Управляющие параметры

Любой химико-технологический процесс состоит как минимум из 3 стадий:

1 стадия-Подвод реагентов к поверхности раздела фаз или в объём другой фазы.

2 стадия - Непосредственное химическое превращение.

3 стадия-Отвод продуктов от поверхности раздела фаз или объёма другой фазы.

Каждая из стадий протекает со своей скоростью, но определяющей является стадия, протекающая с наименьшей скоростью и все остальные стадии подстраиваются под самую медленную.

Стадия процесса, обладающего наименьшей скоростью называется лимитирующей стадией.

Если скорость первой или третье стадии меньше, чем скорость второй, то процесс протекает в диффузионной области и в качестве управляющих выступают макрокинетические параметры, к которым относят:

1.Линейная скорость подачи реагентов

2.Степень перемешивания реагентов

3.Размер единичных элементов, принимающих участие в процессе (размер газового пузыря, размер гранулы катализатора).

Все параметры можно разделить на 2 типа:

-Параметры оперативного управления. (Частота перемешивания, скорость вращения вала мешалки).

-Параметры стратегического управления. (Размер единичных элементов). Эти параметры подвергаются строгому расчёту.

Закон Фика: =U

Где U-скорость диффузии

Д-коэффициент диффузии

Za-концентрация компонента в первой степени

l-линейные размеры

В дифференциальной области U дифференциальная зависит от концентрации в первой степени.

Если скорость второй стадии меньше чем скорость в первой и третьей стадиях, то процесс протекает в кинетической области и управляющими являются микрокинетические параметры: температура, давление, концентрации участников процесса (продукты, реагенты, инерты).

Температура влияет на процесс в соответствии с уравнением Аррениуса:

Где минимальный избыток энергии, который необходимо сообщить реагирующей системе, чтобы произошёл элементарный акт химической реакции.

R-универсальная газовая постоянная.R=8, 31 Дж/моль*К

Т-температура в градусах Кельвина.

Ко-предэкспоненциальный множитель. (Максимальная возможная константа скорости химической реакции при условии, что Т→∞).

Влияние давления:

Важно только для газофазных процессов. (Газ↔жидкость, жидкость↔твёрдое, твердое↔твёрдое). Для всех разновидностей систем.

Влияние концентрации:

Рассмотрим реакцию aA+bB↔cC+dD-Реакция является собственно простой.

Где a,b-степень молекулярности по компоненту.

Концентраци я-это отношение количества конкретного вещества к общему количеству веществ.

Мольная доля -это отношение числа молей компонента к суммарному числу компонентов смеси.

Моль -количество вещества, содержащее такое число структурных единиц, содержащихся в 12 граммах С¹²(6,02*10²³ атомов).

Объёмная доля -это отношение объёма вещества к суммарному объёму всей смеси. Для систем жидкость↔жидкость и газофазных систем.

Массовая доля -это отношение массы компонента к суммарной массе смеси. Для процессов с участием твёрдой фазы.

Для газов объёмная и массовая доли равны.

Степень превращения (Хi)-отношение количества вещества, вступившего в реакцию к начальному количеству вещества.

В том случае, если исходные реагенты находятся в стехиометрическом соотношении степень превращения по реагентам совпадает.

В подавляющем большинстве случаев реагенты находятся в нестехиометрических соотношениях, поэтому практическую ценность имеет степень превращения вещества, находящегося в недостатке.

Выход продукта (fi)- это отношение производительности по рассматриваемому продукту к максимально возможной производительности по рассматриваемому веществу.

В принципе выход по продукту численно совпадает со степенью превращения ключевого компонента.

Пример:2SO₂+O₂→2SO₃

Xso₂-степень превращения SO₂

fso3-выход продукта SO₃

Расходный коэффициент -это количество исходного реагента, необходимого для производства единицы количества продукта.

Различают теоретический расходный коэффициент, которыйрассчитывается на основании стехиометрии уравнения реакции и практический расходный коэффициент, учитывающий чистоту сырья и степень превращения сырья.

Пример: Конверсия метана. Нет абсолютно чистых веществ. Всегда присутствуют примеси.

Пример: 2SO₂+O₂→2SO₃

Так как принимаем, что данные газы- идеальные, то тогда 1моль SO₂=22,4л.=1моль SO_3.

ТРК_SO2=1 моль SO₂/1 моль SO_3.

ТРК_SO2-теоретический расходный коэффициент.

ТРК_SO2=1 м³ SO₂/1 м³ SO_3.

ТРК_SO2=64*1 кг SO₂/80*1 кг SO₃=0.8*1 кг SO₂/1 кг SO_3.

Селективность ()-это величина, используемая в том случае, если в реакторе могут протекать одновременно 2 и более реакций.

Интегральная селективность -это отношение производительности по ключевому компоненту в целевой реакции, к суммарной производительности по ключевому компоненту по всем реакциям, протекающим в реакционном объёме.

Величина интегральной селективности может изменяться от 0 до 1.

Если интегральная селективность равна 1,то все побочные реакции заблокированы.

Если интегральная селективность равна 0,то не протекает целевая реакция.

Пример:1 4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O

11 4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O Система для процесса окисления аммиака в

производное -азотную кислоту.

Очевидно, что первая реакция является целевой, так как получается NO→NO₂→абсорбция с получением HNO_3.

Вторая реакция является побочной, так как аммиак расходуется на получение азота, используемого для синтеза аммиака.

Где селективность.

-производительность по аммиаку.

В производстве HNO₃ селективность по первой реакции является приемлемой, если =0,94.

Такая селективность достигается двумя путями:

1.Использование селективных катализаторов.

Существует два вида катализаторов:

-Стандартные (традиционные). Пример - платиновые сетки.

-Биогенные. Пример-ИК₄₂(активный компонент-железо).

2.За счёт изменения концентрации О₂(увеличение), но при этом при непрерывном увеличении концентрации О₂ пропорционально уменьшается концентрация NH₃,тоесть уменьшение производительности по NO первой реакции. Следовательно, необходимо искать оптимум между концентрацией O₂ и максимальной производительностью по NO.

Дифференциальная селективность (φ^′) -это отношение скорости целевой реакции к суммарной скорости всех реакций, протекающих в реакционном объёме.

Меняется от 0 до 1.

Производительность- это изменение количества вещества в единицу времени. (по любому участнику реакции).

Производительность по веществу - это разница между конечным и начальным количеством вещества.