ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені «жалпы химиялық технология» 5В072000 – «Бейорганикалық заттардың химиялық технологиясы» мамандығы ушін ОҚУ-Әдістемелік материалдар

Мазмұны:

2. ХТЖ-ң жылулық балансі

1. ХТЖ күйі немесе режимі ағындардың (байланыстардың) параметрлерімен және аппарат (элементтер) күімен сипатталады. Ағын параметрлері бұл ағын жайлы химиялық, физика химиялық және физикалық ақпараттар. Күй параметрлері: бірлік уақыттағы ағын мөлшері (шығын), фазалық құрам, химиялық құрам, температура, қысым, жылу мөлшері. Қасиеттер параметрлері: жылу көлемі, тығыздық, тұтқырлық және т.б.

ХТЖ есептері – ХТЖ де берілген элементтер және ағындар параметрлерін анықтау. ХТЖ элементіндегі, ХТЖ жүйелігіндегі немесе бүкіл ХТЖдегі ағындар күйінің кез келген өзгерісінде масса және энергия сақталу заңы орындалу керек.

Материалдық баланс ХТЖ-ның кез келген есептерінде қажет. Ол әрбір комоненттің мөлшерін, яғни өнімділігің, қоспа шығымын, қалдық мөлшерін есептеуге мүмкіндік береді.

Технологиялық процесс мына схема арқылы жүрсін делік

mM + fF + dD → еЕ + lL + ∆Н_х.р. , (а)

мұнда М, F, D — бастапқы шикізат; Е және L — негізгі және қосымша өнімдер; m, d, f, e, l — стехиометриялық коэффици­енттер; ∆H_х._р. — химиялық реакцияның жылу эффектісі.

Материалдық балансты әдетте дайын (негізгі) өнімнің масса бірлігіне қурайды. Онда материалдық баланс теңдеуі мынаған тең болады.

G_M + G_F + G_D = G_E + G_L + G_п (1)

Мұнда G_п — шикізаттың және дайын өнімнің өндірілмейтін шығындары, олар химиялық ауысулардың толық еместігіне негізделген, сондай ақ шикізатты және дайын өнімді сақтау және тасымалдау кезіндегі механикалық шығындарға негізделген.

Барлық материалдық есептеулер жалпы кестеге жазылады.

2. ХТП үшін материалдық баланстан басқа жылулық баланста қуралады. Жылулық баланс теңдеуі: _ (2) немесе _ (3).

Жылулық баланс үшін энергияның сақталу заңы: элементке немесе ағынға кірген жылу _ сол элементтегі немесе ағындағы жылу шығынына тең болу керек. Жылулық балансты материалды баланс нәтижесі бойынша реакциялардың жылу эффектісін және физикалық ауысуларды ескере отырып есептейді. Есептеу үшін келесі теңдеуді қолданады: _, (4) мұнда _, _, _ - элементке қатты, суйық және газ тірізді заттарымен енгізілген жылу мөлшері; _ - элементтен өнімдерімен және жартылай өнімдерімен және әрекеттеспей қалған қатты, суйық және газ тәрізді заттармен бірге бөлініп шыққан жылу мөлшері; _ және _ - жылуды бөле және сіңіре жүретін физикалық процесс жылуы; _ және _ - экзо және эндотермиялық реакциялардың жылуы; _ және _ - аппаратқа сырттан енгізілетін жылу және қоршаған ортаға жоғалатын жылу.

Аппаратқа кірген және шыққан әрбір зат үшін _, _, _, _ шамаларын мына формула бойынша , есептейді, мұнда G — материал массасы; — материалдың орташа жылу сиымділіғы; t — температура.

Аппараттағы физикалық процесстердің қосынды жылуы мына теңдеу мен сипатталады _, (5) мұнда G₁, G₂, G₃ – берілген аппаратта фазалық ауысуға ұшыраған қоспа компоненттерінің көлемі; r₁, r₂, r₃ – фазалық ауысу жылуы (конденсация, кристаллдау, еріту және т.б.). Теңдеудің оң жақтағы мүшелері аппаратта өзінің фазалық күйін өзгерткен жеке компоненттердің санына сәйкес келу керек.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. ХТЖ-ң материалдық балансі қалай есептеледі?

