Основные закономерности химико-технологического процесса. Основные технологические понятия и определения

1. Общая химическая технология

Доцент Щетинский
Андрей Валерьевич

2. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Степень превращения – это отношение количества
реагента, вступившего в реакцию, к его исходному
количеству.
Например, для простой необратимой реакции типа
A → R степень превращения выражается уравнением
XA
N A ,O N A
N A,O
где ХА - степень превращения реагента А;
NА,О; NА - количество исходного реагента А в начале
и конце процесса или текущее на данный момент.

3. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Степень превращения выражается в долях или %, в
последнем случае
XA
N A ,O N A
N A ,O
*100%
Из уравнения следует, что количество реагента в
конце процесса можно определить по выражению
N A N A, 0 (1 X A )

4. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Степень превращения для реакций без изменения
объема:
XA
C A,0 C A
C A,0
CA
1
C A,0
где СА,0, СА - концентрации исходного реагента А в
начале и конце процесса.
Текущая концентрация рассматриваемого реагента, в
этом случае, определяется по выражению
СА = СА0 (1 - Х А )

5. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Если реакция протекает с изменением объема,
например
2Н2 + О2 2Н2О
и С=f(ХА),
соответственно относительное изменение
объема системы выражаются уравнением
A
Где
VX A 1 VX A 0
VX A 0
VX A 1
VX A 0
1
А - относительное изменение объема системы,
VX A 1 ;VX A 0
- объем реакционной смеси при ХА=0; и ХА=1.

6. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Соответственно можно записать для объёма
V = V0 (1 + А X А )
и для концентрации
Ввиду того, что
N A N A,o (1 X A )
CA
V V0 (1 A X A )
NA
C A ,O
V0
1 X A
получаем C C
A
A ,O
1 A X A
и
XA
C A,O C A
C A,O C A A

7. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Степень превращения – для простой обратимой реакции
типа
A↔R
степень превращения выражается уравнением
X А*
N A,O N А*
N A, O
где Х*А – равновесная степень превращения
реагента А;
NА,О; N*А - количество исходного реагента А в начале
процесса и в состоянии равновесия.

8. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Выход продукта для неравновесных условий
NR
ФR *
NR
где N * и N - количество продукты R в состоянии
R
R
равновесия и в неравновесных условиях.
Используя выражения для количества продукта
выведенные из формулы для степени превращения:
N R N A, 0 N A и N R* N A,0 X A*
получаем:
N R N A, 0 N A X A
ФR *
*
*
NR
N A, 0 X A
XA

9. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Уравнения для выхода продукта справедливы
также
по
отношению
обратимым
реакциям,
к
простым
протекающим
необратимым
с
изменением
объема реакционной смеси. Например, для реакций:
необратимая – аА + bВ + … ↔ rR + sS + …
обратимая
– aA + bB + … ↔ rR + sS + …
и

10. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
И
пользуясь
символьными
уравнениями
для
выхода
продукта в простых необратимых и обратимых реакциях,
протекающим с изменением объема реакционной смеси
можно записать:
необратимая –
обратимая
–
r
( N A, 0 N A ) N N
NR
A
ФR
a
A, 0
XA
r
N R ,max
N A, 0
N A, 0
a
r
(N N A ) N N
N R a A, 0
XA
A, 0
A
ФR *
*
*
r
NR
N A, 0 X A
XA
N A, 0 X A*
a

11. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Селективность - избирательность
Селективностью называется отношение количества целевого продукта к
общему количеству получаемых продуктов.
Селективность характеризует процессы, в которых протекают сложные
параллельные и последовательные реакции с получением нескольких
продуктов.
R
A
SA
селективность будет выражаться
где YR - селективность
NR
Yr
NR NS

12. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Селективность - избирательность
Для рассматриваемой параллельно реакции
N R N S N A ,O N A
тогда
NR
Yr
N A,O N A

13. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Связь между степенью превращения (X), выходом
продукта (Ф) и селективностью (Y):
NR
R
N A ,O
умножим на
(
N A,O N A
N A,O N A
)
тогда с учетом уравнения для степени превращения и селективности получим
N A,O N A
NR
NR
R
*
X A * R
N A,O
N A,O
N A,O N A

14. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основные технологические понятия
и определения
Полученную зависимость
f ( x, )
можно записать в виде:
Ф=Х
– для простой необратимой реакции
Ф = Х/Х* – для простой обратимой реакции
Ф=Х
×
φ
Ф=Х/Х*
×
– для сложной необратимой реакции
φ – для сложной обратимой реакции
В производственных условиях с целью уменьшения расходных коэффициентов сырья стремятся
иметь возможность более высоких значений степени превращения (X), выхода продукта (Ф) и
селективности (Y).

15. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Периодические и непрерывные
процессы
Периодическим называется процесс, в котором порция
сырья едино-временно загружается в аппарат, проходит в
нем все стадии обработки (до заданной степени
превращения X), и затем выгружается все образующееся
вещество.
Свойства периодических процессов:
1. Технологическая переменная (Г), которая включает в себя температуру,
давление, концентрацию или другой характерный параметр, является
функцией времени, а не пространства, т.е. ее значение в каждой точке
пространства одинаково.
2. Цикличность. Как только достигнута желаемая степень обработки
материала, аппарат разгружается. Повторяемость циклов представляет
собой существенную и общую черту всех промышленных периодических
процессов и способов работы всех машин периодического действия.

16. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Периодические и непрерывные
процессы
Непрерывным называется такой технологический
процесс, в котором предмет труда (материал, вещество)
подводится к орудию труда (аппарат, машина, установка)
непрерывным потоком.
Свойства непрерывных процессов:
1. Технологическая переменная "Г" является функцией пространства. Г
2. Отсутствие цикличности. Процесс при соблюдении условия = 0 ,
является стационарным, т.е. установившимся во времени.

17. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основы составления балансов
Для анализа работы технологической схемы, отдельных аппаратов, при
проектировании новых производств, разработке и проектировании новых
аппаратов, для отыскания важнейших технологических показателей,
составляют материальный и тепловой балансы либо всего технологического
производства, либо той его части, которая непосредственно связана с
конструированием аппарата или определяемым показателем.
На основе знаний о закономерностях и ходе рассчитываемого химикотехнологического процесса с учетом известных для данного процесса
величин, составляется методика расчета, зависящая от:
• рода производства;
• способа переработки исходных материалов;
• качества сырьевых материалов;
• режима работы аппаратов;
• условий производства;
• и других факторов.
В основе всех химико-технологических процессов лежат законы сохранения!
(массы, энергии и импульса)

18. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основы составления балансов
Закон сохранения в покоящейся (закрытой) системе
Закон сохранения массы и энергии в покоящейся системе означает, что они
могут превращаться внутри системы (т.е. выступать в различных формах), но
совокупности их остаются неизменными.
Рассмотрим систему в которой не происходит химических превращений.
Допустим в системе имеется несколько компонентов "К" и только одна фаза
(φ = 1), то согласно закону сохранения массы, сумма масс всех компонентов должна
быть равна массе всей системы m, т.е.
m1 + m2 + mк = m
K
m
или
i 1
i
=m
В другом предельном случае система должна иметь несколько фаз (φ≠1) и
только один компонент (К=1).
Закон сохранения массы при этом выражается несколько иначе:
N f1 N f2 ...N
f
N
N
i 1
fi
N

19. 2. Основные закономерности химико-технологического процесса

Основы составления балансов
Закон сохранения в покоящейся (закрытой) системе
Закон сохранения массы и энергии в покоящейся системе означает, что они
могут превращаться внутри системы (т.е. выступать в различных формах), но
совокупности их остаются неизменными.
Рассмотрим систему в которой не происходит химических превращений.
Допустим в системе имеется несколько компонентов "К" и только одна фаза
(φ = 1), то согласно закону сохранения массы, сумма масс всех компонентов должна
быть равна массе всей системы m, т.е.
m1 + m2 + mк = m
K
m
или
i 1
i
=m
В другом предельном случае система должна иметь несколько фаз (φ≠1) и
только один компонент (К=1).
Закон сохранения массы при этом выражается несколько иначе:
N f1 N f2 ...N
f
N
N
i 1
fi
N