Файл: 1. Химическая технология научная основа химического производства.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 258
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, но и улучшают другие условия производства. Перевод твердых регентов в жидкое состояние способствует перемещению реакционной смеси в аппаратах, ее гомогенизации и перемешиванию, упрощает контроль и управление процессом. Еще лучшие технологические условия достигаются в ряде процессов переводом реагирующих веществ в газовую фазу (испарением).
38.Аппаратура для проведения высокотемпературных процессов.
Печи.
Высокотемпературные процессы осуществляются в печах различных типов, контактных аппаратах, автоклавах, выпарных аппаратах, котлах, топках и др. Основной аппаратурой для проведения высокотемпературных процессов являются промышленные печи. Промышленная печь - это аппарат, в котором вырабатывается тепло, используемое для тепловой обработки материалов в самой печи. Тепло в ней выделяется за счет горения топлива или протекания экзотермических реакций или же за счет превращения электрической энергии в тепловую. Особенностью промышленных печей является совмещение в одном агрегате реакционного аппарата (осуществление производственного процесса) и энергетического устройства (выделение и использование тепла).
По источнику тепловой энергии различают:
Топливные печи, использующие твердое, жидкое и газообразное топливо.
Электрические печи, в которых источником тепла является электрическая энергия. Печи, в которых необходимая температура достигается за счет тепла происходящей реакции.
По способу нагрева различают:
Печи прямого нагрева, в которых источник тепловой энергии находится в непосредственном соприкосновении с нагреваемым материалом, в которых тепловая энергия выделяется в нагреваемом материале, в которых тепло от источника тепловой энергии передается к нагреваемому материалу посредством нагретого воздуха или топочных газов, в которых значительная часть тепловой энергии передается излучением раскаленных твердых тел
Печи косвенного нагрева, в которых тепло от источника тепловой энергии передается нагреваемому материалу через стенки.
По технологическому назначению различают печи для удаления влаги из твердых материалов, которые называют сушилками, нагревательные печи для нагрева материала без изменения его агрегатного состояния, плавильные печи для расплавления обрабатываемого материала, обжиговые печи для обжига минерального сырья и изделий из него, печи пиролиза для термической переработки топлива без доступа воздуха.
Печи классифицируют по принципу работы и устройства:
шахтные;
полочные (обжиг колчедана, железных руд);
с распылением твердого материала (сушка материалов);
кипящего (взвешенного) слоя (обжиг колчедана и т,д);
барабанные, вращающиеся (восстановление сульфатов, сушка руд и т. д.);
туннельные (обжиг огнеупоров, плавка серной руды, пиролиз древесины);
камерные (обжиг керамики, получение соляной кислоты и т. п.);
трубчатые (перегонка нефти и нефтепродуктов, крекинг нефти и т.д.);
ванные (выплавка стали мартеновским способом, плавка едкого натрия);
электрические (варка кварцевого стекла, переплавка металлов и сплавов и т. д.).
39.Сущность катализа и виды каталитических процессов.
Катализом называется изменение скорости химических реакций или их возбуждение в результате воздействия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончании его химически неизменными.
Катализаторами могут быть различные вещества: газы, жидкости и твердые тела. По принципу фазового состояния реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные. В особую группу следует выделить микрогетерогенные и ферментативные каталитические процессы. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе – газе или растворе. При гетерогенном катализе реагент и катализатор находятся в разных фазах. Микрогетерогенный катализ происходит в жидкой фазе с участием коллоидных частиц металлов в качестве катализаторов. При ферментативном катализе, который происходит в растительных и животных клетках, катализаторами служат также коллоидно-растворенные белковые частицы- ферменты, ускоряющие сложные органические процессы живой природы. Существуют и применяются вещества, замедляющие, тормозящие химические реакции - антикатализаторы и ингибиторы.
