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?

⇐ Предыдущая37383940414243444546Следующая ⇒

Поделиться: