Общий вид ап-тов для гомогенных процессов.Матем-ое выражение скорости процесса

Гомогенными наз-ют хим. процессы, протекаю­щие в однородной среде, т. е. в жидких или газообразных смесях, не имеющих поверхностей раздела, отделяющих части систем друг от друга. Гомогенные процессы в газовой фазе особенно характер­ны для органической технологии и в ряде случаев реализуются испа­рением органических вещ-в с последующей обработкой паров газо­образными реагентами — хлором, кислородом, диоксидом серы, ок­сидами азота; соответственно происходят хим. реакции х л ор и р о в а н и я, окисления, сульфирования, нит­рования и т. д. Часто применяют парофазный п и р о л и з, т. е. нагревание паров органич. вещ-в без доступа воздуха с целью получения новых продуктов; при пиролизе происходит рас­щепление сложных молекул с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов, кот. вступают в ре­акции полимеризации, конденсации, изомеризации и др. Пиролиз жидких и газообраз. вещ-в наз-ся также к р е к и н г о м. К гомогенным процессам в жидкой фазе относятся, напри­мер, реакции нейтрализации и обменного разложения в технологии минераль. солей.Скорость в гомоген.реакции в общем виде: u=k∆C или u=υk∆C,где k-константа скорости процесса;∆С-движущая сила процесса;υ-реакционный объем.Скорость процесса может быть выражена через изменение кол-ва продукта G,концентрации или степени превращения во времени: u₁= dG/dτ=k₁∆C; u₂= dC/dτ=k₂∆C; u₃= dx/dτ=k₃∆C,где ∆С опред-ся различно в зав-ти от порядка реакции и обратимости ее,а также от степени превращения.Ур-е скорости процесса,учитывающее влияние всех основных параметров:u=K₀exp(-E/RT)∆CPⁿ, где K₀— предэкспоненциальный множитель; Е— энергия активации реакции; R— универсальная газовая постоянная; Т— тем-ра. Реакторы для гомогенных процессов Газофазные процессы проводят в камерных и труб­чатых реакторах.Часто применяют пламенные реакторы—горелки и камеры сгорания, в которых для смешивания газовых реагентов имеются спец. устройства —сопло, эжектор, центробежный смеситель и др. Камерные реакторы исполь-ся для синтеза хлороводорода (рис. 45, а), для сжигания серы, термического хлорирования метана (рис. 45, б), термоокислительного пиролиза метана и др.По гидродинамич. режиму некоторые камерные реакторы, напри­мер с центробежным смесителем (рис. 45, в), приближаются к пол­ному смешению, а некоторые-к идеальному вытеснению (рис. 45, а). Камерные реакторы обычно футерованы кислотоупорным или жароупорным мат-м; горелки выполняют из легиров. сталей или спец. металлов.Трубчатые реакторы выпол-ся в виде газовых тепло­обменников (рис. 45, г) или охлаждаемых реакторов типа труба в трубе (рис. 45, д) и работают при режиме идеального вытеснения. Для проведения жидкофазных процессов наиболее характерны реакторы с различ. перемеш. устройствами. Периоди­ческие процессы ведут обычно в одиночных резервуарах с механи­ч. мешалками и другими видами перемешивания (рис. 45, е) или в автоклавах. Для непрерывных жидкофазных процессов приме­няют проточные реакторы— одиночные с перемешиванием (рис. 45, ж), каскад реакторов с мешалками (рис. 45, з), а также реакторы вытес­нения такие же, как и для газофазных процессов, например охлаж­даемый трубчатый реактор вытеснения (рис. 45, д). Жидкофазные гомогенные реакторы применяются для реакций обмена в растворах (например, нейтрализация), этерификации, диазотирования, поли­меризации, поликонденсации и др.

