Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ќсновные показатели химико-технологического процесса




—тепень совершенства технологического режима количественно оценивают с помощью показателей ’“ѕ.   основным показател€м относ€т: степень превращени€ исходных реагентов, выход продукта, избирательность (селективность) процесса, расходные коэффициенты.

—тепень превращени€.

—овершенство процесса с позиции полного использовани€ сырь€ оценивают с помощью степени превращени€ (конверсии). —тепень превращени€ Ц это отношение количества (массы, объема) одного из реагентов, вступившего в реакцию, к начальному количеству (маасе, объеме) этого реагента. Ќапример, дл€ реакции

ај + b¬ =dD

степень превращени€ ’ рассчитывают по соотношени€м:

ј =(mј,0 - mј)/ mј,0 =(nј,0 - nј) / nј,0 = (vј,0 Ц vј) / vј,0 (1.3.1)

¬ =(m¬,0 Ц m¬)/ m¬,0 =(n¬,0 Ц n¬) / n¬,0 = (v¬,0 Ц v¬) / v¬,0

здесь mј,0, m¬,0, nј,0, n¬,0, vј,0, v¬,0 Ц масса, число молей и объем реагентов ј и ¬ в начале процесса, mј, m¬, nј, n¬, vј, v¬ Ц то же в конце процесса.

≈сли реагенты ј и ¬ вз€ты в стехиометрическом соотношении, то ’ј =’¬. —тепень превращени€ реагента, вз€того с избытком от стехиометрического соотношени€, всегда ниже, чем дл€ реагента, поступающего в недостатке. ≈сли α¬ Ц коэффициент избытка ¬ по отношению к стехиометрии, то

ј = ᬬ (1.3.2)

≈сли реакци€ протекает без изменени€ объема, то концентраци€ (—, моль/м3) реагента или его объемна€ дол€ (ω, %) в начале и конце процесса равны:

ј,0 = nј,0/v —ј, = nј,/v; ωј,0 = (vј,0 / v) *100 ωј = (vј / v) *100 (1.3.3)

ƒл€ реакций, протекающих с изменением объема

ј =(—ј,0 Ц—ј) /(—ј,0 Цεјј) (1.3.4)

здесь εј Ц относительное изменение объема реакционной смеси при полном превращении реагента ј.

ƒл€ процессов межфазной массопередачи (испарение, конденсаци€, абсорбци€, десорбци€) степень превращени€ называют степенью межфазного перехода, например степенью абсорбции, степенью десорбции, степенью конверсии и т.д.

¬ыход продукта.

ƒл€ сложных (параллельных, последовательных) реакций нар€ду со степенью превращени€ исходных веществ используют пон€тие Ђвыход продуктовї.

¬ыход продукта ‘ Ц это отношение фактически полученного продукта n (или m) к его максимальному количеству nмакс (или mмакс), рассчитанному по стехиометрическому уравнению при степени превращени€ исходных реагентов, равной 1:

= n/ nмакс = m/ mмакс (1.3.5)

≈сли в реакции участвуют два или более веществ, например, ј +¬ →D, то различают выход целевого продукта D по исходному веществу ј (‘ D(ј)) и по веществу ¬ (‘ D(¬)). ≈сли ј и ¬ содержатс€ в исходной смеси не в стехиометрическом соотношении, то ‘ D(ј) ≠ ‘ D(¬)

ƒл€ простых реакций (т.е. в отсутствии параллельных и последовательных превращений) выход продукта численно равен степени превращени€ исходных веществ.

ƒл€ простых необратимых реакций максимальный фактический выход ‘‘.макс равен 1. ƒл€ обратимых реакций исходное вещество превращаетс€ в продукт не полностью, и если в формулу (3.5) вместо n подставить количество продукта, полученное в услови€х равновеси€ n*, то ‘‘.макс< 1. Ётот выход называетс€ равновесным ‘*

‘.макс = n*/ nмакс =‘*. (1.3.6)

ƒл€ характеристики степени приближени€ обратимого процесса к равновесию на практике используют так называемый выход от теоретического или равновесного выхода, который равен отношению количества фактически полученного продукта n к количеству его, которое получилось бы, если бы процесс пришел в состо€ние равновеси€ n*:

= n /n* = ‘/‘* (1.3.7)

¬ыход продукта выражают в дол€х единицы или в процентах. Ётот показатель во многом отражает степень совершенства технологического процесса, затраты сырь€ на единицу продукта и экономические показатели производства.

—корость ’“ѕ.

„тобы определить врем€, необходимое дл€ достижени€ заданного выхода продукта или заданной степени превращени€ исходного реагента, требуетс€ знать скорость ’“ѕ. ќна определ€ет интенсивность протекани€ процессов.

