отношение количества реагента вступившего в реакцию к его исходному количеству это
Отношение количества реагента вступившего в реакцию к его исходному количеству это
Для оценки эффективности отдельных этапов, кроме экономических показателей, необходима оценка физико-химической сущности процессов, протекающих в отдельных аппаратах технологической схемы. В качестве таких показателей выступают:
Выход продукта, степень превращения сырья и селективность характеризуют глубину протекания химико-технологического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта.
Выход продукта ФR определяется как отношение массы полученного продукта R к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено в условиях ведения химической реакции. Если в основе процесса лежит химическая реакция, описываемая известным стехиометрическим уравнением, то для необратимых реакций
аА + вВ 
где R – целевой продукт, выход определяется как отношение массы (или количества вещества), полученной на практике тпр, к массе, теоретически возможной по стехиометрическому уравнению ттеор:
Выход для обратимой реакции определяется как отношение практически полученной массы продукта тпр. к максимально возможной массе его, которая может быть получена в данных условиях производства и рассчитана через константу равновесия травн.
Степень превращения реагента показывает, как полно в химико-технологическом процессе используется исходное сырье. Степень превращения может быть рассчитана по любому из реагентов.
Выход продукта и степень превращения сырья выражаются в долях единицы или процентах.
Когда в условиях ведения технологического процесса возможно протекание параллельных, последовательных реакций, то для оценки эффективности реакции образования целевого продукта рассчитывают селективность. Селективностью называется отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов, полученных в данном процессе, или к массе превращенного сырья за время τ. Селективность характеризует преобладание одного из направлений процесса, если превращение сырья приводит к образованию нескольких конечных продуктов. Селективность показывает, как эффективно расходуется сырье в химико-технологическом процессе.
Отношение количества реагента вступившего в реакцию к его исходному количеству это
Признак
В условии задачи встречается слово «выход». Теоретический выход продукта всегда выше практического.
Понятия «теоретическая масса или объём, практическая масса или объём» могут быть использованы только для веществ-продуктов.
Доля выхода продукта обозначается буквой
(эта), измеряется в процентах или долях.
Также для расчётов может использоваться количественный выход:
I. Первый тип задач
Известны масса (объём) исходного вещества и масса (объём) продукта реакции. Необходимо определить выход продукта реакции в %.
Задача 1. При взаимодействии магния массой 1,2 г с раствором серной кислоты получили соль массой 5, 5 г. Определите выход продукта реакции (%).
| 1. Записываем краткое условие задачи | |||||||||||||||||||||||||
| 3. Находим по ПСХЭ молярные массы подчёркнутых веществ | ν(Mg) = 1,2 г / 24(г/моль) = 0,05 моль | ||||||||||||||||||||||||
| 5. По УХР вычисляем теоретическое количество вещества (νтеор) и теоретическую массу (mтеор) продукта реакции |
| 1. Записываем краткое условие задачи | ||||||||||||||||||||
| 2. Находим по ПСХЭ молярные массы веществ, если это необходимо | M (Na2CO3) =2·23 + 12 + 3·16 = 106 г/моль | |||||||||||||||||||
| 5. Находим количество вещества реагента по УХР |
| Приход | Количество кг/ч | Расход | Количество кг/ч |
| Колчедан Влага с колчеданом Воздух сухой Влага с воздухом | 18020 560 70250 510 | Огарок Обжиговый газ: SO 2 SO 3 О2 N 2 Н2О | 13560 13780 940 6360 53700 1060 |
| В с е г о | 89400 | 89400 |
Для расчета этих величин необходимо знать стехиометрическое уравнение, описывающее реакцию, производительность установки, состав перерабатываемых продуктов, полноту использования исходного сырья.
Тепловой баланс.
По данным материального баланса с учетом тепловых эффектов реакций и физических превращений, подвода теплоты извне или отвода ее составляют тепловой баланс, который позволяет определить потребность в топливе, температуру в зоне реакции, площадь теплообменных поверхностей и расход энергоносителей.
Общий вид теплового баланса:
Q вх – количество теплоты, вносимое в аппарат,
Q вых – количество теплоты, выносимое из него жидкими или газообразными веществами,
Q’ф и Q»ф – тепловой эффект физических процессов, происходящих с выделением (‘) и поглощением («) теплоты,
Q’р и Q»р – теплота экзотермических (‘) и эндотермических («) химических реакций,
Qнагр.- кол-во теплоты, подводимое в аппарат извне для нагрева реакционной смеси,
Q охл – кол-во теплоты, отводимое через холодильники для поддержания заданного температурного режима.
