Дәріс 15 – Әртекті химиялық процестер

Мазмұны:

2. «газ - қатты» жүйесіндегі әртекті процесс

1. Әртекті процестер екі немесе оданда көп әрекеттесуші күйлердің болуымен сипатталады, сондықтан олар заттардың күйлердің бөліну беті арқылы тасымалдануымен жүреді. Бұл жағдайда күйаралық салмақтасымалдау жеке процесс болуы мүмкін немесе әрекеттесуші компоненттердің химиялық айналдыруымен бірге жүруі мүмкін.
Әртекті процестердің тепе тендігі мен жылдамдығы көптеген айнымалылардың функциясы болып табылады, сондықтан әртекті процестерді сандық түрде сипаттау өте күрделі. Қарапайымдылық үшін процестерді сатыға бөліп қарастырады. Алдымен ең жәй жүретін сатыны (диффузия немесе химиялық реакция) анықтап, оны математикалық сипаттайды. Содан кейін бүтін процесті сипаттайды. Мұндай әдіс диффузия мен химиялық реакцияның жылдамдықтары әртүрлі болғанда қолданылады. Ал басқа жағдайда осы екі факторды ескеру қажет, сондықтан кинетикалық теңдеу өте күрделеніледі.

Әртекті химиялық процестердегі тепе тендік біртекті процестердегідей дайын өнімнің шығымын анықталады. Әртекті процестердің тепе тендігіне температура, қысым, әрекеттесуші заттардың концентрация және т.б. әсер етеді. Күйлердің тепе тендігі күйлер ережесімен анықталады.

2. Г-Қ жүйесіндегі процестердің жылдамдағын зерттеу әрекеттеспеген дәні бар сфералық бөлшектің моделінің негізінде қарастырылады. Бұл модельге сәйкес химиялық реакция қатты бөлшектің бетінде жүреді, содан кейін бөлшектін ішіне еңеді. Нәтижесінде оның бетінде реакция өнімдерінің қатты, кеуекті қабаты («күл») пайда болады. Процестің негізгі сатылары:

1. 
   Газды реагенттің газ ағынынан қатты бетке диффузиясы;
   
2. 
   Газды реагенттің «күл» қабаты арқылы ішкі диффузиясы;
   
3. 
   Қатты реагенттің бетіндегі химиялық реакция;
   
4. 
   Газды реакция өнімдерінің «күл» қабаты арқылы диффузиясы.
   
5. 
   Газды өнімдердің газ ағынының дәніне сыртқы диффузиясы.
   



Газды шекаралық жұқа қабат арқылы сыртқы диффузия сатысы жүретін болса, процестің жылдамдығы мына теңдеумен өрнектеледі: _ (2), бұл жерде G_A және G_B – реагенттердің мөлшері, моль немесе кг; b – қатты заттың 1 молімен немесе 1 кг әрекеттесетін газдың моль саны; F_б – қатты бөлшектің бастапқы беті (_, себебі оның пішімі сфералы).

Газды реагенттің реакция өнімдерінің қабаты арқылы ішкі диффузиясы жәй жүргенде, процестің жылдамдығы Фика заңына сәйкес мына теңдеумен өрнектеледі: _ (3), бұл жерде r_i – τ уақытындағы әрекеттеспеген дәннің радиусы, D – заттының диффузия коэффициенті.

Химиялық реакция сатысы жәй жүргенде, процестің жылдамдығы мына теңдеумен өрнектеледі: _ (4), бұл жерде _ - химиялық реакцияның жылдамдығы; k – химиялық реакцияның жылдамдық тұрақтысы.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Әртекті процестер және олардың түрлері

2. Әртекті процестердің жалпы жылдамдығы

3. Г-Қ жүйесіндегі әртекті процестің 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.
   

Мазмұны:

2. Г-С жүйесінде жүретін процестерді үдету тәсілдері

С - Г жүйесіндегі тепе-теңдік күйлер ережесімен, үлестіру заңымен және сұйық күйдегі химиялық реакциялардың тепе теңдігі тұрақтылығымен анықталады. С-Г екікүйлі жүйелерде тепе-теңдік «құрам қасиет» түріндегі күйлі диаграммалармен суреттеледі.