Сущность ускоряющего действия катализаторов состоит в понижении энергии активации химической реакции в результате изменения реакционного пути с участием катализатора или вследствие осуществления реакции по цепному механизму при инициирующем действии катализатора. В первом случае реакция протекает через ряд элементарных стадий, которые требуют в совокупности меньшей энергии активации, чем прямая реакция без катализатора.
Избирательный катализ - это катализ, при котором катализаторы могут ускорять только одну целевую реакцию из нескольких возможных. Он важен для промышленности, особенно в производстве органических продуктов.
Автокаталитическими называются химические реакции, в которых катализатором является один из промежуточных или конечных продуктов реакции. Так, в цепных реакциях автокатализаторами являются свободные радикалы. К числу автокаталитических относятся некоторые реакции разложения взрывчатых веществ, горения, полимеризации.
Гомогенный катализ может протекать в газовой или жидкой фазе при соответствующем состоянии катализатора. Механизм гомогенного катализа состоит в образовании между реагентами и катализатором нестойких промежуточных соединений, существующих в той же фазе (газ или раствор), после распада, которых катализатор регенерируется. Процессы гомогенного катализа классифицируются по типам взаимодействия, фазовому состоянию системы и механизму катализа. По типу взаимодействия между реагирующими веществами и катализатором процессы делят на окислительно-восстановительные и кислотно-основные.
Газофазный гомогенный катализ, когда и реагенты и катализатор - газы, применяется сравнительно редко. Примерами могут служить окисление двуокиси серы окислами азота в камерном и башенном сернокислотном производстве, окисление метана в формальдегид воздухом, ускоряемое окислами азота. Газофазный катализ может осуществляться по молекулярному и по радикальному механизму.
При гетерогенном катализе твердыми катализаторами газовая или жидкая реакционная смесь легко отделяется от катализатора, и это служит одной из важнейших причин большого распространения гетерогенного катализа.
40.Гомогенные каталитические процессы.
Гомогенный катализ может протекать в газовой или жидкой фазе при соответствующем состоянии катализатора. Механизм гомогенного катализа состоит в образовании между реагентами и катализатором нестойких промежуточных соединений, существующих в той же фазе (газ или раствор), после распада, которых катализатор регенерируется.
Процессы гомогенного катализа классифицируются по типам взаимодействия, фазовому состоянию системы и механизму катализа.
По типу взаимодействия между реагирующими веществами и катализатором процессы делят на окислительно-восстановительные и кислотно-основные.
По фазовому состоянию гомогенные каталитические процессы делят на жидкофазные (в растворах) и газофазные. По механизму катализа различают ионные, радикальные и молекулярные каталитические реакции. Катализаторами в растворах служат кислоты, основания, ионы металлов, а также вещества, способствующие образованию свободных радикалов. Катализ в растворах чаще всего осуществляется по ионному механизму.
Главный тип ионного катализа - кислотно-основной, механизм которого заключается в том, что идет обмен протонами между катализатором и реагирующими веществами, сопровождающийся внутримолекулярными превращениями. При кислотном катализе протон (или положительный ион) переходит сначала от катализатора в реагирующую молекулу, а при основном катализе катализатор служит вначале акцептором протона или донором аниона по отношению к молекуле реагента.
Газофазный гомогенный катализ, когда и реагенты и катализатор - газы, применяется сравнительно редко. Газофазный катализ может осуществляться по молекулярному и по радикальному механизму.
Скорость гомогенного каталитического процесса зависит от ряда факторов: концентрации реагирующих веществ, концентрации катализатора, температуры, давления, интенсивности перемешивания. Зависимость скорости процесса от концентрации реагентов и катализатора определяется, прежде всего, соотношением скоростей элементарных стадий каталитического акта и условиями их равновесия.
При радикальном механизме катализа, когда катализатор лишь инициирует цепную реакцию, скорость каталитического процесса, естественно, не пропорциональна концентрации катализатора. Влияние температуры, давления и перемешивания на скорость гомогеннокаталитических реакций аналогично общим кинетическим закономерностям гомогенных процессов. Основным недостатком гомогенного катализа является трудность выделения катализатора из конечной продукционной смеси, в результате чего часть катализатора теряется безвозвратно, а продукт загрязняется им.
