Способы ведения химических процессов
Любой химико-технологический процесс стремятся проводить в оптимальных условиях, которые позволяют получить максимальный выход целевого продукта с максимальной скоростью. Чем выше скорость процесса, тем больше исходных веществ можно переработать в продукты в аппарате в единицу времени. С повышением скорости процесса увеличивается производительность технологической схемы.
Изучение кинетики химических процессов позволило сделать важные для практики управления химико-технологическими процессами выводы о том, что для -повышения скорости реакции необходимо увеличивать начальные концентрации реагирующих веществ (или давлений для реакций в газовой фазе), повышать температуру реакции, применять катализатор, увеличивать поверхность контакта взаимодействующих фаз в гетерогенных процессах.
Перечисленные способы воздействия на скорость химической
221
реакции позволяют управлять химико-технологическими процесса
ми. В качестве управляющих воздействий используют такие пере
менные, которые в ходе технологического процесса можно изме
нять независимо от других переменных, с тем чтобы добиваться
увеличения скорости реакции. В зависимости от условий проведе
ния процесса управляющими переменными могут быть рабочие
концентрации взаимодействующих компонентов, температурный
режим процесса, активность катализатора в каталитических реак
циях, поверхность контакта взаимодействующих фаз в гетероген
ных реакциях. v
|
|
Управление рабочими концентрациями. В ходе химической реакции концентрации компонентов уменьшаются и скорость ее вследствие этого падает. Увеличения рабочих концентраций взаимодействующих компонентов на практике достигают путем увеличения исходных концентраций компонентов, отводом продуктов реакции из реакционного объема, а также дополнительным подводом реагентов в реактор непосредственно в ходе процесса.
Увеличение концентрации взаимодействующих компонентов в исходном сырье позволяет повысить начальные концентрации компонентов, т. е. скорость в начале реакции. Способ увеличения концентраций исходных реагентов зависит от агрегатного состояния материала. Увеличение полезного составляющего в твердом сырье называется обогащением, а в жидком или газообразном — концентрированием. Способы обогащения и концентрирования были рассмотрены ранее.
Отвод продуктов реакции из зоны взаимодействия увеличивает суммарную скорость реакции. Этот способ применяется главным образом в гомогенных процессах. Из газовой смеси конечный продукт удаляют конденсацией, абсорбцией или адсорбцией. Для этого во многих процессах применяют схемы с рециркуляцией, когда газовую смесь, состоящую из продуктов реакции и исходных компонентов, выводят из реакционного аппарата и после выделения готового продукта вновь возвращают в аппарат.
|
|
В гомогенных жидких смесях продукты реакции выделяются и отводятся с помощью кристаллизации, исларения или экстракции. Отвод продуктов реакции методом кристаллизации с последующим возвращением маточного раствора в процесс широко применяется в солевом производстве.
Для сокращения времени реакции и более полного использования сырья применяется также рециркуляция непрореагировавших исходных веществ или одного из реагентов (обычно наименее ре-акционноспособного). Рециркуляция дает возможность также несколько увеличить концентрацию этого реагента в процессе и повысить скорость реакции.
Подвод реагентов в разные точки объема реактора применяется, как правило, для регулирования скорости выделения теплоты вс время реакции. Многочисленный ввод осуществляется обычно для наиболее реакци©нноспособного соединения, которое может реагировать по разным схемам.
222
Управление температурным режимом. Наиболее простым вариантом является управление скоростью реакции с простым механизмом (20.1). Как видно из уравнений (20.5) и (20.6), скорость такой реакции с повышением температуры увеличивается. Тем не менее на практике нельзя неограниченно увеличивать температуру процесса для его интенсификации. Максимальное значение температуры ограничивается термостойкостью реагентов, а также термостойкостью конструкционных материалов, из которых изготовлены реакторы.
|
|
Увеличение скорости реакции с механизмом последовательного-превращения (20.3) также достигается повышением температуры» При этом увеличиваются константы скоростей первой и второй стадий взаимодействия, в результате чего возрастает суммарная скорость процесса.