Г-С жүйесіндегі процестердің жылдамдығына абсорбция және десорбция мысалында қарастырылған ыңғайлы. Диффузиялық аймақта, процестің жалпы жылдамдығын және реактордың өлшемдерін диффузиялық саты анықтаған кезде, жалпы кинетикалық теңдеудің түрі: _ (1) немесе _ (2), бұл жерде Р және _ - сіңірілетін компоненттің нақтылы және сұйықтықпен тепе теңдік парциалды қысымы, С және _ - ерітілген компоненттің сұйықтықтағы нақтылы және газбен тепе теңдік концентрациясы, _ және _ - газдың парциалды қысымы немесе сұйықтықтың концентрациясы бірлігінде көрсетілген массатасымалдау коэффициенттері.

Абсорбция-десорбциялық процестерді моделдеу және есептеу кезінде критерилі теңдеулер қолданылады. Анықтаушы ретінде массатасымалдау коэффициентінің шамасы қолданылады, мысалы Nu=f(Re, Ga, Pr, Г), бұл жерде Ga=gl³/ν² – Галилей критериі; Nu_д= kl/D, — Нуссельт критериі; Re = wl/ν — Рейнольдс критерийі; Рr_д = ν/D — Прандтлдің жылулық критериі; D – диффузиялық коэффициент, w — ағынның жылдамдығы; ν — тұтқырлықтың кинематикалық коэффициенті, l — сызықты сипаттамалы сызықтық өлшем, k – реакцияның жылдамдық тұрақтысы, Г – аппараттың геометриялық өлшемдері.

Турбулентті ережеде анықтаушы ретінде әрекеттесу критериі (Маргулис) қолданылады: Ma=k/ω, бұл жерде k – реакцияның жылдамдық тұрақтысы, ω – ағын жылдамдығы. Маргулис критериі процестің жылдамдығынның реакциялық ағынның жылдамдығына қатынасын сипаттайды. Әрекеттесу критериінің шамасымен газдардың сұйықтықтарда еру жылдамдығын шамалап бағалауға болады. Турбулентті ережедегі абсорбция кезінде жақсы еритін газдар үшін Ма>1, нашар еритін газдар үшін Ma<0,1, ал орташа еритін газдар үшін 0,1

Массатасымалдау жылдамдығы және реактордың жұмысының нәтижелігі массатасымалдау коэффициентімен қатар ПӘК (пайдалы әрекеттесу коэффициенті) пен (η) сипатталады. k және η шамалары өзара байланысты. Сұйықтық пен газдың қиылысқан бағытындағы абсорбция үшін: _ .

2. Реакция сұйықтық күйде жоғары жылдамдықпен жүретін жағдайды қарастырайық. Абсорбциялық процестердің ынғайлы кинетикалық моделі ретінде жұқа қабатты модел қолданылады. Бұл моделге сәйкес а) күйаралық беттің екі жағындада газбен сұйықтықтың ламинарлы шекаралық жұқа қабаттан кейін әрекеттесуші компоненттердің концентрациясы тұрақты болады және б) күйлердің бөліну бетінде сіңірілетін компоненттердің концентрацияларының арасында сұйықтық және газ күйінде Генри заңына бағынатын динамикалық тепе теңдік орнайды.

А_г + B_c → D_c модельді реакциясы А_г және В_с компоненттерінің реакциялық аймаққа диффузиясының және химиялық реакцияның нәтижесінде D өнімін түзіп жүреді. Егер химиялық реакция аймағы (реакция беті) сұйықтық ламинарлы жұқа қабаттың ішінде орналасса, онда концентрацияның үлестіру үлгісін 1 суретке сәйкес көрсетуге болады. Химиялық реакцияның жылдамдығы өте жоғары болғандықтан реакция аймағындағы әрекеттесуші компоненттердің концентрациясы 0-ге тең деп алынады (С_СА=C_CB=0).