—корость химико-технологического процесса выражают изменением количества какого-либо компонента, прореагировавшего или образовавшегос€ в результате химической реакции в единицу времени в единице реакционного объема v (дл€ гомогенных ’“ѕ) или на единице поверхности S раздела фаз (дл€ гетерогенных ’“ѕ).

≈сли при протекании процесса не происходит обмен веществом с окружающей средой, средн€€ скорость расходовани€ исходного вещества или образовани€ продукта за интервал времени Δτ = τ2 Ц τ1 в общем случае равна:

Ū =(n2 Цn1) / [ύ (τ2 Ц τ1)] = Δn /(ύ* Δτ) (1.3.8)

здесь n1, n2 Цчисло молей вещества в моменты времени τ1 и τ2 соответственно;

ύ Цсредний объем реагирующей смеси.

—редн€€ скорость равна интенсивности протекани€ процесса.

ѕри Δτ=0 получают мгновенную или истинную скорость, соответствующую конкретному моменту времени. ћгновенна€ скорость ’“ѕ выражаетс€ соотношением:

U =lim Δn/v* Δτ =±(1/ v) (dn/ dτ) (1.3.9)

ѕользоватьс€ этим уравнением можно при соблюдении двух условий: а) реакционный объем остаетс€ посто€нным; б) объем можно считать закрытым.

«акрытым, или замкнутым, объемом считают такие услови€, когда реагирующа€ система не обмениваетс€ веществом с окружающей средой.

≈сли скорость определ€ют по образующемус€ продукту реакции, то выражение (3.9) используют со знаком плюс, если по исходному веществу - со знаком минус. —ледует помнить, что скорость ’“ѕ всегда положительна.

Ќа практике часто пользуютс€ более простым уравнением, пригодным дл€ ’“ѕ, протекающих при посто€нном объеме. ”читыва€, что

nί /v =—ί, т.е. равно концентрации вещества, при посто€нном объемен имеем:

U = ±d —ί / dτ (1.3.10)

ƒл€ процессов с газообразными веществами скорость удобно выражать через изменение парциальных давлений –ί реагирующих компонентов смеси:

U' = ±d –ί,/ dτ (1.3.11)

»ногда скорость выражают через изменение степени превращени€:

U" = ±d ’ί,/ dτ (1.3.12)

ƒл€ гетерогенных ’“ѕ, когда реакци€ протекает на границе раздела фаз, скорость часто относ€т к единице межфазной поверхности S:

U = ± (1/S)(dnί,/ dτ) (1.3.13)

ƒл€ гетерогенно-каталитических процессов скорость реакции удобно выражать в расчете на единицу массы mк катализатора:

U = ± (1/mк)(dnί,/ dτ) (1.3.14)

—корость ’“ѕ в общем случае зависит от скоростей физических и химических процессов, которые в свою очередь определ€ютс€ гидродинамическими параметрами движени€ реагентов, услови€ми перемешивани€, диффузии, концентраци€ми, давлением, температурой и другими факторами, оказывающими вли€ние на массо- и теплоперенос.

¬ самом общем виде формула дл€ расчета скорости процесса может быть представлена в виде:

U = d—/dτ =   *Δ— (1.3.15)

«десь   Ц коэффициент скорости процесса; Δ— Ц движуща€ сила процесса.

 оэффициент скорости процесса зависит от области протекани€ процесса и €вл€етс€ функцией констант скоростей пр€мой (k1), обратной (k2) и побочных (kn1, kn2) реакций, коэффициентов диффузии исходных реагентов к поверхности раздела фаз (D1, D2Е) и продуктов реакций от поверхности раздела ((D'1, D'2Е):

  =f (k1, k2,, kn1, kn2,Е.. D1, D2Е D'1, D'2Е) (1.3.16)

ќбычно зна€ область протекани€ процесса, технологи выбирают основные параметры, наиболее сильно вли€ющие на скорость процесса. ¬ этом случае выражение дл€ расчета коэффициента скорости процесса упрощаетс€. “ак, дл€ гомогенных процессов или гетерогенных, протекающих в кинетической области,   зависит лишь от констант скоростей основной и побочных реакций:

  =f (k1, k2,, kn1, kn2 Е.) (1.3.17)

ƒл€ гетерогенных процессов, протекающих в диффузионной области, определ€ющее вли€ние на скорость оказывают коэффициенты диффузии газа или жидкости внутри более плотной фазы (например, в порах твердого вещества):

  =f (D1, D2Е D'1, D'2Е) (1.3.18)

ƒвижуща€ сила процесса в общем случае €вл€етс€ сложной функцией текущих (—1, —2..) и равновесных (—*1, —*2Е) концентраций реагирующих веществ, константы равновеси€  р и других параметров. ¬ид функции зависит от типа реакции, области протекани€ процесса. ¬ простейшем случае протекани€ необратимой реакции первого пор€дка ј →¬ в кинетической области

Δ— =—ј (1.3.20)

”равнение (3.15) в этом случае принимает вид:

U = =   *Δ— = k1ј (1.3.21)

»збирательность.