На практике чаще всего тепловой баланс составляют для аппаратов для определения технологических параметров и условий для обеспечения заданного температурного режима.
Величины Q вх и Q вых рассчитывают по уравнениям:
Рвх _
Рвых _
где: mi – масса (объем, количество) исходных реагентов и продуктов реакции, прошедших через аппарат в единицу времени кг/с (м3/с, кмоль/с);
С i – средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж/(кг·К) [кДж/(м 3 ·К), кДж/(кмоль·К);
t вх, i ; t вых, i – температура входного и выходного потоков, 0 К;
Теплоты фазовых переходов реагентов в ходе процесса Q’ф и Q»ф, которые в зависимости от знака теплового эффекта фазового перехода учитываютс в приходной (кристаллизация, сублимация, конденсация) или расходной (испарение, плавление) частях баланса, рассчитывают по уравнению:
Теплоту реакций определяют по уравнению:
К τ- коэффициент теплопередачи, Вт/м 2 ·К);
F – площадь поверхности теплообмена, м 2 ;
ΔT – разность температур теплоносителя и реакционной зоны (движущая сила процесса теплопередачи).
Дата добавления: 2019-11-25 ; просмотров: 719 ; Мы поможем в написании вашей работы!
1. Основные понятия и показатели химической технологии
В широком смысле слова технология – это наука о наиболее экономичных методах и средствах массовой переработки природных материалов в продукты потребления и средства производства.
По способам переработки технология делится на
-механическую (изменяются форма и физические свойства исходных материалов)
-химическую (изменяется строение исходных материалов)
Химическая технология – это естественная наука о способах и принципах производства продукции, осуществляемых с участием химических превращений.
Объектом исследования химической технологии является химическое производство, цель исследования – создание рациональных способов производства необходимых человеку продуктов, методы исследования – экспериментальный, моделирование и системный анализ.
химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт.
Химико-технологический процесспредставляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья
1 – подготовка сырья;
2 – химические превращения;
3 – выделение целевого продукта
Технологическим режимом называется совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов.
Параметром технологического режима называется величина, характеризующая какое-либо устройство или режим работы аппарата.
Основные параметры: температуры, давления, концентрация реагентов, интенсивность катализатора и другие
Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров, позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость
Классификация показателей: 1. технологические, 2. экономические 3. эксплуатационные.
Технологические показатели. Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в ед времени
Где П – производительность, В – кол-во продукта, 
Интенсивностью процесса (И) – называется производительность аппарата, отнесённая к характерному размеру рабочей части аппарата. Обычно за хар-рный размер принимают реакционный объем (V) или площади сечения (S) аппарата:
Расходный коэф (РК) – расход сырья, воды, энергии и различных реагентов на производство единицы целевого продукта:
Выход продукта – это отношение количества полученного целевого продукта к теоретически возможному.
Степень превращения – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству.
Селективностью называется отношение продукта к общему количеству получаемых продуктов.
Удельные капитальные затраты – более наглядный показатель, чем капитальные затраты, они получаются от деления общей стоимости установки (цеха) на ее годовую мощность
Эмпирическое уравнение для выражения зависимости удельных капитальных затрат от единичной мощности установки, т.е. одного производственного агрегата
Себестоимостью продукции называется денежное выражение суммы затрат данного предприятия на изготовление и сбыт продукции. Затраты предприятия, непосредственно связанные с производством продукции называются фабрично-заводской себестоимостью, которая слагается из следующих статей:
Сырье, полуфабрикаты и основные материалы, непосредственно участвующие в химических реакция производства
Топливо и энергия на технологические цели
Заработная плата основных производственных рабочих
Амортизация – отчисления на возмещение износа основных производственных фондов, зданий, сооружений, оборудования и др.
Цеховые расходы, включающие затраты на содержание и текущий ремонт основных производственных фондов, а также затраты на содержание административно-управленческого персонала цеха, охрану труда и технику безопасности
Производительность труда. Это количество продукции, вырабатываемой рабочим в единицу времени, или количество рабочего времени, затрачиваемого на выработку единицы продукции. С увеличением единичной мощности установки вдвое производительность труда для многих химических производств возрастает на 60-80%.
Качеством продукции называется совокупность технических, эксплуатационных, экономических и других свойств, обусловливающих ее пригодность для удовлетворения личных или производственных потребностей в соответствии с ее назначением.
Надежность производства – способность производства выпускать продукцию заданного количества и качества при наличии отказа в работе оборудования.