При проведении параллельных реакций температуру не всегда выгодно увеличивать, так как это может привести к преобладанию скорости побочной реакции. В результате исходное вещество будет расходоваться при повышении температуры с более высокой скоростью, а выход целевого продукта реакции снизится. Поэтому в случае параллельных реакций температуру следует увеличивать только тогда, когда это приводит к преимущественному увеличению скорости основной реакции.
|
|
Согласно принципу Ле-Шателье, после наступления равновесия в обратимой экзотермической реакции для сдвига равновесия вправо температуру необходимо понизить. На это изменение реакционная система должна отреагировать выделением теплоты, т. е. увеличением скорости прямой реакции. Если же температуру повысить, то равновесие сдвинется влево и равновесный выход продуктов реакции снизится.
Для обратимой эндотермической реакции снижение температуры, наоборот, приводит к смещению равновесия влево и уменьшению выхода целевого продукта, а увеличение температуры — к сдвигу равновесия вправо.
Температурным режимом работы реактора можно управлять двумя способами — непрерывным и ступенчатым. При непрерывном управлении реактор должен иметь поверхность теплообмена, расположенную непосредственно в зоне реакции, чтобы обеспечить теплообмен на всем протяжении пути реагирующего потока. При ступенчатом теплообмене поверхность теплообмена размещается вне зоны реакции, в специальном теплообменнике. Этот теплообменник служит для дополнительного подогрева или охлаждения реакционной смеси до заданной температуры.
Метод управления температурным режимом следует рассматривать в связи с изменением рабочих концентраций компонентов. Действительно, количество поглощенной или выделенной за единицу времени теплоты зависит от скорости реакции. Поэтому изменение рабочих концентраций вызывает изменение температуры процесса, а регулирование температуры влияет на концентрацию. Поддержание активности катализатора. Основное действие ка-
223
тализаторов, ускоряющих химическое взаимодействие, направлено на снижение энергии активации Е [см. (20.6)] химического превращения. Взаимодействие катализатора с реакционной средой не ограничивается ускорением основной реакции. Влияние среды на катализатор состоит в снижении его активности. При этом различают старение катализатора и отравление катализатора. Отравлением катализатора называют уменьшение активности катализатора под воздействием примесей. Химические свойства катализатора при его отравлении изменяются, что приводит к необратимым изменениям. Старение катализаторов проявляется в уменьшении их активности вследствие изменения поверхности и структуры частиц. Старение и отравление катализаторов — основные недостатки каталитических процессов.
Для поддержания активности катализаторов осуществляются тщательная очистка поступающих веществ от продуктов, вызывающих отравление катализаторов, частичная смена катализатора для регенерации либо периодическая полная замена катал'изатор-иой массы.
Создание развитой поверхности контакта фаз. Этот способ имеет основное значение для гетерогенных процессов химического превращения, в которых скорость подвода и отвода массы и теплоты определяется величиной поверхности взаимодействующих фаз.
Для увеличения поверхности соприкосновения фаз во всех системах в первую очередь стремятся развить поверхность более тяжелой фазы: твердой в системах газ — твердая фаза, жидкость — твердая фаза и жидкой в системах газ — жидкость. В первых двух случаях измельченная твердая фаза подвергается механическому перемешиванию либо находится во взвешенном состоянии в потоке газа или жидкости. При этом скорость потока легкой фазы, движущейся снизу вверх, выбирают такой, чтобы частички твердой фазы как бы «кипели» в потоке, но не покидали пределов реакционного объема. В системах газ — жидкость применяют распыление жидкости, создание тонкой пленки жидкости либо барботаж газа через слой жидкости.
Вопросы для повторения. 1. Из каких стадий состоит технологический процесс? 2. Что такое технологический режим? 3. Как классифицируются химические реакции? 4. Что такое стехиометрическое уравнение? 5. Чем отличаются последовательные и параллельные механизмы химического превращения? 6. Чем характеризуется состояние равновесия в обратимых реакциях? 7. Как формулируется принцип Ле-Шателье и в чем его сущность? 8. Как классифицируются реакции с тепловым эффектом? 9. Что такое катализатор и каково его воздействие на процесс химического взаимодействия? 10. Чем характеризуется скорость химической реакции? От чего она зависит? 11. Что такое уравнение кинетики химической реакции? Какие параметры в него входят? 12. Какие способы применяются для управления скоростью химического взаимодействия?
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 396; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!