2. ХТЖ-ң жылулық балансі.

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Общая химическая технология: в 2-х ч.,/под ред. И.П. Мухленова. М:1984.
   
2. 
   Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.
   
3. 
   Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.
   
4. 
   Вольфкович С.И. Общая химическая технология. М: 1959
   
5. 
   Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.
   

Мазмұны:

2. ХТЖ процесстерін ұйымдастырудың эффективтілік бағасы.

1. ХТЖ талдауі бұл ХТЖ күйі, оның эффективтілік көрсеткіштері жайлы мағлумат алу. Сонымен қатар, талдаудың мақсаты осы ақпараттарға химиялық схема, технологиялық байланыстар құрылысы, элементтер қасиеттері мен күйі, эксплуатация шарттарының әсерін зерттеуі болып табылады. ХТЖ талдауі жаңа химиялық өндірісті жасауда және жоспарлауда, жұмыс істеп турған өндіріс эксплуатациясы, өндіріс модернизациясы және реконструкциясы кезінде жүзеге асырылады.

Шикізатты қолданудың негізгі көрсеткіші болып шығын коэффициенті табылады. Ол өндірісте өнім бірлігіне шығындалған шикізат мөлшерін көрсетеді. Теориялық және практикалық шығын коэффициенттерін (шығын коэффициенті) ажыратады. Теориялық шығын коэффициенті бастапқы заттар өнімге толық айналған кезінде стехиометриялық теңдеу бойынша еспетеледі. Теориялық және практикалық шығын коэффициенттерінің қатынасы шикізатты пайдалану дәрежесін көрсетеді.





Шығын коэффициенттердің мәндері проекті және есеп беру документацияға кіреді. Шығын коэффициенттерін тек шикізатқа ғана емес, басқа да компоненттер – қосымша материалдар, энергияның барлық түрлері бойынша анықталады.

Энергия көздері болады: жағармай энергиясы Q_{жағармай}, электроэнергия Q_эл, шикізат жылуы Q_шик, қосымша материалдар энергиясы Q_мат, сондай ақ экзотермиялық реакциялар Q_экз. Олардың қосынды мөлшері – энергия тұтынуы немесе шығыны Q_шығ. Жүйеден энергия өнім ағындарымен Q_өн, өндіріс қалдықтарымен Q_қалд, энергетикалық ағындармен Q_эн шығарылады, эндотермиялық реакцияларды жүргізу үшін жұмсалады Q_энд және табиғи жолмен Q_ағын жоғалады. Шыққан энергетикалық ағындардан пайдалы қолданатын Q_эн. Ол қазан утилизатор буы, турбиналар және электрогенераторлар энергиялары түрінде қолданады. ХТЖнің энергетикалық эффективтілігін жылулық пайдалы әрекет коэффициенті ПӘК – η_жыл: _ (1). ПӘК бұл пайдалы жұмсалған жылудың оның қосынды мөлшеріне қатынасы: _ (2)

где _ - технологиялық мақсаттарда пайдалы жұмсалған жылу; α₁, α₂ – ХТЖ ішінде және одан тыс жұмсалған және ХТЖ элементтерінде генерирленген екіншілік қорлардың жылу бөлігі; _ – ХТЖнің k-ші энергетикалық элементте генерирленген екіншілік энергоқорлардың жылуы; _ – ХТЖ ішінде қолданылған екіншілік энергоқорлардың жылуының КПД түрленуі; _ – ХТЖнің i-нші элементте технологиялық мақсаттарда қолданған жағармай шығыны; _ – жағармай жануының төменгі жылуы; _ – ХТЖнің р элементтегі экзотермиялық және физикалық айналымдарда бөлінетін жылу; _ – ХТЖнің j-нші элементке энергия тасымалдаушымен келтірілген жылу.

2. Мұндай сипаттама үшін ХТЖ процессінің режимі қаншалықты теориялыққа жақын екендігін және қаралып отырған ХТЖ қаншалықты экономикалық ақтағанын анықтау керек.