Генри заңына сәйкес _ (3), мұнда -Генри тұрақтысы, ол қысымның бірлігінде беріледі. Газ күйінде А компонентінің күйлердің бөліну бетіне диффузия жылдамдығы _ (4), бұл жерде _ - газды жұқа қабат арқылы массатасымалдау коэффициенті. (3) теңдеуіне сәйкес _ (5).

Сұйықтық күйдегі А реагентінің реакция бетіне диффузия жылдамдығы _ (6). Сұйықтықтағы В реагентінің реакция бетіне диффузия жылдамдығы: _ (7), бұл жерде _ - сұйықтықтағы В компонентінің диффузия коэффициенті. Тұрақты ережеде _ (5)-(7) теңдеулерінен _ (8).

(8) кинетикалық теңдеудегі С_В-ң шамасы химиялық реакцияның хемосорбция жылдамдығына әсерін көрсетеді. Егер химиялық реакция мен диффузияның жылдамдығы бірдей болса, концентрацияның үлестіру сипаты 1 суретте көрсетілгендегіге қарағанда күрделі болады.

Егер хемосрбцияның қозғаушы күшін (4) теңдеуімен көрсетсек, онда сұйықтық күйдегі қайтымды химиялық реакция үшін _ (9), бұл жерде К – сұйықтық күйдегі химиялық реакцияның тепе теңдік тұрақтысы, х – абсорбенттің (сіңіргіштің) сіңірілетін компонентпен қанығу дәрежесі.

Хемосорбцияның жылдамдығының физикалық абсорбциямен салыстырғандағы жоғарылауын сұйықтық күйдегі массатасымалдау коэффициентінің теңдеуі бойынша анықтауға болады. Егер шартты түрде хемосорбцияның қозғаушы күші физикалық абсорбцияның қозғаушы күшіне эквивалентті деп қабылдасақ, онда _ (10), бұл жерде r – реакцияның нәтижесінде сұйықтық күйдегі абсорбцияның үдеу коэффициенті, k_c – сұйықтық күйдің концентрация бірлігінде көрсетілген абсорбция коэффициенті.

Жалпы түрде r=(k₁, k₂, τ₀, P, C, D₁, D₂, …) (11), бұл жерде k₁, k₂ тура және кері реакциялардың жылдамдық тұрақтылары, τ₀ жаңару мерзімі (газдың сұйықтықпен (оның бетінің бір жаңарудан екінші жаңаруға дейінгі) әрекеттесу уақыты).

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Г-С жүйесіндегі әртекті процестер және оның жылдамдығы

2. Абсорбция процесінің үдеу коэффициенттеріне әсер ететін факторлар

3. Г-С жүйесіндегі жүретін процестерді үдетуі тәсілдері

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 реакторларды жіктеу

1. Әрбір химиялық өнімдер транспорттық құрылғылармен өзара дәйекті жалғастырылған әртүрлі құрылысты және арнайы тағайындалған аппараттарда алынады. Технологиялық үлгінің аппараттарының ішінде химиялық айналдыру жүретін аппараттарды, яғни негізгі технологиялық операция жүргізілетін аппараты атап көрсетуге болады. Мұндай аппараттар реакторлар деп аталады. Сонымен, ішінде масса тасымалдау (диффузиялық) процесі мен химия технологиялық процестер жүретін аппарат, химиялық реактор деп атайды.

Реактордың алдындағы аппараттардың негізгі міндеті шикізатты реакцияға дайындау, ал реактордан кейінгі орналасқан аппараттардың міндеті – реакцияның өнімдерін бөлу, оларды шоғырландыру немесе зиянды қосымшалардан тазарту болып табылады.

Кей жағдайда, көмекші операциялар мен химиялық айналдыру, бір аппаратта жүруі мүмкін.

Барлық реакторларға түрлі шарттар қойылады: 1) жоғары өнімділік пен қарқындылықты қамтамасыз ету; 2) максималды айналдыру дәрежесімен қамтамасыз етуі; 3) реагенттерді тасымалдау мен араластыруға кететін энергия шығынының төмен болуы; 4) құрылысы жеткілікті түрде қарапайым және бағасы арзан болуы; 5) экзотермиялық реакциялардың жылуы мен эндотермиялық процестерді жүргізу үшін сырттан берілген жылуды түгелдей толық жұмсауы; 6) жұмыста сенімді, мүмкіндігінше толық механикаландырылған және автоматтандырылған болуы қажет.

