Физико-химические основы технологического процесса

Основная цель выполнения этого раздела — дать обоснование норм технологического режима в реакторе (концентраций, температуры, давления, степени превращения и т. д.).

Для обоснования норм технологического режима привлекаются данные по термодинамике, а также сведения гю механизму и кинетике основных и побочных реакций.

Термодинамические данные используются для определения области значения параметров, в которой процесс протекает, а также для расчета степеней превращения исходных веществ, если процесс происходит в равновесных условиях.

Кинетические данные (константы скоростей химических реакций, константы равновесия, энергии активации реакций) необходимы как при определении норм технологического режима, так и при расчете размеров реакторов.

Следует напомнить, что нормы технологического режима определяются как кинетическими, так и технико-экономическими показателями. Так, повышение температуры ведет к увеличению скорости процесса и к повышению производительности единицы объема реактора, но с ростом температуры может, например, уменьшаться се­лективность процесса, т. е. увеличиваются затраты сырья. Кроме того, верхний предел температуры может определяться и термической устойчивостью перерабатываемых и получаемых веществ, а также свойст­вами энергоносителей и катализаторов.

Давление в аппарате определяется не только исходя из конструк­ционных зависимостей для скорости процесса или константы равно­весия, но и исходя из затрат на создание давления или вакуума, требо­ваний техники безопасности и т. п. Например, назначение в аппарате давления меньше атмосферного нецелесообразно там, где перераба­тываются огне - или взрывоопасные вещества при температурах выше температур самовоспламенения. Подача воздуха в эти реакторы через фланцевые соединения или при появлении трещин в конструкцион­ном материале за счет эрозии, коррозии и т. п. приводят к взрыву. Целесообразно в этом случае вместо вакуума работать при давлении выше атмосферного или применять инертные разбавители для сниже­ния парциальных давлений перерабатываемых веществ. В аппаратах величина рабочего давления может определяться также гидравли­ческим сопротивлением в целом. Часто незначительное повышение давления позволяет использовать такие дешевые хладагенты, как про­мышленная оборотная вода или воздух вместо значительно более до­рогого рассола.

Назначение степени превращения сырья, а следовательно, и вели­чина времени контакта определяется, в основном, зависимостью се­лективности от степени превращения, поэтому стремление к полному превращению сырья может привести иногда к неоправданному уве­личению реакционного объема.

Концентрации реагентов определяются стремлением достичь не только высоких скоростей процесса, но также обеспечением вы­сокой селективности с учетом кинетических порядков основной и побочных реакций. Выбираемые концентрации могут определяться величинами вязкости растворов, стремлением обеспечить требуемые режимы теплообмена и т. д. Иногда целесообразно для поддержания высоких скоростей процесса и больших степеней превращения под­держивать в реакторе избыток одною из реагентов. Обычно выбирают для этого реагент дешевый и легко выделяемый в дальнейшем на ста­дии очистки. Такой прием при назначении норм технологического режима позволяет добиться более полного использования дорогого и дефицитного сырья за счет рационального соотношения реагентов в реакторе.