»збирательность (селективность) Ц важнейша€ характеристика процессов, в которых нар€ду с основной реакцией образовани€ целевого продукта протекают побочные параллельные или последовательные реакции с образованием нежелательных или менее ценных продуктов. –азличают конечную суммарную (интегральную) избирательность и мгновенную (дифференциальную).

—уммарна€ избирательность φ¬,сумм определ€етс€ как отношение количества исходного вещества, превратившегос€ в целевой продукт, к общему количеству прореагировавшего исходного вещества. Ќапример, дл€ параллельных реакций ај →b¬ и ај →dD, целевым продуктом которых €вл€етс€ вещество ¬, суммарна€ избирательность φ¬,сумм выражаетс€ в виде:

φ¬,сумм = (а/b)n¬ /(nј,0 Ц nј) =(а/b)n¬ / (а/b) n¬ +(а/d) nD) (1.3.22)

—в€зь между степенью превращени€ ’ј, выходом продукта ‘¬(ј) и суммарной избирательностью φ¬,сумм определ€етс€ из выражени€ (3.22) и соотношений (3.23) и (3.24):

ј= (nј,0 Ц nј)/ nј,0 (1.3.23)

¬(ј) =(а/b) n¬/ nј,0 (1.3.24)

ј φ¬,сумм = ‘¬(ј) (1.3.25)

ћгновенна€ избирательность измер€етс€ отношением скорости образовани€ целевого продукта к скорости потреблени€ исходного реагента на образование всех продуктов реакции. »ными словами, мгновенна€ избирательность равна отношению скорости основной реакции к общей скорости процесса, выраженной через количества исходного реагента:

φ¬,мгн = U¬ / Uј (1.3.26)

φ¬,м√н имеет смысл мгновенного выхода целевого продукта. —уммарна€ избирательность равна сумме всех мгновенных выходов. »ногда мгновенна€ избирательность оценивают отношением скоростей образовани€ целевого и побочного продуктов:

φ'¬,мгн = U¬ / UD (1.3.27)

–асходные коэффициенты.

–асходные коэффициенты (– ) характеризуют затраты сырь€ на производство.

–асходный коэффициент Ц это отношение количества сырь€, затраченного при проведении ’“ѕ, к количеству полученного целевого продукта. –азличают теоретические и практические расходные коэффициенты. “еоретический расходный коэффициент рассчитывают по стехиометрическому уравнению основной реакции с учетом содержани€ исходного реагента в сырье. Ќапример, дл€ реакции ај →b¬ теоретический расходный коэффициент ηт дл€ получени€ продукта ¬ определ€етс€ по соотношению:

ηт =аћј /(bћ¬ ωј,с) (1.3.28)

здесь ћј и ћ¬ Ц молекул€рные массы реагента ј и продукта ¬; ωј,с Ц массова€ дол€ компонента ј в сырье, %.

ѕри расчете практических расходных коэффициентов учитывают степень превращени€ исходного реагента ’ј, выход продукта ‘¬(ј),избирательность φ¬,сумм:

ηп = ηт /(’ј φ¬,сумм) = ηт/ ‘¬(ј) (1.3.29)

ѕрактический расходный коэффициент всегда выше теоретического. «адача технологов Ц уменьшить отношение ηп/ ηт без увеличени€ себестоимости продукта. ј это достигаетс€ путем повышени€ степени превращени€, избирательности и как следствие Ц выхода продукта.

1.3.4 ћатериальный баланс.

ќсновой технологических расчетов €вл€ютс€ расчеты материальных потоков при протекании ’“ѕ. «нание материальных потоков необходимо дл€ проведени€ конструктивных расчетов производственного оборудовани€ и коммуникаций, оценки экономической эффективности процесса. —амым распространенным видом материальных расчетов €вл€етс€ составление материальных балансов. ћатериальные балансы составл€ют на основе закона сохранени€ массы вещества с учетом стехиометрических соотношений. ћатериальный баланс означает, что обща€ масса (∑miвх) всех вход€щих в аппарат (или цех) материалов (приход) равна общей массе (∑mjвых) выход€щих веществ (расход):

р р

(∑miвх) =(∑mjвых) (1.3.30)

i =1 j =1

„исло реагентов может измен€тьс€ от 1 до р. –асчет обычно выполн€ют в единицах массы (кг, т), реже Ц в единицах количества вещества (кмоль, моль).

Ќа производстве обычно составл€ют материальные балансы дл€ реактора, цеха, завода.

–азличают балансы на единицу времени и на единицу продукции.

