеличения степени использования сырья и увеличения эффективности функционирования подсистем разделения.

Другие типы связей в ХТС

1. Параллельная – характеризуется наличием разветвлений в ХТС, при этом они имеют общий вход и выход. Применяется для резервирования мощностей при комплексном использовании сырся, при переработке одного вида сырья в различные химические формы.

2. Последовательно-обводная (байпас). Применяется для регулирования температуры экзотермического процесса

3. Перекрестные.

Все эти связи характеризуются однонаправленностью потоков.

62. Что такое байпасные связи в ХТС и для чего их используют?

Какие ещё типы связей используются в ХТС и каково их назначение?

Ответ: Байпас применяется для регулирования температауры экзотермического процесса. Это последовательная обводная связь, при которой часть потока минует аппарат. Используется в колнке синтезха аммиака и метанола.

В ХТС существуют другие типы связей:

1. Параллельная – характеризуется наличием разветвлений в ХТС, при этом они имеют общий вход и выход. Применяется для резервирования мощностей при комплексном использовании сырся, при переработке одного вида сырья в различные химические формы.

2. Перекрестные.

3. Последовательная схема применяется для увеличения степени использования сырья и увеличения эффективности функционирования подсистем разделения.

63. Для чего используется обратная связь(рецикл) в ХТС? Что является причиной рециркуляции исходных реагентов?

Ответ: Обратная связь(рецикл) в ХТС используется для регулирования температуры, концентрации компонентов в смесях,увеличения выхода целевого вещества, а также для увеличения селективности. Рецикл используется для реализации принципа наилучшего использования сырья.

Схема рецикла ХТС.

Внутренний технический поток Х_R направление которого противоположно главному потоку называется рециклом.

R- это степень рециркуляции. R показывает какая часть главного потока возвращается в процесс.

Кратность рециркуляции К_R показывает во сколько раз главный поток больше прямого:

В ХТС могут циркулировать исходные, промежуточные и конечные вещества.

Причиной рециркуляции исходных реагентов является неполное их превращение:

1)Термодинамические ограничения (несмещаемость процесса).

2)Малая скорость реакции (есть смысл работать в дали от состояния равновесия и возвращать исходное вещество на рецикл с целью увеличения производительности).

3)Ограниченное время контактирования.

4)Избыток реагентов (при синтезе метанола избыток Н₂)