ХТЖнің шекті эффективтілігі – бұл хт процесстің құндылық шарттарын алу кезінде шикізат конверсиясы мен селективтілігі максимальді мүмкін мәнге жеткендегі жүйе эффективтілігі, берілген химиялық схемада шикізат айналуына негізделген. Мысалы, кумолдың α-метилстиролға айналуы:

Кумолдан альфа-метилстиролдан басқа бензол, толуол, стирол, метан, этилен, пропилен түзіледі. Қосалқы өнімдер процесс селективтілігін төмендетеді. Теориялық мүмкін айналу дәрежесі мен селективтілік х_т = 0,99 и S_т = 0,98. Өндірістегі кумол конверсиясы х_д = 0,5 ал селективтілік S_д =0,9. Эффективтілік коэффициенті: _ . Жоғары активті катализаторлар қолдану керек.

Келтірілген шығындар бұл өнім өндірісінде кеткен шығындар. Өнімнің өз құндылығы келтірілген шығындарды, еңбек ақысын және қосымша цехтік және зауыттық шығындарды құрайды. Өнім бағасы мен өз құндылық айырмасы бұл кіріс. Кірістің өз құндылыққа қатынасы – өндіріс рентабельдігі.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. ХТЖ-ң материалдық балансі қалай есептеледі?

2. ХТЖ-ң жылулық балансі.

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Общая химическая технология: в 2-х ч.,/под ред. И.П. Мухленова. М:1984.
   
2. 
   Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.
   
3. 
   Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.
   
4. 
   Вольфкович С.И. Общая химическая технология. М: 1959
   
5. 
   Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.
   

Мазмұны:

2. Өнеркәсіптік процестің құрылуының бағыттары.

1. ХТЖ синтезі немесе құрулуі негізгі ХТЖ функционирленуін қамтамасыз ететін технологиялық операциялармен олардың реттілігін анықтауға, аппараттар таңдауға және олардың арасында байланыс орнатуға, жеке аппараттармен жалпы жүйе технологиялық режим параметрлерін анықтаңға негізделген.

Екі процесті құрастырады – ғылыми (жаңа білім алу) және инженерлік (құрастыру және жаңа инженерлік өндіріс үйімдастыру).

Инженер-технолог альтернативті шешімдерді талқылаудан және функциональді схемаларды қарастырудан бастайды. Одан кейін аппаратуралық шешімдерді зерттеп, құрастыруды саңдық шешімдермен толықтырады. Сонында инженер-технолог экспертиза жүргізеді. Егер дұрыс шешімге жетсе, детализация жүргізеді, егер жетпесе жаңа шешім ізделеді, құрамы, аппараттардың және түйіндердің үйлесімділігі өзгереді. Кейде ХТЖ құрылысы өзгереді, өңдірістің жаңа әдісі құрастырылады.

Өнеркәсіптік процесс жүргізудің негізгі этаптары 2 суретте көрсетілген.

Жалпы бағытталуы бойынша инженерлік процесспен ұқсас. Схемада ғылыми зерттеу жұмыстар (ҒЗЖ) және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстар (ОКЖ) бөлімдері көрсетілген.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. ХТЖ-і синтездеу мақсаты?

2. Өнеркәсіптік процесс жүргізудің негізгі этаптары.

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Общая химическая технология: в 2-х ч.,/под ред. И.П. Мухленова. М:1984.
   
2. 
   Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.
   
3. 
   Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.
   
4. 
   Вольфкович С.И. Общая химическая технология. М: 1959
   
5. 
   Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.
   

Мазмұны:

2. Химиялық процестердің тепе-теңдігі

Химиялық процесс жылу, масса және импульс тасымалдануымен жүретін бір немесе бірнеше химиялық реакциялар, олар бір біріне сондай ақ химиялық реакция жүруіне әсер етеді.

Химиялық процесстер жіктелуі

Гомогенді және гетерогенді жүйелердегі тепе тендікке технологиялық режимнің негізгі параметрлерінің сандық әсері Ле-Шательепринципімен анықталады.

