Кафедра органических и фармацевтических технологий
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Одесский национальный политехнический университет
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра органических и фармацевтических технологий
По курсу
“ Общая химическая технология ”
для студентов химико-технологического факультета
специальности 8.091.601 - «Технология органических веществ»
7.110204 " Технология фармацевтических препаратов"
Утверждено на заседании кафедры ОФТ
Протокол № 5 от 28 12 2006г
Одесса 2006 г.
Конспект лекций по курсу “ Общая химическая технология ” для студентов химико-технологического факультета специальности
8.091.601 - «Технология органических веществ»
8.110204 " Технология фармацевтических препаратов" / Сост. В.В.Лялин. - Одесса: ОНПУ. 2006. - с.
.
Составители: к.х.н., доц. Лялин Виктор Васильевич
Химические процессы
В химической технологии рассматривается совокупность физических и химических явлений, из комплекса которых и составляется технологический процесс. Изучение химико-технологического процесса ведут из двух позиций: создание самого процесса, т.е. разработки процесса и сооружение цеха (установки) для получения данного продукта и эксплуатации производства.
В настоящее время развитие производства идет в направлении внедрения автоматических методов контроля и регулирования технологическими процессами. В этом случае число химиков занятых вопросами эксплуатации будет сокращаться. Большее количество инженеров химиков будет связано с разработкой технологического процесса и его оформлением.
Процесс создания химического производства состоит из следующих стадий:
1. Разработка химико-технологического процесса.
2. Составление проектной документации.
3. Построение цеха.
В курсе ОХТ изучаются вопросы, посвященные главным образом решению первых двух задач.
2.1 Химико-технологический процесс - основные понятия.
Химико-технологический процесс состоит из следующих взаимозависимых элементарных стадий получения продуктов по реакции:
1. Подведение реагирующих компонентов в зону реакции происходит молекулярной диффузией или конвекцией. В двух или многофазных систем подвод реагирующих компонентов может происходить абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров растворением твердых веществ, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ.
На первой стадии протекают только физические процессы, поэтому исходный реагент А химически неизменным переходит на другую стадию.
2. Химические реакции - это второй этап химико-технологического процесса. В реагирующей системе проходит несколько последовательных (а иногда и параллельных) химических реакций, которые приводят к образованию основного продукта R, а также ряд побочных реакций, которые приводят к образованию побочного продукта S. Кроме того, обычно реакция не идет до конца и часть реагента А остается неизмененной.
В результате образуются продукты имеющие народнохозяйственное значение и отходы или отбросы т.е. продукты реакции которые не имеют значительной ценности и не находят достаточного применения. Побочные продукты и отходы производства могут образоваться при основной реакции наряду с целевыми продуктами, а также вследствие побочных реакций между основными исходными веществами и примесями. Обычно учитываются не все реакции, а лишь те из них, которые влияют на количество и качество продуктов.
3. Отвод продуктов из зоны реакции.
В третьей стадии химических превращений нет. Отвод реагирующих компонентов может происходить диффузией конвекцией и переходом вещества из одной фазы в другую.
Здесь происходит разделение продуктов: выделяется целевой продукт R, побочный S и исходный реагент А, который остался.
Общую скорость технологического процесса может лимитировать скорость одного из трех составных элементарных процессов, которая протекает медленнее других. Если медленнее всего идут химические реакции, и они лимитируют общую скорость, то процесс происходит кинетической области; в этом случае технологи стремятся усилить именно те факторы (концентрация исходных веществ, температура, катализаторы) которые влияют на скорость реакции. Если общую скорость процесса лимитируют подведение реагентов в зону реакции или отвод продуктов, то это значит, что процесс происходит в диффузной области. Скорость диффузии стремятся увеличить, прежде всего, перемешиванием, повышением температуры или переводом системы из многофазной в однофазную.
Для модельной реакции
Например,
движущая сила может выражаться по-разному в зависимости от соотношения констант скоростей прямой к1 и обратной к2 реакций т.е. от степени приближения к состоянию равновесия.
Если реакция необратима или протекает слева направо и находится в состоянии далеком от равновесия то скорость реакции:
Если реакция обратима и константа равновесия К имеет большую величину, то скорость суммарной реакции с учетом равновесных концентраций будает: 
Для тех же условий скорость реакции можно выразить разностью скоростей прямой и обратной реакции
где - CA,CB, CR- действительные концентрации веществ,
- равновесные концентрации веществ А и В.