2. Атқаратын міндеттеріне сай және өтетін реакторлардың ерекшеліктеріне байланысты реакторлардың конструкциялары да алуан түрлі болады. Жұмыс атқару ерекшеліктеріне байланысты реакторлар әр түрлі жікке бөлінеді. Бұл ерекшеліктерге бастапқы заттар мен өнімдердің реакторға түсу және шығу әдістері; заттардың реакция аймағында жылжу және араласу әдістері; реактордағы жылудың және температуралық шартардың ерекшеліктері және бастапқы заттар мен өнімдердің фазалық сипаттары жатады.

Кезкелген реакторларды жалпы жағдайда келесі түрде сипаттайды: 1. Реагенттерді әкелу және шығару әдістері; 2. Реагенттердің қозғалу және араласу тәртібі; 3. Реакциялық аймақтағы температурасы.

Технологиялық процесс секілді реакторлар да дмерзімді, үздіксіз және жартылай үздіксіз жұмыс істейтін топтарға бөлінеді.

Реактор арқылы өтетін реагенттердің ағындағы араласуының екі түрі болады – ұзынша және радиалды. Реагенттердің қозғалу және араластыру ережесі бойынша үздіксіз жұмыс істейтін реакторлардың екі шекті типін ажыратады: идеалды ығыстыру және идеалды араластыру.

Сонымен қатар гомогенді және гетерогенді жүйелер үшін гомогенді және гетерогенді реакторларды ажыратады.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Химиялық реакторлар дегеніміз не?

2. Химиялық реакторларға қойылатын талаптар

3. Химиялық реакторларды жіктеу

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. Толық араластыру реакторы.

3. Толық араластыру реакторларының каскады

1. Реагенттердің қозғалу және араластыру ережесі бойынша үздіксіз жұмыс істейтін реакторлардың екі шекті типін ажыратады: идеалды ығыстыру және толық (идеалды) араластыру.

Бұл реакторда реагенттер дәйекті, «қабат» «қабатпен» араласпай, аппараттың ұзындығымен (биіктігімен) анықталатын барлық реакциялық жолды ламинарлық ағынмен өтеді (1 сурет). Көлемнің қандайда элементінің аппаратта болу уақыты τ^/ келесі теңдеумен анықталатын орташаланған уақытқа τ_орт тең: _ (1), мұндағы υ – аппараттың реакциялық көлемі; _ - реагенттердің көлемдік шығыны; Н – реакциялық кеңістіктің биіктігі (ұзындығы); ω – аппараттың толық қимасына есептелген ағынның жалған жылдамдығы.

Реагенттердің араластыру қарқындылығы Пекленнің диффузиялық критериімен сипатталады (біліктікте – сызықтық мөлшер ретінде реактордың ұзындығы I немесе оның биіктігі Н алынады; радиалдықта – сызықтық мөлшер ретінде аппараттың радиусы R алынады): Pe_g = ωH/D_э (2), мұнда D_э - диффузиялық нәтижелік коэффициенті, ол молекулалық D_м – және турбуленттік (конвективті) D_т диффузиялар коэффициенттеріне тәуелді болады.

Идеалды ығыстыру реакторынде араластыру болмайды яғни D_э → D_м және Пекленнің диффузиялық критерий Ре →∞.