Рис. 45.Типы реакторов для гомогенных процессов газофазных (а — д) и жидкофазных (д — э):

а, б— камерные реакторы с горелками (а -режим идеального вытеснения,б-промежуточный);в -камерный реактор с сильным перемешиванием, изо­термический; г, д — трубчатые реакторы вытеснения политермического режи­ма; е—з — реакторы полного смешения (е -одиночный периодич. дейст­вия; ж —одиночный непрерывного действия; з — каскад реакторов);А,В-исходные реагенты;Д-продукты реакции.

21)Общий вид аппаратов используемых для абсорбционных процессов. Процессы с участием жидких и газообразных реагентов широко применяются в хим. промыш-ти:абсорбция и десорбция газов, испарение и конденсация паров, дистил­ляция и ректификация жидких смесей, пиролиз жидкостей, полимеризация в газах с образованием жидких полимеров и т. д. Для сис­темы Г—Ж особенно характерны абсорбционно-десорбционные про­цессы. Абсорбция — процесс поглощения газов жидкостями с об­разованием растворов. Если абсорбция сопровождается хим. реакцией, она наз-ся хемосорбцией. Сорбционные про­цессы широко распространены в хим. технологии и служат составной частью производств соляной, серной, азотной, фосфорной и других кислот, аммиака и соды, они применяются для улавливания компонентов коксового газа и газов нефтепереработки, при очистке выхлопных газов, в технологии органического синтеза и т. п.Десорбция — процесс, обратный абсорбции, — заключается в выделении из жидкости растворенных в ней газов. На практике десорбцию наз-ют отгонкой и осущ-ют нагреванием жидкости и пропусканием через нее инертного газа или водяного пара.Реакторы для гетерогенных превращений в системе Г—Ж не имеют характерных особенностей и яв-ся типовой хим. аппаратурой, в которой на хим. заводах осущ-ют как физические процессы и операции: испа­рение, дистилляцию и ректификацию, промывку газов, теплообмен, так и хемосорбционные процессы (в производстве минеральных кис­лот, соды, органических веществ).Основные типы реакторов для вза­имодействий между жидкостями и газами показаны на рис. 48. Реак­торы типа рис. 48, а, 6 работают при режиме, близком к идеальному вытеснению, рис. 48, в—е —при режиме вытеснения по газу и сме­щения по жидкости, а рис. 48, ж—и —при режиме, близком к пол­ному смешению. Фактически все эти реакторы работают при проме­жуточных режимах, в той или иной мере приближающихся к идеаль­ным моделям перемешивания. Поскольку превращения в системе Г—Ж происходят при относительно низких тем-рах, то при футеровке реакторов кроме силикатных материалов широко приме­няются пластические массы и резины.

Рис 48. Типы реакторов для гетерогенных процессов между газами и жидкостями (Г-Ж): а – е – колонные реакторы; а, б – пленочные: а – с насадкой; б – трубчатый; в, г – барботажные: в – с ситчатыми тарелками, г – с колпочковыми тарелками; д, е – реакторы с разбрызгиванием жидкости: д – полый, е – циклонный; ж – реактор с распылением жидкости; з, и – пенные реакторы; Г – газ; Ж – жидкость.

22)Общий вид апп-тов для проц-ов с участием твердой и жидкой фаз. Многие хим. производства основаны на процессах с учас­тием твердых и жидких реагентов—адсорбция и десорбция твер­дыми поглотителями растворенных веществ, растворение и кристал­лизация из растворов, плавление и кристаллизация из расплавов, полимеризация жидких мономеров в твердые полимеры, дисперги­рование твердых тел в жидкости и многие другие. Адсорбцией на активированном угле, силикагеле, цеолитах и других адсорбентах извлекают металлы из растворов, очищают смазочные масла и другие нефтепродукты, осветляют технические растворы, выделяют йод из буровых вод. Большое значение как сор­бенты имеют ионообменные смолы, при помощи которых ведут умягчение воды, извлечение урана из растворов и пульп, очистку от примесей формалина, спиртов, сахаров, вин. Десорбцией получают уловленные вещ-ва в более концентрированном виде, одновременно регенерируя сорбент.

