Файл: 1. Химическая технология научная основа химического производства.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 260
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
использования внутренней поверхности его зерен, сложность конструкции, трудность поддержания оптимального теплового режима.
Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора работают в режиме реакторов РИС-Н и РПТ-Н (реактор промежуточного типа). В них катализатор распыляется в движущемся потоке газа или жидкости и переносится вместе с ним. При этом для обеспечения противотока газ поступает в аппарат снизу, а катализатор сверху. Контактные аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора работают по принципу аппарата «кипящего слоя» в режиме реакторов РИС-Н и применяются, главным образом, в производствах органического синтеза, в которых катализатор быстро теряет активность и требует непрерывной регенерации. Поэтому, в этих установках, как и в установках с движущимся слоем катализатора, контактный аппарат сопряжен с регенератором катализатора.
Преимущество данных аппаратов: легкость регенерации и замена катализатора, возможность подачи реагентов с температурой ниже температуры зажигания катализаторов, оптимальный температурный режим работы аппарата и т.п. Недостатки: быстрое истирания зерен катализатора и загрязнение продуктов реакции катализаторной пылью.
30.Характеристика гомогенных процессов.
Для многих промышленных процессов воздух считается гомогенной средой, а для процесса окисления аммиака тот же воздух из-за наличия в нем пыли, влаги считается гетерогенной средой. Исходное сырье всегда имеет примеси. Поэтому лишь условно можно принять за гомогенные те производственные процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. В гомогенных системах реакции проходят быстрее, чем в гетерогенных. Осуществление и управление гомогенными процессами, протекающими в гомогенной среде, значительно облегчается. Аппаратура тоже проще.
Для гомогенизации системы при проведении химической реакции в однородной среде в промышленности используют разные способы:
Поглощение газов, конденсация паров, растворение или плавление твердых материалов приводящей к получению жидкой среды, в которой быстрее протекают реакции.
Испарение жидкостей или выделение из них в газовую фазу нужных компонентов и проведение реакции в газовой фазе.
Рассмотрим характеристики некоторых реакций.
Ассоциацией называется соединение некоторого числа одинаковых молекул в более крупные частицы. Ассоциация молекул происходит как в индивидуальных веществах в жидком и газообразном состоянии, так и в растворах.
Уменьшение температуры и рост давления и концентрации увеличивают степень ассоциации и, наоборот, при повышении температуры и снижении давления и концентрации полученный компонент диссоциирует, т. е. процесс является обратимым.
Полимеризацией называют процесс соединения большого числа молекул мономера в одну большую молекулу того же состава. Следовательно, при полимеризации не происходит выделения, каких- либо побочных продуктов. К полимеризации склонны ненасыщенные соединения, имеющие двойные и тройные связи, а также и насыщенные соединения циклического строения. Полимеризация непредельных углеводородов идет с выделением тепла и уменьшением общего числа молекул в системе, т.е. с уменьшением объема, например,
nСН2=СН2 = (-СН2-СН2-)n
Крекинг - метод деструктивной переработки, являющийся частным случаем пиролиза для жидкостей и газов.
Пиролиз - это термическая переработка горючих материалов при температуре 400-15000 С без доступа воздуха. При пиролизе в результате воздействия высоких температур органические вещества расщепляются с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов меньшего молекулярного веса, чем исходные.
31.Гомогенные процессы в газовой и жидкой фазе.
Гомогенные процессы в газовой фазе широко применяются в технологии органических веществ. Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется, и затем его пары обрабатываются тем или иным газообразным компонентом: хлором, окислами азота, сернистым ангидридом и т.п. Значительное применение получил парофазный пиролиз, в котором химические реакции разложения осуществляются в паровой фазе, хотя процесс в целом относится к гетерогенным, поскольку химическим реакциям в паровой фазе предшествует испарение углеводородов.
Хлорирование углеводородов или их производных осуществляется при получении органических растворителей
, ядохимикатов и разнообразных продуктов органического синтеза.