Степень автоматизации и механизации – доля ручного труда в эксплуатации производства.
Безопасность определяется вероятностью нарушений функционирования оборудования или производства в целом, приводящей к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, окр среде и населению.
Экологическая чистота производства
—создание малоотходных, безотходных производств, основанных на принципах комплексной переработки сырья
— применение замкнутых систем водоснабжения без сброса или с минимальным сбросом экологически очищенных сточных вод в водоем
-экологическое воздействие производства на природную среду не должно превышать самоочищающуюся способность экосистемы в этом районе.
Материальные и энергетические балансы.
Материальный баланс — это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому: масса веществ поступивших на технологическую операцию (приход) равна массе веществ, полученных в этой операции (расход).
В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделяющейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу
Q2 — теплосодержание веществ, участвующих в процессе,
Классификация по конструктивным характеристикам.
По этому признаку классификации можно выделить такие типы реакторов:
— емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т.п.),
— колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; полочные реакторы и др.),
— реакторы типа теплообменника,
— реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т.п.).
Теория химических реакторов занимается разработкой методов расчета реакторов с получением данных, необходимых для их проектирования.
При выборе конструкции и определении размеров любого реактора необходимо принимать во внимание различные факторы и прежде всего располагать данными о скорости протекающих химических реакций и скорости массо- и тепло-передачи.
Обычно задаются производительность реактора и степень превращения, а концентрация реагентов, температурный режим и другие показатели технологического процесса рассчитываются на основе опытных и теоретических данных.
Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического реактора, является интенсивность протекающих в нем процессов.
Интенсивность тем выше, чем меньше время, затрачиваемое по получение единицы продукта. Поэтому главной задачей при изучении химических процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от различных факторов. Эту зависимость можно выразить в виде уравнения:
t — время пребывания реагентов в реакторе,
Уравнение, связывающее четыре указанных параметра, является математическим описанием модели реактора. Его называют уравнением реактора или характеристическим уравнением реактора.
Важным критерием эффективности работы реактора является:
Производительность измеряется в кг/ч, т/сут, м 3 /сут, т/год.
Максимально возможная производительность называется мощностью.
Интенсивность измеряется в кг/(час×м 3 ), т/(сут×м 2 ).
Для простой необратимой реакции типа A ® R степени превращения выражается уравнением:
где ХА — степень превращения реагента А,


Степень превращения выражается в долях единицы или в процентах.
Из уравнения (1) следует:
Если реакция протекает без изменения объема, то:
где 

Из уравнения (3) следует:
Для обратимых реакций важным понятием является равновесная степень превращения. Для реакции A 
где 
Еще один критерий эффективности:
Для необратимой реакции A ® R имеем:
Выход продукта характеризует полученный результат как долю от предельно возможного. Чтобы оценить реальную ситуацию, дать количественную оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями определяют:


Можно показать, что выход продукта равен:
В производственных условиях с целью уменьшения расходования сырья стремятся иметь возможно более высокие значения степени превращения, селективности и выхода продукта.
Скорость химической реакции определяется количеством прореагировавшего исходного вещества или количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема системы.
Например, скорость реакции A ® R выражается уравнением:
В уравнении (9) изменение числа молей прореагировавшего исходного реагента А отнесено к единице объема системы. Это изменение можно отнести к различным величинам:
Если объем системы не изменяется в течении реакции, то из уравнения (9) следует:
Скорость реакции зависит от концентрации реагирующих веществ и температуры.
Скорость реакции A ® R можно выразить в виде:
Подставив в уравнение (14) значение СА из уравнения (4) находим для реакции первого порядка:
Для реакции второго порядка 2A ® R имеем:
или после подстановки значения СА из уравнения (4) находим:
Уравнение материального баланса реактора
Основанием для получения уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси.
Составим такой баланс по исходному реагенту А при проведении простой необратимой реакции A ® R.
В общем виде уравнение материального баланса запишется следующим образом (на основе закона сохранения):
Учитывая, что поступивший в реактор реагент А расходуется в трех направлениях, можно записать:
Принимая это во внимание уравнение (16) можно записать:
В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму. Баланс может быть составлен для единицы объема реакционной массы, для бесконечно малого (элементарного) объема, а также для реактора в целом. При этом можно рассчитывать материальные потоки, проходящие через объем через единицу времени, либо относить эти потоки к 1 молю исходного реагента или продукта.