Растворение твердых вещ-в в жидкостях — один из наиболее распространенных приемов в хим. технологии. Ус­ловно растворение можно разграничить на физическое и химическое. В первом случае происходит лишь разрушение кристаллической ре­шетки, и растворенный компонент может быть снова выделен в твер­дом виде путем кристаллизации.Такой тип растворения применяют в производстве мин. солей.При хим. растворении при взаимодействии растворителя и растворенного вещ-ва природа его изменяется и кристаллизация вещ-ва в первоначальном виде невозможна. Характерным примером может служить растворение металлов в кислотах при травлении поверхности метал­лов, при получении медного купороса из медных отходов и серной кислоты. Особое значение в технологии имеет избирательное растворение твердых веществ — экстрагирование и выщелачива­ние, основанные на разной растворимости компонентов смеси в раз­личных растворителях. Процессы растворения, экстрагирования и выщелачивания на практике обычно сопровождаются кристаллиза­цией из растворов. Кристаллизация особенно широко применяется в производстве солей и минеральных удобрений, в металлургии. Растворение, выщелачивание, экстрагирование интенсифицируют увеличением межфазной поверхности F, равной поверх­ности твердого тела; для этого измельчают твердое вещ-во, увели­чивают его пористость и создают условия полного омывания твердой поверхности жидкостью.Активное перемешивание особенно ускоряет процессы в диффузионной области, так как увеличивается скорость диффузии и выравниваются концентрации в жидкой фазе. Эффектив­ным приемом интенсификации растворения и выщелачивания слу­жит повышение тем-ры, увеличивающее скорость, как массообменных стадий, так и хим. реакций. Реакторы для процессов Т — Ж (рис. 49).В них производят как физические операции (растворение, экстрагиро­вание, кристаллизацию), так и хим. процессы. Приемы разви­тия поверхности контакта фаз и их относительного перемещения за­висят от изменений, претерпеваемых твердой фазой. При изменении размеров и формы твердых частиц (растворение) широко применяют реакторы с перемешивающими устройствами. Другой прием ускоре­ния относительного перемещения фаз —это пропускание жидкости через фильтрующий или взвешенный слой твердого материала. Этот прием применяется и тогда, когда твердые частицы не изменяют фор­му и размер (ионообмен).

Реактор с фильтрующим слоем (рис. 49, а) представляет собой колонну, в которой укреплена горизонтальная или наклонная решет­ка, поддерживающая слой кусков или гранул твердого пористого материала (адсорбента, спека), через который пропускают жидкость. Реакторы с фильтрующим слоем работают при режиме, близком к идеальному вытеснению; они малоинтенсивны. Реакторы со взвален­ным слоем твердого вещества (рис. 49, б, в) работают непрерывно, при режиме, близком к полному смешению. При небольшой разности плотностей твердой и жидкой фаз и малых размерах твердых частиц можно применять реакторы с фонтанирующим слоем (рис. 49, в). В таких реакторах отсутствуют металлические полки (решетки), что позволяет применять агрессивные среды. Для растворения, выщела­чивания, экстрагирования, полимеризации широко применяют ап-ты с механическим и пневматическим (рис. 49, г, д), а также с другими приемами перемешивания, например с помощью шнека (рис 49, е) и струйного смешения (рис. 49, ж). Реакторы с перемешивающими устройствами (за исключением шнекового) работают при режиме, близком к полному смешению и поэтому изотермичны. Реакторы сме­шения типа 49, г, д применяются и для гомогенных жидкофазных взаимодействий (см. рис. 45), а также для взаимодействия несмешивающихся жидкостей (гетерогенная система Ж—Ж). Процесс кристал­лизации часто ведут в барабанных трубчатых реакторах (49, з), работающих при режиме, близком к идеальному вытеснению.

Реакторы для взаимодействия жидких и твердых реагентов вы­полняются из черных металлов, защищенных от коррозионного раз­рушения футеровкой, замазками, гуммировкой (покрытие резиной), эмалированием и др.