ћатериальный баланс на единицу времени составл€ют чаще всего дл€ непрерывных процессов с целью расчета размеров аппаратов. ƒиаметра трубопроводов, а также дл€ определени€ входных и выходных значений концентраций реагирующих веществ. ћатериальный баланс на единицу продукции составл€ют как дл€ непрерывных, так и дл€ периодических процессов с целью определени€ теоретических и практических расходных коэффициентов.

—в€зь между балансами на единицу времени и единицу продукции определ€етс€ производительностью.

ћатериальные балансы отделени€, цеха, производства, завода рассчитывают дл€ определени€ габаритов складских помещений, дл€ сырь€ и готовой продукции, расчета трубопроводов и промежуточных емкостей. ќдновременно балансы могут быть использованы дл€ сравнени€ эффективности работы аппаратов, отделений, цехов одинаковой мощности на различных заводах.

ћатериальный баланс чаще всего представл€ют в виде таблиц, которые включают приходную и расходную части.

 

1.3.5 “епловой баланс.

ѕо данным материального баланса с учетом тепловых эффектов реакций и физических превращений, подвода теплоты извне или отвода ее составл€ют тепловой баланс, позвол€ющий определить потребность в топливе, температуру в зоне реакции, площадь теплообменных поверхностей и другие параметры.

ќсновой теплового баланса €вл€етс€ закон сохранени€ энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии посто€нна. ƒл€ расчета затрат энергии на производство может быть составлен энергетический баланс, учитывающий расход электроэнергии, пара и воды на получение продукта. ¬ общем случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Qвх + Q'ф + Q'р + Qнагр = Qвых + Q"ф + Q"р + Qохл (1.3.31)

здесь Qвх и Qвых Цсоответственно количество теплоты, вносимое в аппарат и выносимое из него жидкими или газообразными веществами; Q'ф и Q"ф Ц теплота физических процессов, происход€щих с выделением (') и поглощением (") теплоты; Q'р и Q"р Ц теплота экзотермических (') и эндотермических (") химических реакций; Qнагр и Qохл Цсоответственно количество теплоты, подводимое в аппарат извне дл€ нагрева реакционной смеси отводимое через холодильники дл€ поддержани€ заданного температурного режима.

Ќа производстве тепловой баланс чаще всего составл€ют дл€ аппарата с целью определени€ технологических параметров процесса и условий дл€ обеспечени€ заданного температурного режима.

¬еличины Qвх и Qвых рассчитываютс€ по уравнени€м:

рвх

Qвх = ∑miсitвх,i (1.3.32)

i =1

рвых

Qвых = ∑mjj, tвых,j (1.3.33)

j =1

здесь mi, mj Цмасса (объем, количество) исходных реагентов и продуктов реакции, прошедших через аппарат в единицу времени укг/с (м3/с, кмоль/с); сi, сj Ц средн€€ удельна€ теплоемкость компонентов, кƒж/(кг* ); tвх,I, tвых,j Ц температура входного и выходного потоков,  ; рвх, рвых Ц число компонентов, участвующих в процессе.

“еплоты фазовых переходов реагентов в ходе процесса Q'ф и Q"ф, которые в зависимости от знака теплового эффекта фазового перехода учитываютс€ в приходной (кристаллизаци€, сублимаци€, конденсаци€) или расходной (испарение, плавление) част€х баланса, рассчитывают по уравнению:

n

Qф == ∑mфiqфi (1.3.34)

i=1

здесь mфi Ц масса (объем, количество) i-реагента, участвующего в фазовом переходе, кг/с (м3/с, кмоль/с); qфi Ц тепловой эффект фазового перехода i-компонента, кƒж/кг.

“еплоту реакции определ€ют по уравнению:

n

Qр = ∑mрiqрi (1.3.35)

i=1

 

здесь mрi Ц масса (объем, количество) i-реагента, вступившего в реакцию или образовавшегос€ в ходе реакции, кг/с (м3/с, кмоль/с); qрi Ц тепловой эффект реакции, кƒж/кг.

–асчет Qнагр и Qохл ведут по основному уравнению теплопередачи, согласно которому количество переданной теплоты Q равно:

Q = FΔ“ (1.3.36)

здесь   Ц коэффициент теплопередачи, в“/(м2* ); F Ц площадь поверхности теплообмена, м2; Δ“ Ц разность температур теплоносител€ и реакционной зоны (движуща€ сила процесса теплопередачи.).

»з уравнени€ теплового баланса можно рассчитать любой из параметров при известных остальных. “ехнолога чаще всего интересует “вх, “к, F.

“епловой баланс представл€ют в виде таблиц, имеющих приходные и расходные статьи тепловых потоков.

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-05-08; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 3053 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ќачинайте делать все, что вы можете сделать Ц и даже то, о чем можете хот€ бы мечтать. ¬ смелости гений, сила и маги€. © »оганн ¬ольфганг √ете
==> читать все изречени€...

514 - | 498 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.044 с.