В зависимости от применяемых средств инициирования различают следующие методы хлорирования: термическое, фотохимическое и каталитическое. Первые два метода - гомогенные. При хлорировании метана последовательным замещением его водородных атомов получается смесь четырех производных
СН4 + CI2 = СН3Сl + НСl Хлористый метил
СНзСl + Сl2 = СН2Сl2 + НСl Хлористый метилен
СН2Сl2 + Сl2 = СНСlз + НСl Хлороформ
СНСlз + Сl2 = ССl4 + НСl Четыреххлористый углерод
Изменяя условия процесса, соотношение исходных продуктов, режим хлорирования, можно направить реакцию в сторону преимущественного образования того или иного хлорпроизводного. Сульфохлорирование, т.е. одновременное действие сернистого ангидрида и хлора на предельные углеводороды
RН + SO2 + Сl2 = R-SO2Cl + НСl
Гомогенные процессы в жидкой фазе
Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, можно отнести к гомогенным процессы нейтрализации щелочи в технологии минеральных солей без образования твердой соли. Например, получение сульфата аммония при взаимодействии аммиачной воды и серной кислоты. По такому принципу протекают и некоторые обменные реакции, идущие в растворах КСl +NaNO3 = NаСl + KNO3
В жидкой фазе получают простые и сложные эфиры из спиртов, так, например, этилсульфат взаимодействует с метанолом
С2Н5OSO2OН + СНзОН = С2Н5OСН3 + H2SO4.
В гомогенной среде идут и такие важные процессы, как получение адипиновой кислоты, синтез метилового спирта в присутствии серной кислоты. Жидкофазная полимеризация в растворах применяется в производстве лаков и некоторых смол.
32.Основные закономерности гомогенных процессов.
С точки зрения кинетики, химические реакции можно классифицировать по молекулярности, т. е по числу молекул, принимающих одновременное участие в элементарном акте химического превращения, и по порядку реакции. Порядок реакции равен сумме показателей степеней при концентрациях реагирующих веществ в кинетическом уравнении реакции. Чаще всего порядок реакции не совпадает с ее молекулярностью. По молекулярности реакции подразделяются на моно -, би- и тримолекулярные. По порядку - первого, второго и дробного порядка.
К одномолекулярным (мономолекулярным) реакциям относятся: реакции внутримолекулярных перегруппировок, например, изомеризация, инверсия; реакции разложения.
Двумолекулярные (бимолекулярные), в которых элементарный акт осуществляется в результате встречи двух одноименных (А+А) или разноименных (А+В) молекул исходных веществ. Бимолекулярные реакции в свою очередь можно подразделить на:
реакции присоединения А +А =АА, А +В = АВ и разложения 2А = D + D'
реакции замещения или обмена А +ВВ' = АВ + В'
реакции двойного обмена АА' + ВВ' = АВ + А'В'
К бимолекулярным реакциям присоединения относятся присоединение атома или радикала к молекуле непредельного соединения и ассоциация насыщенных молекул.
Трехмолекулярные, где встречаются и вступают в химическое взаимодействие три молекулы, могут быть реакции присоединения, обменного типа и реакции рекомбинации. Так протекает взаимодействие хлорного железа и хлористого олова в водном растворе 2FеСl3 +SnCl2 = 2FеСl2 + SnCl4
Зависимость скорости химической реакции от температуры сильно изменяется при возрастании порядка реакции. С ростом концентрации исходных веществ скорость реакции до достижения равновесного выхода увеличивается тем сильнее, чем выше порядок реакции.
Для повышения концентраций реагентов в гомогенных системах применяются следующие методы:
для газов: выделение из газовой смеси в более концентрированном виде, сжатие или сжижение, растворение газов для проведения реакции в растворе;
для жидкостей: выпаривание, вымораживание, что позволяет получить раствор более насыщенный реагентами, или же дополнительный ввод реагента в раствор.
Перемешивание ускоряет процессы, протекающие в диффузионной области вследствие замены медленной молекулярной диффузии быстрым конвективным переносом реагентов в зону реакции.
33.Гетерогенные процессы в системе газ-жидкость.
Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких реагентов, широко используются в химической промышленности. К таким процессам относятся абсорбция и десорбция газов, испарение жидкостей, дистилляция и ректификация, пиролиз жидкостей с испарением продуктов пиролиза и т. п.
Абсорбцией называется поглощение газа (или компонента газа) жидкостью с образованием раствора. Абсорбция происходит при непосредственном соприкосновении жидкости и газа, причем газовые молекулы проникают в жидкость. В ряде случаев абсорбция сопровождается химическими реакциями в жидкой фазе. Такие процессы называются хемосорбционными.