41.Гетерогенные каталитические процессы.
При гетерогенном катализе твердыми катализаторами газовая или жидкая реакционная смесь легко отделяется от катализатора, и это служит одной из важнейших причин большого распространения гетерогенного катализа.
По фазовому признаку известны различные виды гетерогенного катализа: применяются жидкие катализаторы, ускоряющие реакции между несмешивающимися жидкостями или жидкостями и газами, и твердые катализаторы, ускоряющие реакции между жидкими и газообразными реагентами.
Большинство известных каталитических реакций - это реакции между газообразными реагентами с участием твердых катализаторов. При гетерогенном катализе, так же как и при гомогенном, реакция ускоряется в результате открытия нового реакционного пути, требующего меньшей энергии активации.
Различают два основных класса гетерогенно каталитических процессов и две основные группы катализаторов, отвечающих этим классам. К первому классу, называемому электронным катализом, относятся окислительно-восстановительные реакции. Катализаторами при электронном катализе служат проводники электрического тока - металлы и полупроводники. Ко второму классу, называемому кислотно-основным, или ионным, катализом, относятся реакции гидратации, дегидратации, аминирования, изомеризации, алкилирования и т. п.
Скорость каталитического процесса и производительность катализатора, т.е. количество продукта в единицу времени с единицы объема катализатора, возрастают с увеличением удельной поверхности последнего.
В общем случае процесс катализа на твердых пористых катализаторах складывается из следующих элементарных стадий:
диффузия реагирующих веществ из ядра потока к поверхности зерен катализатора; диффузия реагентов в порах зерна катализатора;
активированная адсорбция (хемосорбция) на поверхности катализатора с образованием поверхностных химических соединений - активированных комплексов, реагенты - катализатор;
перегруппировка атомов с образованием поверхностных комплексов: продукт-катализатор;
десорбция продукта с поверхности;
диффузия продукта в порах зерна катализатора;
диффузия продукта от поверхности зерна катализатора в ядро потока.
38.Аппаратура для проведения высокотемпературных процессов.
Печи.
Высокотемпературные процессы осуществляются в печах различных типов, контактных аппаратах, автоклавах, выпарных аппаратах, котлах, топках и др. Основной аппаратурой для проведения высокотемпературных процессов являются промышленные печи. Промышленная печь - это аппарат, в котором вырабатывается тепло, используемое для тепловой обработки материалов в самой печи. Тепло в ней выделяется за счет горения топлива или протекания экзотермических реакций или же за счет превращения электрической энергии в тепловую. Особенностью промышленных печей является совмещение в одном агрегате реакционного аппарата (осуществление производственного процесса) и энергетического устройства (выделение и использование тепла).
По источнику тепловой энергии различают:
Топливные печи, использующие твердое, жидкое и газообразное топливо.
Электрические печи, в которых источником тепла является электрическая энергия. Печи, в которых необходимая температура достигается за счет тепла происходящей реакции.
По способу нагрева различают:
Печи прямого нагрева, в которых источник тепловой энергии находится в непосредственном соприкосновении с нагреваемым материалом, в которых тепловая энергия выделяется в нагреваемом материале, в которых тепло от источника тепловой энергии передается к нагреваемому материалу посредством нагретого воздуха или топочных газов, в которых значительная часть тепловой энергии передается излучением раскаленных твердых тел
Печи косвенного нагрева, в которых тепло от источника тепловой энергии передается нагреваемому материалу через стенки.
По технологическому назначению различают печи для удаления влаги из твердых материалов, которые называют сушилками, нагревательные печи для нагрева материала без изменения его агрегатного состояния, плавильные печи для расплавления обрабатываемого материала, обжиговые печи для обжига минерального сырья и изделий из него, печи пиролиза для термической переработки топлива без доступа воздуха.