В общем случае, когда концентрация реагента непостоянна в различных точках реактора или непостоянная во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора. При этом исходят из уравнения конвективного массообмена, в которое вводят дополнительный член rA, учитывающий протекание химической реакции. Тогда это уравнение принимает вид:
![]() |
произведения составляющих скорости потока
вдоль осей координат на градиенты концентраций
![]() |
сумма вторых производных от концентрации
по пространственным координатам x, y, z



Левая часть уравнения (17) характеризует общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это накопление вещества А. Этому члену соответствует ВА(нак.) в уравнении баланса (16).
Указанные части уравнения характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии, в уравнении (16) им соответствует величина ВА(конв.). Такой суммарный перенос вещества называют конвективным массообменном, или конвективной диффузией.
И, наконец, член rA показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (16) соответствует величина ВА(х.р.).
В зависимости от типа реактора и режима его работы дифференциальное уравнение материального баланса (17) может быть преобразовано.
Реактор идеального смешения периодический
Реакторы периодические характеризуются единовременной загрузкой реагентов. При этом процесс складывается из трех стадий:
— его обработки (химическое превращение) и
— выгрузки готового продукта.
После проведения этих стадии они повторяются вновь, т.е. реактор работает циклически.
РИС-П представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты.
![]() |
В таком реакторе создается интенсивное перемешивание, поэтому в любой момент времени концентрация реагентов одинакова во всем объеме реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции. Такое перемешивание можно считать идеальным, отсюда и название реактора.


![]() | ![]() |
по любой координате концентрация А
не меняется, т.к. реактор идеального смешения
Периодические химические процессы по своей природе являются нестационарными (неустановившимися), т.к. в ходе химической реакции изменяются параметры процесса во времени (например, концентрация веществ).
Для расчета периодического реактора надо знать его уравнение, позволяющее определить рабочее время, необходимое для достижения заданной степени превращения при известной начальной концентрации вещества и известной кинетики процесса, т.е. при известной скорости химической реакции.
Основой для получения уравнения реактора является дифференциальное уравнение (17). Это уравнение может быть преобразовано, исходя из того, что в РИС-П вследствие интенсивного перемешивания все параметры одинаковы во всем объеме реактора в любой момент времени.
В этом случае производная любого порядка от концентрации по осям x, y, z равна нулю. Поэтому можно записать:
что произведения составляющих скорости потока вдоль осей координат на градиенты концентраций равны нулю:
и что произведение коэффициента молекулярной и конвективной диффузии D на сумму вторых производных от концентрации по пространственным координатам x, y, z равно нулю:
С учетом этого уравнение (17) упрощается, его можно записать не в частных производных, а виде обыкновенного дифференциального уравнения: полная производная концентрации вещества А по времени равна скорости химической реакции:
Подставив значение текущей концентрации исходного вещества из уравнения (4) получим:
Знак «-» перед rA связан с тем, что в процессе происходит убыль исходного реагента.
Интегрируя уравнение (21) в пределах изменение времени от 0 до t и степени превращения от 0 до ХА, получим уравнение РИС-П:
Рассмотрим частные случаи решения.
Скорость простой необратимой реакции дается выражением:
Подставим это выражение в уравнение (22):
С учетом уравнения (4) преобразуем уравнение (23):
Для необратимой реакции первого порядка когда n = 1 из уравнения (24) следует:
До сих пор интегрирование проводилось в пределах изменения степени превращения от 0 до ХА. Если начальная степень превращения не равна нулю, то во всех случаях конечные результаты изменяются.
Так, для реакции нулевого порядка из уравнения (24) получаем:
Для реакции первого порядка:
В тех случаях, когда в РИС-П проводится реакция, порядок которой отличен от 0 и 1, интегрирование уравнения (22) связано с трудностями, поэтому определение рабочего времени проводят методом графического интегрирования.
Для этого, взяв за основу уравнение (22), строят графическую зависимость 
![]() |
По самому определению интеграла, исходя из уравнения (22) имеем:
Уравнение (22) является математическим описанием модели РИС-П. Исходя из этого уравнения, можно определить размеры реактора, а также исследовать эту модель на нахождение оптимальных значений всех входящих в него параметров.
Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого вспомогательного оборудования, поэтому они удобны для проведения опытных работ по изучению химической кинетики.
В промышленности они используются в малотоннажных производствах и для переработки относительно дорогостоящих химических продуктов.
Большинство промышленных процессов оформляется с использованием реакторов непрерывного действия.
Реакторы непрерывного действия
РИВ- реактор идеального вытеснения
В реакторах непрерывного действия (их часто называют проточными) питание реагентами и отвод продуктов осуществляется непрерывно.
Если в периодических реакторах можно непосредственно измерить продолжительность реакции (время), то в реакторах непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме параметры в этих реакторах не меняются во времени.
В связи с этим для реакторов непрерывного действия применяют понятие условного времени пребывания реагентов в системе (времени контакта), которое определяется по уравнению:
РИВ представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы l к диаметру d достаточно велико.
В реактор непрерывно подаются реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере их перемещения по длине реактора.
![]() |
Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора, обратное (продольное) перемещение отсутствует, отсутствует также перемещение по сечению реактора. Предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное, т.е. значения параметров реакционной смеси одинаковы.
Каждый элемент объема реакционной массы dV движется по длине реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими объемами, и ведет себя как поршень в цилиндре, вытесняя всё что находится перед ним. Поэтому такой режим движения реагентов называют иногда поршневым или режимом полного вытеснения.
Состав каждого элемента объема последовательно изменяется по длине реактора вследствие протекания химической реакции (например, от начального значения СА,о до СА на рисунке). Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же.
Для составления математического описания РИВ исходят из дифференциального уравнения материального баланса (17), соответственно преобразуя его.
Так как в РИВ реакционная смесь движется только в одном направлении (по длине l), то выбрав за направление движения потока реагентов ось х, получим:
Так как в идеальном реакторе каждый элемент объема реакционной смеси не смешивается ни с предыдущим, ни с последующим объемами, а также отсутствует радиальное перемешивание (нет ни продольной, ни радиальной диффузии, а молекулярная диффузия мала), то:
В этом случае уравнение (17) для РИВ принимает вид:
Это уравнение материального баланса является математическим описанием потока реагента в РИВ при нестационарном режиме (когда параметры меняются не только по длине реактора, но и во времени). Это характерно для периода пуска и остановки реактора. Член 
При стационарном режиме параметры в каждой точке реакционного объема не меняются во времени: 
Продифференцируем уравнение (4):
В любой момент времени имеем:
Подставив полученные значения для dCA и dl в уравнение (30) получим:
После интегрирования уравнения (31) в пределах изменения степени превращения от 0 до ХА получим:
Уравнение для РИВ совпадает с уравнение для РИС-П (22). Поэтому для РИВ при различных значениях порядка реакции можно записать:
Для реакций, порядок которых отличен от нуля или единице, пользуются описанным выше графическим методом.
В реальном реакторе гидродинамическая обстановка отличается от остановки в идеальном реакторе. В реальном реакторе вытеснения помимо поршневого движения основного потока по длине реактора возможно перемешивание потока в продольном и радиальном направлениях. Модель реактора усложняется.
Степень отклонения показателей такого реактора от идеального зависит от трёх величин:
— коэффициента продольного перемешивания (конвективной диффузии) DL,
— линейной скорости потока и
Эти величины сведены в безразмерный комплекс 



![]() |
![]() |
Если 


Если 


Уравнение теплового баланса реактора
Основой для расчета реактора с учетом теплового режима служит уравнение теплового баланса, составленное на единицу времени.
В общем виде: Q(пр.) = Q(расх.)
Для экзотермической реакции приход и расход можно выразить в виде:
Q(расх.) = Q(нак.) + Q(прод.) + Q(теплообмен)
Объединяя уравнения (34), (35), (36) получим:
Используя дифференциальное уравнение конвективного теплообмена можно записать:
СР — средняя теплоемкость реакционной смеси;
Левая часть уравнения (38) характеризует скорость накопления тепла в элементарном объеме:
Первая группа членов правой части уравнения (38) определяет скорость конвективного переноса тепла по соответствующим координатам (x, y, z) в элементарном объеме.
Вторая группа членов правой части уравнения (38) определяет скорость отвода тепла в результате молекулярной и конвективной теплопроводности реакционной среды.
Первая и вторая группы членов соответствуют Q(конв.) в уравнении (37).
Третья и четвертая группы членов правой части уравнения (38) характеризуют скорость отвода тепла путем теплообмена и скорость подвода тепла в результате химической реакции:
Общее решение уравнения (38) связано с трудностями. В зависимости от гидродинамической обстановки в реакторе вводят упрощения.
- отношение количества продукции первого сорта к общему количеству это
- отношение количества целевого продукта к общему количеству полученных продуктов это










































