Десорбция
- процесс обратный абсорбции, заключается в выделении из жидкости растворенного в ней газа. В технике десорбция называется иногда отгонкой. При десорбции переход компонентов из раствора в газ происходит или вследствие нагревания жидкости, или в потоке инертного газа или водяного пара. Выделение компонента из жидкости в газ при нагревании происходит благодаря тому, что давление компонента над жидкостью становится выше, чем парциальное давление его в газе. Десорбция применяется в производстве соды, в органическом синтезе, при концентрировании газов.
Испарение растворителя из растворов в химической технологии называется выпаркой. Этот же процесс называется концентрированием, например, концентрирование минеральных кислот и щелочей.
Конденсация - процесс, обратный испарению, это переход пара или газа в жидкость при охлаждении или сжатии газа. Конденсацию газовых компонентов из газовой смеси при умеренном или глубоком охлаждении в технологии называют сжижением газов. Процессы конденсации паров и газов применяются при химической переработке твердого топлива, в производстве фосфора, спиртов, аммиака, при освобождении газов от паров воды и т. п.
Перегонка жидких смесей - дистилляция и ректификация более сложные процессы и представляют собой различные сочетания испарения с конденсацией.
Процессы пиролиза часто сочетаются с ректификацией продуктов. Как правило, пиролиз и крекинг жидкостей происходит с участием не только жидкой и газообразной, но также и твердой фазы, так как наряду с жидкими и газообразными продуктами образуется сажа или кокс.
Полимеризация в газе с образованием относительно низкомолекулярных жидких полимеров применяется ограниченно. Так, например, получение жидких полупродуктов органического синтеза частичной (оборванной) полимеризацией газообразных олефинов. Полученные таким образом полупродукты применяются для производства синтетических смол и т. п. применяется ограничено
При исследовании и описании абсорбционно-десорбционных процессов принято делить газы на: хорошо, средне и плохо растворимые. Эта классификация учитывает скорость растворения их в жидкостях и концентрацию насыщенных растворов. К хорошо растворимым газам относятся быстро взаимодействующие с жидкостью, образующие с ней соединения, быстро диффундирующие внутрь жидкости от поверхности раздела.
Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора работают в режиме реакторов РИС-Н и РПТ-Н (реактор промежуточного типа). В них катализатор распыляется в движущемся потоке газа или жидкости и переносится вместе с ним. При этом для обеспечения противотока газ поступает в аппарат снизу, а катализатор сверху. Контактные аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора работают по принципу аппарата «кипящего слоя» в режиме реакторов РИС-Н и применяются, главным образом, в производствах органического синтеза, в которых катализатор быстро теряет активность и требует непрерывной регенерации. Поэтому, в этих установках, как и в установках с движущимся слоем катализатора, контактный аппарат сопряжен с регенератором катализатора.
Преимущество данных аппаратов: легкость регенерации и замена катализатора, возможность подачи реагентов с температурой ниже температуры зажигания катализаторов, оптимальный температурный режим работы аппарата и т.п. Недостатки: быстрое истирания зерен катализатора и загрязнение продуктов реакции катализаторной пылью.
30.Характеристика гомогенных процессов.
Для многих промышленных процессов воздух считается гомогенной средой, а для процесса окисления аммиака тот же воздух из-за наличия в нем пыли, влаги считается гетерогенной средой. Исходное сырье всегда имеет примеси. Поэтому лишь условно можно принять за гомогенные те производственные процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. В гомогенных системах реакции проходят быстрее, чем в гетерогенных. Осуществление и управление гомогенными процессами, протекающими в гомогенной среде, значительно облегчается. Аппаратура тоже проще.
Для гомогенизации системы при проведении химической реакции в однородной среде в промышленности используют разные способы:
Поглощение газов, конденсация паров, растворение или плавление твердых материалов приводящей к получению жидкой среды, в которой быстрее протекают реакции.
Испарение жидкостей или выделение из них в газовую фазу нужных компонентов и проведение реакции в газовой фазе.
Рассмотрим характеристики некоторых реакций.
Ассоциацией называется соединение некоторого числа одинаковых молекул в более крупные частицы. Ассоциация молекул происходит как в индивидуальных веществах в жидком и газообразном состоянии, так и в растворах.