Печи классифицируют по принципу работы и устройства:
шахтные;
полочные (обжиг колчедана, железных руд);
с распылением твердого материала (сушка материалов);
кипящего (взвешенного) слоя (обжиг колчедана и т,д);
барабанные, вращающиеся (восстановление сульфатов, сушка руд и т. д.);
туннельные (обжиг огнеупоров, плавка серной руды, пиролиз древесины);
камерные (обжиг керамики, получение соляной кислоты и т. п.);
трубчатые (перегонка нефти и нефтепродуктов, крекинг нефти и т.д.);
ванные (выплавка стали мартеновским способом, плавка едкого натрия);
электрические (варка кварцевого стекла, переплавка металлов и сплавов и т. д.).
39.Сущность катализа и виды каталитических процессов.
Катализом называется изменение скорости химических реакций или их возбуждение в результате воздействия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончании его химически неизменными.
Катализаторами могут быть различные вещества: газы, жидкости и твердые тела. По принципу фазового состояния реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные. В особую группу следует выделить микрогетерогенные и ферментативные каталитические процессы. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе – газе или растворе. При гетерогенном катализе реагент и катализатор находятся в разных фазах. Микрогетерогенный катализ происходит в жидкой фазе с участием коллоидных частиц металлов в качестве катализаторов. При ферментативном катализе, который происходит в растительных и животных клетках, катализаторами служат также коллоидно-растворенные белковые частицы- ферменты, ускоряющие сложные органические процессы живой природы. Существуют и применяются вещества, замедляющие, тормозящие химические реакции - антикатализаторы и ингибиторы.
Сущность ускоряющего действия катализаторов состоит в понижении энергии активации химической реакции в результате изменения реакционного пути с участием катализатора или вследствие осуществления реакции по цепному механизму при инициирующем действии катализатора. В первом случае реакция протекает через ряд элементарных стадий, которые требуют в совокупности меньшей энергии активации, чем прямая реакция без катализатора.
Избирательный катализ - это катализ, при котором катализаторы могут ускорять только одну целевую реакцию из нескольких возможных. Он важен для промышленности, особенно в производстве органических продуктов.
Автокаталитическими называются химические реакции, в которых катализатором является один из промежуточных или конечных продуктов реакции. Так, в цепных реакциях автокатализаторами являются свободные радикалы. К числу автокаталитических относятся некоторые реакции разложения взрывчатых веществ, горения, полимеризации.
Гомогенный катализ может протекать в газовой или жидкой фазе при соответствующем состоянии катализатора. Механизм гомогенного катализа состоит в образовании между реагентами и катализатором нестойких промежуточных соединений, существующих в той же фазе (газ или раствор), после распада, которых катализатор регенерируется. Процессы гомогенного катализа классифицируются по типам взаимодействия, фазовому состоянию системы и механизму катализа. По типу взаимодействия между реагирующими веществами и катализатором процессы делят на окислительно-восстановительные и кислотно-основные.
Газофазный гомогенный катализ, когда и реагенты и катализатор - газы, применяется сравнительно редко. Примерами могут служить окисление двуокиси серы окислами азота в камерном и башенном сернокислотном производстве, окисление метана в формальдегид воздухом, ускоряемое окислами азота. Газофазный катализ может осуществляться по молекулярному и по радикальному механизму.
При гетерогенном катализе твердыми катализаторами газовая или жидкая реакционная смесь легко отделяется от катализатора, и это служит одной из важнейших причин большого распространения гетерогенного катализа.
40.Гомогенные каталитические процессы.
Гомогенный катализ может протекать в газовой или жидкой фазе при соответствующем состоянии катализатора. Механизм гомогенного катализа состоит в образовании между реагентами и катализатором нестойких промежуточных соединений, существующих в той же фазе (газ или раствор), после распада, которых катализатор регенерируется.