Рис. 49. Типы реакторов для процессов с участием жидких и твердых реагентов (Ж — Т):

а - с фильтрующим слоем твердого реагента; б, в — реакторы взвешенного слоя (б — с обычным взвешенным слоем, в — с фонтанирующим слоем); г—е — реакторы с перемешивающими устройствами (г — с механическими мешалками, д — с пневма­тическим перемешиванием, е — со шнеком); ж — струйно-циркуляцнонный смеситель; з- трубчатый (барабанный) реактор; Т — твердый реагент; Ж — жидкость.

23)Общий вид аппаратов для процессов с участием твердой и газовой фаз. Некаталитические процессы в системе Г—Т широко применяются в хим. промышленности. К ним относятся адсорбция и десорб­ция газов на твердых сорбентах, возгонка и конденсация паров твер­дых веществ, пиролиз твердого топлива, различные виды обжига твердых материалов. Наиболее характерны для системы Г—Т обжиг твердых материалов и адсорбционные процессы. Обжиг — это высокотемпературная обработка зернистых твер­дых материалов с целью получения твердых и газообразных продук­тов, а также для придания твердым материалам механической проч­ности (технология силикатов). При обжиге могут идти физико-хим. процессы — пиролиз, возгонка, диссоциация, кальцинация и др. — в сочетании с хим. реакциями в твер­дой фазе, между газообразными и твердыми реагентами, а также в газовой фазе. В процессе обжига происходит частичное расплавле­ние твердых веществ с образованием жидкой фазы, которая взаимо­действует с другими фазами. Одно из основных превращений при обжиге — это термическая диссоциация твердых веществ. Адсорбция — это процесс поглощения газов поверхностью твердых сорбентов. Адсорбция газов применяется для улавливания ценных летучих растворителей. Последующей десорбцией (отдувкой) адсорбированных растворителей производят их регенерацию (реку­перацию). Адсорбция применяется для очистки воздуха от токсич­ных газов и паров, для разделения сложных газовых смесей на ком­поненты и т. д. Основные типы реакторов для процессов в системе Г — Т показаны на рис. 50. Некоторые производст­венные высокотем-ные процессы проводятся в автоклавах, контактных аппаратах, котлах, выпарных ап-тах и т. п. Боль­шинство некаталитических процессов между твердыми и газообраз­ными вещ-ми основано на хим. реакциях и осущ-ся при высоких тем-рах.Хим. реакторы, применяемые для таких процессов, имеют общие характерные особенности и наз-ся печами- аппарат, в котором за счет горения топлива и других хим. превращений или применения электрической энергии вырабатывается теплота, исполь­зуемая для тепловой обработки различных вещ-в, которые при этом претерпевают ряд физических и хим. превращений.Законы теплопередачи аналогичны массопередаче. Общее уравне­ние теплопередачи в печах прямого нагрева, т. е. при непосредст­венном соприкосновении горячих газов с нагреваемым материалом, имеет вид Q=αF∆T, где Q – кол-во теплоты, переданной за единицу времени; α— коэффициент теплоотдачи; F — теплопередающая поверхность; ∆T — движущая сила процесса (средняя разность температур между тепло­носителем и нагреваемым объектом).

Рис. 50. Типы реакторов для процессов в системе Г - Т для по­литермического (а - д) и изотермического (е) режимов: а — Противоточный: загрузка и выгрузка твердых материалов систематически­ми порциями; 6 — противоточный с движущейся твердой фазой, идеального вытеснения; в — полочный с механической мешалкой. режим идеального вы­теснения; г — барабанный с вращающимся корпусом, идеального вытеснения по газу; д — с механическим перемешиванием (транспортом) слоя, идеальное вытеснение. перекрестный ток; е — со взвешенным слоем, режим полного смешения, перекрестный ток; а—д — политермические, е — изотермический. Типы печей: 1) шахтные (доменная, печи цветной металлургии); 2) полочные (механическая); 3) с распылением твердого материала; 4) взвешенного слоя; 5) барабанные вращающиеся; 6) туннельные и др. Наиболее распространенны шахтные, барабанные, ванные и эл-ие печи.