Рис. 1 Идеалды ығыстыру реакторындағы реагенттердің концентрациясының (а), айналдыру дәрежесінің (б) және реакция жылдамдығының (в) өзгеруі	Рис. 2 Идеалды ығыстыру аппаратының моделі

аА + ... → dD қайтымсыз реакция үшін жалпы жылдамдық стехиометриялыққа қарағанда аз мөлшерде алынған негізгі бастапқы А затының айналу жылдамдығымен анықталған кезде идеалды ығыстыру реакторының кинетикалық модель (2 сурет): _(3) ал, _ беріліп және a=d=n жағдайда (4), мұнда С_ө – реакция өнімнің концентрациясы; _ - А затының бастапқы концентрациясы; С_А – А затының кезекті концентрациясы; х_А – А затының айналдыру дәрежесі; k_ы – ығыстыру ережесінде жүретін реакцияның жылдамдық тұрақтысы; n – реакцияның реті, көбінесе молекулалықпен дәл келмейді.

2. Мұндай реакторларда (3 сурет) тап осы уақыт аралығында аппаратқа түскен реагенттің бөлшектері қатты араластырудың нәтижесінде басқа бөлшектермен қатар аппараттан бірінші болып шығарылуы мүмкін. Толық араластыру реакторында көлемнің кез келген элементі реактордың ішіндегімен лезде араласады, себебі, аппараттың биіктігі және қимасы бойынша айналмалы қозғалу жылдамдығы реактордағы сызықтық араластыру жылдамдығына қарағанда өте үлкен. Бұл жағдайда диффузияның нәтижелік коэффициенті D_э = ∞ және Pe_g = ωH/D_э (2) теңдеуге сәйкес Re→0.

Рис.3 Толық араластыру реакторы – пропеллерлі араластырғышы бар араластырушы	Рис. 4 Толық араластыру реакторындағы концентрацияның (а), айналдыру дәрежесінің (б), айналдыру жылдамдығының (в) өзгеруі

Ал толық араластыру реакторының моделі, негізгі өнімнің бастапқы концентрациясы С_б=0 болғанда, келесі байланыспен жазылуы мүмкін: _ (8).

Бұл толық араластыру реакторының сипаттамалы теңдеуін көрсетеді. Жүйенің көлемінің өзгеруін ескергенде сипаттамалы теңдеу (сурет) келесі түрде бейнеленеді: _ (9), мұнда β (6) теңдеуінде көрсетілген мәнге ие.

Егер толық араластыру ағынды реакторларында қайтымды реакция жүретін болса, онда: _ (10).

Заттардың толық араластырылуы арқылы жүргізілетін процестің жылдамдығын былай көрсетуге болады: _ (11), мұнда υ – реакциялық көлем; _ - процестің қозғаушы күші.

3. Оларды өнімнің қажетті жалпы шығымын қамтамасыз ету үшін қолданады, өйткені жеке араластыру реакторында жоғары айналдыру дәрежесінде процестің қозғаушы күші нөлге ұмтылады және оның жылдамдығы өте төмен болады. Айналдыру дәрежесі төмендеу толық араластыру реакторларының каскадінің, әрбір сатысында (сурет 5) реакциялық қоспаның құрамы бір аппараттан екіншіге көшкенде өзгереді, ал әрбір реакторда концентрациялық және температуралық өрістер градиентсіз болады. Каскадті реакторлардың есептеулері оның әрбір сатысында болатын барлық өзгерістерді ескерумен жүргізіледі.

Рис.5 Араластыру реакторының тізбегі: а – принципті үлгі, б – негізгі бастапқы заттың концентрациясының тізбектің сатылары бойынша (1) және орташа (2) өзгеруі	Рис. 6 Айналдыру дәрежесіне каскадтағы реакторлар санының N әсері



N<4 кезінде араластыру реакторларының каскадында процестің қозғаушы күшінің өзгеруі идеалды ығыстыру ережесіне жақындайды. N реактордан (N>4 болғанда) тұратын каскад үшін процестің жылдамдығы мына теңдеумен анықталады: _ (13), мұнда _ - реакциялық көлемдердің қосындысы, _ - бүкіл каскад бойынша орташа қозғаушы күш, ол орташа логарифмдік болып есептеледі.

Каскадта реакторлар саны көбейген кезде бірдей айналдыру дәрежесін қамтамасыз етуге қажет реакциялық көлем төмендеуі қажет (сурет6).

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Идеалды ығыстыру реакторы.

2. Толық араластыру реакторы

3. Толық араластыру реакторларының каскады

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.