Химическая технология, ч. 1. - Гончаров А.И
Скачать (прямая ссылка):
Визначення ступенів вільності і встановлення їх фізичної суті (тобто з'ясування, при яких фізико-хімічних умовах можна досягти зміни стану рівноваги системи) має велике значення при проведенні технологічного процесу.
З правила фаз випливає, що чим більшадільюсть фаз при Ааній_ кількості компонентів, тим менше ступенів вільності в системі, тобто тим менше змінюватиметься система^ Важливо, що правило фаз однаковою мірою стосується «фізичних» і «хімічних» рівноваг і обмежується даними, пов'язаними з кількістю компонентів і фаз, незалежно від молекулярної складності рівноважної системи.
У технології рівноважні багатокомпонентні системи часто зображують у вигляді плоских і просторових діаграм стану, в яких одна з властивостей системи, наприклад температура плавлення або температура кипіння, визначається як функція складу. Діаграми стану, які будують на основі експериментальних даних, дають повне уявлення про рівноважний стан системи.
Якщо час, потрібний для досягнення рівноважного стану хімічної реакції, дуже великий, то процес закінчують раніше, ніж досягнуто рівноважний стан. Рівноважною діаграмою користуються лише як показником тієї межі, до якої можна було б дійти при певних фізико-хімічних умовах. За останні роки розроблено методи вивчення так званих «ізохрон» і «поліхрон» системи, тобто діаграм «склад—властивість», залежно від часу. В тих випадках, коли виробничі процеси не досягають рівноваги, ці кінетичні дані мають велику практичну цінність
§ 2. ШВИДКІСТЬ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Швидкість реакцій має дуже велике значення для досягнення максимальної продуктивності і економічної ефективності виробництва. Вона обумовлює майже всі показники, що впливають на розміри і продуктивність апаратури. Швидкість технологічного процесу е сумарною величиною швидкостей прямої, зворотної і побічних реакцій, а також дифузії вихідних речовин у зону реакції і продуктів реакції з цієї зони.
За розглянутими закономірностями рівноваги можна визначати лише максимально можливі теоретичні виходи продукту. У виробни/ чих процесах звичайно його досягти неможливо, оскільки сумарна швидкість процесу з наближенням до рівноваги значно зменшується завдяки зниженню концентрації вихідних речовин.
У зв'язку з тим що на швидкість хімічних процесів впливакоть різноманітні фактори і навіть незначні домішки, які можуть бути в сировині, результати розрахунків на основі законів і положень хімічної кінетики часто значно розходяться з даними виробництва.
Вивчаючи швидкість хіміко-технологічного процесу, насамперед треба розчленувати його на прості складові частини (стадії) і встановити, як відбувається процес за стадіями — гомогенно чи гетерогенно.
Швидкість процесу в цілому визначається швидкістю найбільш повільної його стадії. Тому вивчення кінетики окремих стадій процесу дає змогу встановити, на яку саме з них треба перш за все звернути увагу, щоб прискорити процес в цілому.
Більша частина гетерогенних (некаталітичних) пронесів відбувається наоагато повільніше, ніж гомогенних. У промисловій практиці поширені реакції в Таких Системах: рідина—рідина (P—Р), рідина — тверда фаза (P — Т), рідина — газ (P — Г), газ — газ (Г — Г), газ — тверда фаза (Г — Т), газ — рідина — тверда фаза (Г — P — T) та тверда фаза — тверда фаза (T — T).
Практично в промисловості гомогенні середовища зустрічаються дуже рідко. У всякій, навіть хімічно чистій речовині, є якась частка 'домішок, що перебувають в іншій фазі. Тому лише умовно можна вважати гомогенними ті виробничі процеси, які відбуваються у газо-додібному^б^_Г2Іджіщ стані. Оскільки в гомогенних системах реакції відбуваються швидше, ніж в гетерогенних, в технології намагаються хоча б деякі стадії гетерогенних процесів здійснювати у гомогенній системі. Ця закономірність не поширюється на гетерогенні каталітичні процеси, багато з яких відбуваються з дуже великою швидкістю
Швидкість гомогенних реакцій залежить від концентрації і температури реагуючих речовин, застосування каталізаторів та інших факторів. Швидкість гетерогенних процесів, крім того, залежить від розміру поверхні контактування реагентів, динамічного її розвитку, швидкості дифузії тощо.
У гетерогенних системах, які складаються з двох або більше фаз, реагуючі компоненти перебувають у різних фазах, тому під час гетерогенних процесів речовини переходять через поверхню поділу фаз.
Для прискорення хімічних процесів широко використовуються такі фізико-хімічні і технічні засоби: збільшення концентрації реагентів, вивід кінцевих продуктів зі сфери реакції, встановлення оптимального температурного режиму, збільшення поверхні дотику реагентів та застосування каталізаторів.
ЦПвидкість реакції визначається кількістю добутої речовини за одиницю часу. На початку процесу це досить значна величина, яка при наближенні до стану рівноваги зменшується і прямує до нуля.
Рис. 5. Кінетика процесу.
Відповідно до закону діючих мас (р, t — G>Xf = const) в ізольованій системі кількість G продукту, що утворюється, змінюється з часом зйвисхідною логарифмічною кривою / (рис. 5). За аналогічною кривою змінюється і вихід продукту х. Швидкість реакції и, що виражається кількістю продукту, добутого за одиницю часу (крива, що спадає); на початку процесу досить велика, а через деякий час — дуже падає. При наближенні до рівноваги або при зниженні концентрації вихідних речовин в необоротних процесах швидкість реакції і рушійна сила Ac прямує до нуля.