Уменьшение температуры и рост давления и концентрации увеличивают степень ассоциации и, наоборот, при повышении температуры и снижении давления и концентрации полученный компонент диссоциирует, т. е. процесс является обратимым.
Полимеризацией называют процесс соединения большого числа молекул мономера в одну большую молекулу того же состава. Следовательно, при полимеризации не происходит выделения, каких- либо побочных продуктов. К полимеризации склонны ненасыщенные соединения, имеющие двойные и тройные связи, а также и насыщенные соединения циклического строения. Полимеризация непредельных углеводородов идет с выделением тепла и уменьшением общего числа молекул в системе, т.е. с уменьшением объема, например,
nСН2=СН2 = (-СН2-СН2-)n
Крекинг - метод деструктивной переработки, являющийся частным случаем пиролиза для жидкостей и газов.
Пиролиз - это термическая переработка горючих материалов при температуре 400-15000 С без доступа воздуха. При пиролизе в результате воздействия высоких температур органические вещества расщепляются с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов меньшего молекулярного веса, чем исходные.
31.Гомогенные процессы в газовой и жидкой фазе.
Гомогенные процессы в газовой фазе широко применяются в технологии органических веществ. Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется, и затем его пары обрабатываются тем или иным газообразным компонентом: хлором, окислами азота, сернистым ангидридом и т.п. Значительное применение получил парофазный пиролиз, в котором химические реакции разложения осуществляются в паровой фазе, хотя процесс в целом относится к гетерогенным, поскольку химическим реакциям в паровой фазе предшествует испарение углеводородов.
Хлорирование углеводородов или их производных осуществляется при получении органических растворителей
, ядохимикатов и разнообразных продуктов органического синтеза.
В зависимости от применяемых средств инициирования различают следующие методы хлорирования: термическое, фотохимическое и каталитическое. Первые два метода - гомогенные. При хлорировании метана последовательным замещением его водородных атомов получается смесь четырех производных
СН4 + CI2 = СН3Сl + НСl Хлористый метил
СНзСl + Сl2 = СН2Сl2 + НСl Хлористый метилен
СН2Сl2 + Сl2 = СНСlз + НСl Хлороформ
СНСlз + Сl2 = ССl4 + НСl Четыреххлористый углерод
Изменяя условия процесса, соотношение исходных продуктов, режим хлорирования, можно направить реакцию в сторону преимущественного образования того или иного хлорпроизводного. Сульфохлорирование, т.е. одновременное действие сернистого ангидрида и хлора на предельные углеводороды
RН + SO2 + Сl2 = R-SO2Cl + НСl
Гомогенные процессы в жидкой фазе
Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, можно отнести к гомогенным процессы нейтрализации щелочи в технологии минеральных солей без образования твердой соли. Например, получение сульфата аммония при взаимодействии аммиачной воды и серной кислоты. По такому принципу протекают и некоторые обменные реакции, идущие в растворах КСl +NaNO3 = NаСl + KNO3
В жидкой фазе получают простые и сложные эфиры из спиртов, так, например, этилсульфат взаимодействует с метанолом
С2Н5OSO2OН + СНзОН = С2Н5OСН3 + H2SO4.
В гомогенной среде идут и такие важные процессы, как получение адипиновой кислоты, синтез метилового спирта в присутствии серной кислоты. Жидкофазная полимеризация в растворах применяется в производстве лаков и некоторых смол.
32.Основные закономерности гомогенных процессов.
С точки зрения кинетики, химические реакции можно классифицировать по молекулярности, т. е по числу молекул, принимающих одновременное участие в элементарном акте химического превращения, и по порядку реакции. Порядок реакции равен сумме показателей степеней при концентрациях реагирующих веществ в кинетическом уравнении реакции. Чаще всего порядок реакции не совпадает с ее молекулярностью. По молекулярности реакции подразделяются на моно -, би- и тримолекулярные. По порядку - первого, второго и дробного порядка.
К одномолекулярным (мономолекулярным) реакциям относятся: реакции внутримолекулярных перегруппировок, например, изомеризация, инверсия; реакции разложения.