Процессы гомогенного катализа классифицируются по типам взаимодействия, фазовому состоянию системы и механизму катализа.
По типу взаимодействия между реагирующими веществами и катализатором процессы делят на окислительно-восстановительные и кислотно-основные.
По фазовому состоянию гомогенные каталитические процессы делят на жидкофазные (в растворах) и газофазные. По механизму катализа различают ионные, радикальные и молекулярные каталитические реакции. Катализаторами в растворах служат кислоты, основания, ионы металлов, а также вещества, способствующие образованию свободных радикалов. Катализ в растворах чаще всего осуществляется по ионному механизму.
Главный тип ионного катализа - кислотно-основной, механизм которого заключается в том, что идет обмен протонами между катализатором и реагирующими веществами, сопровождающийся внутримолекулярными превращениями. При кислотном катализе протон (или положительный ион) переходит сначала от катализатора в реагирующую молекулу, а при основном катализе катализатор служит вначале акцептором протона или донором аниона по отношению к молекуле реагента.
Газофазный гомогенный катализ, когда и реагенты и катализатор - газы, применяется сравнительно редко. Газофазный катализ может осуществляться по молекулярному и по радикальному механизму.
Скорость гомогенного каталитического процесса зависит от ряда факторов: концентрации реагирующих веществ, концентрации катализатора, температуры, давления, интенсивности перемешивания. Зависимость скорости процесса от концентрации реагентов и катализатора определяется, прежде всего, соотношением скоростей элементарных стадий каталитического акта и условиями их равновесия.
При радикальном механизме катализа, когда катализатор лишь инициирует цепную реакцию, скорость каталитического процесса, естественно, не пропорциональна концентрации катализатора. Влияние температуры, давления и перемешивания на скорость гомогеннокаталитических реакций аналогично общим кинетическим закономерностям гомогенных процессов. Основным недостатком гомогенного катализа является трудность выделения катализатора из конечной продукционной смеси, в результате чего часть катализатора теряется безвозвратно, а продукт загрязняется им.
41.Гетерогенные каталитические процессы.
При гетерогенном катализе твердыми катализаторами газовая или жидкая реакционная смесь легко отделяется от катализатора, и это служит одной из важнейших причин большого распространения гетерогенного катализа.
По фазовому признаку известны различные виды гетерогенного катализа: применяются жидкие катализаторы, ускоряющие реакции между несмешивающимися жидкостями или жидкостями и газами, и твердые катализаторы, ускоряющие реакции между жидкими и газообразными реагентами.
Большинство известных каталитических реакций - это реакции между газообразными реагентами с участием твердых катализаторов. При гетерогенном катализе, так же как и при гомогенном, реакция ускоряется в результате открытия нового реакционного пути, требующего меньшей энергии активации.
Различают два основных класса гетерогенно каталитических процессов и две основные группы катализаторов, отвечающих этим классам. К первому классу, называемому электронным катализом, относятся окислительно-восстановительные реакции. Катализаторами при электронном катализе служат проводники электрического тока - металлы и полупроводники. Ко второму классу, называемому кислотно-основным, или ионным, катализом, относятся реакции гидратации, дегидратации, аминирования, изомеризации, алкилирования и т. п.
Скорость каталитического процесса и производительность катализатора, т.е. количество продукта в единицу времени с единицы объема катализатора, возрастают с увеличением удельной поверхности последнего.
В общем случае процесс катализа на твердых пористых катализаторах складывается из следующих элементарных стадий:
диффузия реагирующих веществ из ядра потока к поверхности зерен катализатора; диффузия реагентов в порах зерна катализатора;
активированная адсорбция (хемосорбция) на поверхности катализатора с образованием поверхностных химических соединений - активированных комплексов, реагенты - катализатор;
перегруппировка атомов с образованием поверхностных комплексов: продукт-катализатор;
десорбция продукта с поверхности;
диффузия продукта в порах зерна катализатора;
диффузия продукта от поверхности зерна катализатора в ядро потока.