Мысалы, төменгі экзотермиялық реакцияға Ле Шателье принципінің қолдануын қарастырайық:

aA + bB ↔ dD (-∆H) (1)

мұнда a, b, d – стехиометриялық коэффициенттер; ∆H-тұрақты қысымда реакцияның жылулық эфектісі.

Тепе тендік константасы тұрақсыз тепе тендікті сандық өлшеуіне негізделген. (1) реакция үшін тура реакцияның жылдамдығы: u₁ = k₁ [A]^a[B]^b (2), ал кері реакцияның жылдамдығы u₂=k₂[D]^d (3), мұнда k₁, k₂ – тура және кері реакцияларының жылдамдық константалары; [A], [B], [D] – берілген уақыт мезгіліндегі әрекеттесуші компоненттердің молярлы концентрациялары (немесе парциалды қысымдар). Тепе теңдік тұрақтысы - тұрақты температурада және тепе теңдік жағдайда реакция өнімдерінің әсер етуші салмақтарының көбейтіндісінің бастапқы заттардың әсер етуші салмақтарының көбейтіндісіне қатынасы тұрақты шама, яғни u₁=u₂ болғанда k₁[A]^a[B]^b =k₂[D]^d (4), осыдан K=k₁/k₂=[D]^d/[A]^a[B]^b (5), мұнда [A], [B], [D] – тепе теңдік жағдайында әрекеттесуші компоненттердің концентрациялары немесе парциалды қысымдар. Газдар үшін К әрекеттесуші заттардың парциалды қысымдар р паскальдармен, компоненттердің концентрациялары С (моль/л) және олардың мольдік үлесі N арқылы көрсетуге болады. Сәйкесінше К_р, К_с, К_N шамаларын есептейді.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. ХП-дегі тепе теңдік. Ле Шателье негізі.

2.Химиялық процестердің тепе теңдік тұрақтысы

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Общая химическая технология: в 2-х ч.,/под ред. И.П. Мухленова. М:1984.
   
2. 
   Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.
   
3. 
   Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.
   
4. 
   Вольфкович С.И. Общая химическая технология. М: 1959
   
5. 
   Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.
   

Мазмұны:

2. Біртекті реакцияның жылдамдығына концентрация, температура, қысымның әсері

1. Біртекті процестер біртекті ортада, яғни бөліну беті болмайтын сұйық немесе газды қоспаларда жүреді. Біртекті ортада көптеген процестер тізбекті механизм бойынша жүреді: тотығу, көмірсутектердің полимеризациясы және пиролизі, көмірсутектерді галогендеу, хлорсутекті элементтерден синтездеу және т.б. Реакцияның көбі бірнеше сатыда жүреді. Реакцияның жалпы жылдамдығы әдетте ең жәй жүретін сатының жылдамдығымен анықталады.

Реакцияның реті дегеніміз кинетикалық теңдеудегі әрекеттесуші заттардың концентрациясының дәреже көрсеткіштерінің жиынтығы. Реакциялар реті бойынша нольдік, бірінші, екінші, үшінші және үлесті болып бөлінеді.

Реакцияның молекулалығы дегеніміз реакциясының жалпы теңдеуінің стехиометриясы бойынша әрекеттесетін молекулалардың жалпы саңы. Молекулалығы бойынша реакция бір, екі және үшмолекулалы болып бөлінеді.

Бірмолекулалы реакцияға ішкімолекулалық қайта топтану реакциялары А → D (изомеризация, инверсия) және ыдырау реакциялары A → D + R жатады.

Екімолекулалы реакциялар қосып алу А + А → А • А немесе А + В → АВ, ыдырату 2А → D + R және орын басу (алмасу) А + ВС → АВ + С немесе АВ + CD → АС + BD реакцияларына бөлінеді.

Үшмолекулалы реакциялар өте сирек кездеседі, әдетте олар бірнеше саты бойынша жүреді. Үшмолекулалы реакцияларға қосып алу, алмасу, қайта құрылу реакциялары жатады, яғни

ЗА → D; 2А + В → D + R и A + B+C→D+R+…

2. Әрекеттесуші заттардың концентрациясының әсері

Жалпы түрде химиялық реакцияның жылдамдығына концентрацияның әсері мына теңдеумен сипатталады:

u = k∆C (1),

жылдамдық u өнімнің салмағының G реакциялық көлем бірлігіндегі концентрациясының немесе айналдыру дәрежесінің х уақыт аралығында өзгеруі бойынша көрсетілуі мүмкін: (2), (3) немесе (4) , мұнда ∆ С реакцияның ретіне, оның қайтымдылығына және араластыру дәрежесіне байланысты әртүрлі жолымен анықталады.

Жалпы түрде қарапайым қайтымсыз реакцияның кинетикалық теңдеуі әрекеттесуші салмақтар заңы бойынша мынадай түрде көрсетіледі (аА+ bB →өнімдер):



Егер реагенттердің концентрациясын уақыт аралығындағы айналдыру дәрежесі арқылы көрсетсек, онда бірінші ретті қайтымсыз реакцияның жылдамдығы мына теңдеумен анықталады:

Бірінші ретті қайтымды реакцияның кинетикалық теңдеуі күрделі болады, себебі ол тура және кері реакциялардың жылдамдығын ескереді. Мысалы, тиоционат және тиомочевина айналымдарын NH₄SCN ↔ (NH₂)₂SC жалпы түрде былай көрсетуге болады . Бұл реакция бір мезгілде тура және кері реакциялардың жылдамдықтарының айырмасына тең болады. Ал бұл реакциялардың әрқайсысы бір молекулалы болып табылады. Идеалды ығыстыру реакторы үшін жылдамдық теңдеуінің түрі: (7). Тепе теңдік мезетінде dx/dτ=0, яғни тура және кері реакциялардың жылдамдығы тең болады. Сондықтан (8). Бұл теңдеуден жылдамдық тұрақтысы _ (9). Бұл теңдеуді қолданып К белгілі болған жағдайда тура және кері реакциялардың жылдамдық тұрақтыларын есептейді.

Екінші ретті қайтымсыз реакцияның А + В → С + D жылдамдығыда әрекеттесуші заттар А және Вң концентрациясына пропорционал. Ығыстыру реакторы үшін: (10).

Үшінші ретті реакцияның жылдамдығы үш әрекеттесуші заттардың А, В, D концентрациясына пропорционал. Реагенттер эквивалентті қатынаста алынған деп санасақ (11). Үшінші ретті реакциялардың жылдамдығы төмен болғандықтан тәжірибелік жағдайда өте сирек қолданады.

Қысымның жоғарлауы реагенттердің концентрациясының жоғарлауы сияқты газды реакцияларды жылдамдатады, себебі, қысымның жоғарлауымен компоненттердің ретінің өсуімен жоғарылайды.

Аррениус теңдеуіне сәкес температураның жоғарлауы біртекті реакцияларды жылдамдатады. Сонымен, барлық негізгі параметрлердің әсерін ескертетін процестің жылдамдығының теңдеуі: (12). Бұл теңдеуді процестің кинетикалық моделі деп атайды.

Температура жоғарылаған кезде дифузиялық процестерде үдейеді. Бірақ температураны жоғарлату тепе теңдік шарттарымен, жаңама реакциялардың пайда болуымен және басқада себептермен шектеледі. Барлық процестер үшін тиімді температура тағайындауға тырысады, бұл кезде қыздыруға кеткен шығындар процестің үдеуімен аяқталуы қажет.

Араластырусұйықтықтардағы диффузия жылдамдығы газдардағыға қарағанда ондаған және жүздеген мың есе аз. Ерітінділерді араластыру диффузиялық кедергінің төмендеуінің әсерінен процестің жалпы жылдамдығын өте көп жоғарылатады.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Біртекті процестер туралы жалпы түсінік. Мысалдар келтіріңіз

2. Реакцияның реті және молекулалығы

3. Біртекті процестердің жылдамдығы

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Общая химическая технология: в 2-х ч.,/под ред. И.П. Мухленова. М:1984.
   
2. 
   Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.
   
3. 
   Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.
   
4. 
   Вольфкович С.И. Общая химическая технология. М: 1959
   
5. 
   Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.