Для расчетов движущая сила выражается через начальные концентрации реагирующих веществ и степень их превращения.
При приближении к состоянию равновесия движущую силу рассчитывают не по полным концентрациям а по разности действительной С и равновесной С*концентрации данного компонента т.е. как ( С- С* )n-где n – порядок реакции.
Для массопередачи в данный момент времени движущая сила рассчитывается как:
ΔС=С*
где С – действительная концентрация компонента в передающей фазе, например в газовой фазе при абсорбции) С*- равновесная концентрация в передающей фазе (например при абсорбции – парциальное давление поглощаемого компонента над раствором).
Рис 1. Изменение кинетических характеристик процесса во времени
Конкретный вид формулы для определения движущей силы процесса также во многом зависит от конструкции аппарата и в частности от перемешивания реагирующих веществ. Если в реакторах без перемешивания (идеальное вытеснение) или с незначительным перемешиванием концентрация реагирующих веществ или ∆С изменяется во времени по логарифмическому закону:
То в аппаратах c хорошим перемешиванием (полное смешение) концентрация реагирующих веществ и продуктов реакции близка к постоянной во всех точках реакционного пространства. Поэтому уравнение ΔС=С-С* применимо для определения движущей силы процесса в аппаратах полного смещения. Вычисление же ΔС для аппаратов идеального вытеснения невозможно так как С и С* в ходе процесса непрерывно меняются по логарифмическому закону.
Изменение концентрации компонентов различно в прямоточных, противоточных и перекрестных процессах, соответственно различны и формулы для вычисления движущей силы процесса.
Рис.2 Направление движения потоков в двухфазной системе.
Прямоток характеризуется движением реагирующих фаз в одном направлении, противоток – навстречу, а перекрёстный – под – углом друг к другу.
Характер изменения движущей силы для процессов близких к идеальному вытеснению приведен на рис.3:
Рис.3. Изменение концентраций при абсорбции компонента газовой смеси жидкостью в башне с насадкой: а — прямоток; б — противоток
Здесь Сн и Ск начальная и конечная концентрация абсорбируемого компонента в газе; С*н и С*к начальное и конечное равновесное парциальное давление абсорбируемого компонента над его раствором в жидкости. Эти концентрации и парциальные давления могут выражаться в различных единицах измерения: г/м3; моль/ м3; Па.
Движущая сила ΔС при прямотоке изменяется неравномерно во времени, которое определяется длиной пути совместного движения реагентов в аппарате.Для данного случая ΔС велика на входе и стремится к нулю на входе.
Таким образом, и скорость процесса при прямотоке различна в различных точках аппарата. Этим объясняется большая неравномерность процессов при прямоточном движении, по сравнению с противоточным. При противотоке движущая сила процесса входе его изменяется меньше. Если для прямотока при одном и том же значенииΔС в конце процесса С*к< Ск, то при противотоке С*к >Ск, а это значит, что при противотоке выход продукта значительно больше. Прямоток же применяют вынуждено. Например, при сушке огнеопасных материалов т.к. при соприкосновении высушенного материала с горячим газом (что могло быть при противотоке) возможно воспламенение или взрыв.
Как видно из рис.3 концентрации реагирующих веществ при прямо- и противотоке изменяются в течении процесса по логарифмическим кривым. Соответственно средняя движущая сила процесса ΔСср вычисляется как средне логарифмическая из начальной ΔСн и конечной ΔСк движущей силы.
(30)
Для процесса абсорбции при прямотоке
(31)
При противотоке 
(32)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Одесский национальный политехнический университет
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
кафедра органических и фармацевтических технологий
По курсу
“ Общая химическая технология ”
для студентов химико-технологического факультета
специальности 8.091.601 - «Технология органических веществ»
7.110204 " Технология фармацевтических препаратов"
Утверждено на заседании кафедры ОФТ
Протокол № 5 от 28 12 2006г
Одесса 2006 г.
Конспект лекций по курсу “ Общая химическая технология ” для студентов химико-технологического факультета специальности
8.091.601 - «Технология органических веществ»
8.110204 " Технология фармацевтических препаратов" / Сост. В.В.Лялин. - Одесса: ОНПУ. 2006. - с.
.
Составители: к.х.н., доц. Лялин Виктор Васильевич