Химическая технология, ч. 1. - Гончаров А.И
Скачать (прямая ссылка):
Ефективність математичного моделювання на обчислювальних машинах полягає в тому, що вони не тільки значно прискорюють розрахункові роботи, а й відкривають нові можливості в галузі досліджень. З виникненням ЕОМ створились якісно нові засоби складання реальних математичних моделей і здійснення математичного експерименту.
ЕОМ поділяються на два класи — аналогові обчислювальні машини (AOM) і цифрові обчислювальні машини (ЦОМ). Перевагою AOM є велика швидкість розв'язування завдань, безперервна дія і простота підготовки завдання для введення його в машину. Ці машини дають можливість знаходити кінцевий результат розв'язку і моделювати хід самого процесу з часом відповідно до його справжнього перебігу в фізичному об'єкті.
Для математичного моделювання каталітичних та інших складних процесів найчастіше застосовують ЦОМ Це машини дискретної (перервної) дії. При моделюванні на папері виводиться сукупність чисел, що відображають кінцевий результат перебігу процесу Уявлення про зміну внутрішніх зв'язків між фізико-хімічнимн величинами під час розв'язування дістати неможливо. Однак ЦОМ дають високу точність розв'язку, їх можна застосовувати для дослідження найскладніших об'єктів.
РОЗДІЛ V
Фізико-хімічні основи хімічної технології
Для того щоб досягти високої продуктивності виробництва, треба оволодіти методами впливу на основні фактори, які характеризують раціональність ведення хіміко-технологічних процесів — рівновагу і швидкість хімічних процесів.
§ 1. ХІМІЧНА РІВНОВАГА В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ
Хімічні процеси поділяються на оборотні і необоротні. Хімічні реакції залежно від умов можуть відбуватись як в прямому, так і в зворотному напрямі. У виробничих умовах більшість реакцій відбуваються необоротно, тобто лише в одному напрямі. f В гетерогенних системах оборотними будуть такі процеси, в яких е можливість переходу речовини або тепла з однієї фази в іншу і навпаки.
Всі оборотні хіміко-технологічні процеси намагаються досягти рівноваги, тобто такого стану, коли швидкості прямого і зворотного процесів стають однаковими. Внаслідок цього співвідношення концентрацій компонентів у системі будуть незмінними доти, поки не зміняться зовнішні умови. З умов, що впливають на стан рівноваги, найбільше практичне значення мають зміщі^нцентрації, температури і тиску. При зміні цих параметрів рівновага порушується і в системі самочинно відбуваються дифузійні і хімічні процеси, які ведуть до встановлення рівноваги в нових умовах. Відповідно до другого закону термодинаміки однією з умов хімічної рівноваги в ізольованій системі є максимум ентропії 5. Дальший прирост ентропії, обов'язковий для всіх самочинних процесів у стані рівноваги, не відбувається, тобто dS = 0.
Другий закон термодинаміки дає можливість визначити напрям, в якому при даних умовах може самочинно відбуватись взаємодія в досліджуваній системі, а також межі такого (самочинного) перебігу процесу, тобто стан рівноваги. Звідси можна визначити можливий вихід потрібного продукту в певних умовах. На основі другого закону термодинаміки можна встановити, як зміна зовнішніх умов (температура, тиску тощо) впливає на стан рівноваги і, отже, що особливо важливо для практики, якими мають бути ці зовнішні умови, щоб цей процес міг відбуватись самочинно в потрібному напрямі з оптимальними результатами.
Якісно вплив основних параметрів технологічного режиму на рівновагу в гомогенних і гетерогенних системах визначається принципом ле Шательє, відповідно до якого в системі, виведеній із стану рівноваги, відбуваються зміни, спрямовані до послаблення дій що виводять систему з рівноваги.
Для прикладу розглянемо застосування принципу ле Шательє до екзотермічної реакції синтезу, яка лежить в основі багатьох промислових процесів
тА + пВ ї± pD + q1 (29)
де т, п, р— кількість молів речовини А, В, D; Q — тепловий ефект.
Якщо речовини газоподібні, то т, п, р замінюють на V (об'єм речовин). Якщо реакція відбувається зі зменшенням об'єму, то
Найважливіші фактори, що впливають на кількість утворюваного продукту, такі: температура і, тиск_дХконцевтрація~(епіввідношення в реакційному об'ємі) реагуючих компонентів с а, св, cd. Для зміщення рівноваги вправо, тобто збільшення виходу продукту (збільшення рівноважного виходу) за принципом ле Шательє потрібно знижувати температуру t і концентрацію Cd, тобто виводити продукт із сфери ,реакції, а також збільшувати тиск, р і кількість вихідних речовин ,Ca і Cb (якщо реагують гази). При підвищенні Ca настане більш повне перетворення речовини В, і, навпаки, збільшення св сприяє повнішому перетворенню речовини А.
Ці залежності часто використовують в промисловості. Кількісно рівновага процесів вимірюється константою рівноваги. В фізичній хімії константа рівноваги визначається як величина термодинамічна, але її можна розрахувати також за законом діючих мас, відповідно до якого швидкість хімічної реакції в даний момент прямо пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин. Для визначення умов гомогенних реакцій треба знати константи рівноваги і початкові концентрації реагуючих речовин. Якщо реакція відбувається в гетерогенній системі, що складається з газоподібних і твердих (або рідких) речовин, то рівновага фактично визначається лише концентрацією газів. Законом діючих мас і рівнянням ізотерми реакції в технології широко користуються для визначення виходів продуктів процесу, для з'ясування, в якому напрямі і до якої межі відбуватиметься реакція при заданому кількісному складі вихідної реагуючої суміші. Оскільки закон діючих мас і рівняння ізотерми грунтуються на рівнянні Менделєєва — Клапейрона (pV = nRT), то він справедливий тільки для ідеальних газів і безмежно розбавлених розчинів, а практично— для розріджених газів і розбавлених розчинів. Якщо гази реальні (стиснуті), в рівняння константи рівноваги замість парціальних тисків треба підставляти величини леткості (фугітивності) реагуючих речовин, а для концентрованих розчинів — концентрації замінювати на активності. Закон діючих мас можна розглядати як математичну модель хімічної рівноваги.