Двумолекулярные (бимолекулярные), в которых элементарный акт осуществляется в результате встречи двух одноименных (А+А) или разноименных (А+В) молекул исходных веществ. Бимолекулярные реакции в свою очередь можно подразделить на:
реакции присоединения А +А =АА, А +В = АВ и разложения 2А = D + D'
реакции замещения или обмена А +ВВ' = АВ + В'
реакции двойного обмена АА' + ВВ' = АВ + А'В'
К бимолекулярным реакциям присоединения относятся присоединение атома или радикала к молекуле непредельного соединения и ассоциация насыщенных молекул.
Трехмолекулярные, где встречаются и вступают в химическое взаимодействие три молекулы, могут быть реакции присоединения, обменного типа и реакции рекомбинации. Так протекает взаимодействие хлорного железа и хлористого олова в водном растворе 2FеСl3 +SnCl2 = 2FеСl2 + SnCl4
Зависимость скорости химической реакции от температуры сильно изменяется при возрастании порядка реакции. С ростом концентрации исходных веществ скорость реакции до достижения равновесного выхода увеличивается тем сильнее, чем выше порядок реакции.
Для повышения концентраций реагентов в гомогенных системах применяются следующие методы:
для газов: выделение из газовой смеси в более концентрированном виде, сжатие или сжижение, растворение газов для проведения реакции в растворе;
для жидкостей: выпаривание, вымораживание, что позволяет получить раствор более насыщенный реагентами, или же дополнительный ввод реагента в раствор.
Перемешивание ускоряет процессы, протекающие в диффузионной области вследствие замены медленной молекулярной диффузии быстрым конвективным переносом реагентов в зону реакции.
33.Гетерогенные процессы в системе газ-жидкость.
Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких реагентов, широко используются в химической промышленности. К таким процессам относятся абсорбция и десорбция газов, испарение жидкостей, дистилляция и ректификация, пиролиз жидкостей с испарением продуктов пиролиза и т. п.
Абсорбцией называется поглощение газа (или компонента газа) жидкостью с образованием раствора. Абсорбция происходит при непосредственном соприкосновении жидкости и газа, причем газовые молекулы проникают в жидкость. В ряде случаев абсорбция сопровождается химическими реакциями в жидкой фазе. Такие процессы называются хемосорбционными.
Десорбция
- процесс обратный абсорбции, заключается в выделении из жидкости растворенного в ней газа. В технике десорбция называется иногда отгонкой. При десорбции переход компонентов из раствора в газ происходит или вследствие нагревания жидкости, или в потоке инертного газа или водяного пара. Выделение компонента из жидкости в газ при нагревании происходит благодаря тому, что давление компонента над жидкостью становится выше, чем парциальное давление его в газе. Десорбция применяется в производстве соды, в органическом синтезе, при концентрировании газов.
Испарение растворителя из растворов в химической технологии называется выпаркой. Этот же процесс называется концентрированием, например, концентрирование минеральных кислот и щелочей.
Конденсация - процесс, обратный испарению, это переход пара или газа в жидкость при охлаждении или сжатии газа. Конденсацию газовых компонентов из газовой смеси при умеренном или глубоком охлаждении в технологии называют сжижением газов. Процессы конденсации паров и газов применяются при химической переработке твердого топлива, в производстве фосфора, спиртов, аммиака, при освобождении газов от паров воды и т. п.
Перегонка жидких смесей - дистилляция и ректификация более сложные процессы и представляют собой различные сочетания испарения с конденсацией.
Процессы пиролиза часто сочетаются с ректификацией продуктов. Как правило, пиролиз и крекинг жидкостей происходит с участием не только жидкой и газообразной, но также и твердой фазы, так как наряду с жидкими и газообразными продуктами образуется сажа или кокс.
Полимеризация в газе с образованием относительно низкомолекулярных жидких полимеров применяется ограниченно. Так, например, получение жидких полупродуктов органического синтеза частичной (оборванной) полимеризацией газообразных олефинов. Полученные таким образом полупродукты применяются для производства синтетических смол и т. п. применяется ограничено
При исследовании и описании абсорбционно-десорбционных процессов принято делить газы на: хорошо, средне и плохо растворимые. Эта классификация учитывает скорость растворения их в жидкостях и концентрацию насыщенных растворов. К хорошо растворимым газам относятся быстро взаимодействующие с жидкостью, образующие с ней соединения, быстро диффундирующие внутрь жидкости от поверхности раздела.