МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Большинство промышленных химико-технологических процессов относится к гетерогенным. Огромное разнообразие гетерогенных процессов затрудняет их классификацию. Принято некаталитические гетерогенные процессы делить по фазовому состоянию реагентов на процессы в системах Г-Ж, Ж-Т, Г-Т и т.п.

Механизм гетерогенных процессов сложнее гомогенных, так как взаимодействию реагентов, находящихся в разных фазах, предшествует их доставка к поверхности раздела фаз и массообмен между фазами. Гетерогенный процесс представляет собой совокупность взаимосвязанных физико-химических явлений и химических реакций. Для количественной характеристики сложного технологического процесса в ряде случаев допустимо расчленение его на отдельные стадии и анализ каждой из них. Такой анализ позволяет, например, установить, в какой области – диффузионный или кинетический – идет процесс, и при расчете пренебречь той стадией, которая оказывает малое влияние, если только скорости диффузии и химических реакций не соизмеримы.

Подвод реагирующих компонентов в зону реакции и отвод полученных продуктов совершается молекулярной диффузией или конвекцией. При очень сильном перемешивании реагирующих веществ конвективный перенос называют также турбулентной диффузией. В двух- или многофазных системах подвод реагирующих компонентов может совершаться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ или растворением их, испарением жидкости или возгонкой твердых веществ. Межфазный переход – это сложный диффузионный процесс.

Важными технологическими показателями промышленных процессов служат равновесный выход продукта, определяемый равновесием при данных условиях, и фактический выход продукта (к.п.д), определяемый как равновесием, так и скоростью процесса.

Равновесие гетерогенных процессов определяется константой равновесия химических реакций, происходящих в одной из фаз, так же как и для гомогенных процессов.

Равновесные концентрации компонентов в соприкасающихся фазах определяются законом распределения вещества, который устанавливает постоянное соотношение между равновесными концентрациями вещества в двух фазах системы при определенной температуре.

Пример 3.9. Рассчитать теоретическую температуру горения вещества этана (теплота сгорания Q = 1,56·10⁶ кДж/кмоль) при избытке воздуха w = 20% (α = 1,2).

Решение.При заданном избытке кислорода реакция горения этана протекает по следующему уравнению:

C₂H₆ + 3,5O₂ + 0,7O₂ + 4,2 = 2CO₂ + 3H₂O (пар) + 0,7O₂ + 4,2 · 3,76N₂

При начальной температуре метана и воздуха, равной 0°С, и заданной температуре горения, тепловой баланс можно представить в виде:

Q = 1560997 = × t

Задаваемая температура 1900 и 2000°С.

Значения средней теплоемкости в кДж/(моль·°С):

1900°С 2000°С

СО₂ ……………… 54,20 54,50

О₂ ……………….. 35,10 35,30

Н₂О (пар) ……….. 43,2 43,6

N₂ ……………….. 33,20 33,40

Следовательно, при 1900°С теплота сгорания этана:

Q' = (2·54,20 + 3·43,2 + 0,7·35,10 + 4,2·3,76·33,20) × 1900=

= (108,40 + 129,6 + 24,50 + 524,3) × 1900 = 1495042кДж

значит Q' < Q.

При 2000°C теплота сгорания этана:

Q'' = (2·54,50 + 3·43,6 + 0,7·35,30 + 4,2·3,76·33,40) × 2000 =

= (109,00 + 130,8 + 24,70 + 527,5) × 2000 = 791,9·2000 = 1583800 кДж

т.е. Q'' > Q.

Определяем разность:

Q'' - Q' = 1583800 – 1495042 = 88758 кДж

Δt = 2000 – 1900 = 100°C

Q - Q' = 1560997 – 1495042 = 65955 кДж

Δt = t – 1900

Следовательно:

Δt = = 74,3°C

Тогда t = 1900 + 74,3 = 1974,3°C.

Пример 3.10.Рассчитать теоретическую температуру горения метана природного газа (теплота сгорания Q = 890310 кДж/кмоль) при избытке воздуха w = 25% (α = 1,25).

Решение. Реакция горения метана:

СН₄ + 2О₂ + 0,5О₂ + 2,5·3,76N₂ = СО₂ + 2Н₂О(пар) + 0,5О₂ + 2,5·3,76N₂

избыток

При начальной температуре метана и воздуха, равной 0°С, и заданной температуре горения, тепловой баланс выражается следующим уравнением:

Q = 890310 = × t

Средняя мольная теплоемкость газов и паров с в кДж/(кмоль·°C):

1800°C 1900°C

О₂ …………………….. 34,9 35,1

СО₂ …………………… 53,9 54,2

N₂ ……………….……. 33,1 33,2

Н₂О (пар)……………... 42,8 43,2

Следовательно, при 1800°C:

Q' = (53,9 + 2·42,8 + 0,5·34,9 + 2,5·3,76·33,1) × 1800 =

= (53,9 + 85,6 + 17,45 + 311) × 1800 = 467,95·1800 = 842000 кДж

Q' = 842000 кДж < Q = 890310 кДж

Возьмем при 1900°C

Q'' = (54,2 + 2·43,2 + 0,5·35,1 + 2,5·3,76·33,2) × 1900 =

= (54,2 + 86,4 + 17,55 + 312,45) × 1900 = 470,6·1900 = 906000 кДж

Q'' = 906000 > Q = 890310

Δt₁ = 1900 – 1800 = 100°C

Q'' – Q = 906000 – 890310 = 15690 кДж

Q – Q' = 890310 – 842000 = 58310 кДж

Δt = t – 1800

Δt = = 26,8°C

t = 1800 + 26,8 = 1826,8°C

Пример 3.11.Какое количество теплоты выделится при хлорировании 1т бензола, если конечная смесь содержит w_х = 39% хлорбензола, w_д = 1% дихлорбензола, w_б = 60% бензола? Теплоты образования в кДж/моль:

Бензол ………… 49,063 Дихлорбензол ………… 53,05

Хлорбензол…… 52,17 Хлористый водород …. 92,36

Решение.Хлорирование бензола сопровождается значительным выделением теплоты (примерно 117кДж). В непрерывном процессе реакционная масса разогревается до температуры кипения (76 - 85°C) и при этом отвод теплоты реакции происходит за счет испарения части хлорируемого бензола, на что расходуется значительное количество выделяющейся теплоты.

Хлорирование идет по реакциям:

С₆Н₆ + Сl₂ ⇄ С₆Н₅Сl + НСl (1)

78 112,5

С₆Н₆ + 2Сl₂ ⇄С₆Н₄Сl₂ + 2НСl (2)

78 146

где мол. масса С₆Н₆ – 78; С₆Н₅Сl – 112,5; С₆Н₄Сl₂ – 146.

На 39 кг С₆Н₅Сl, содержащихся в 100 кг смеси, расходуется

= 27,3 кг С₆Н₆

На 1 кг С₆Н₄Сl₂, содержащихся в 100 кг смеси, расходуется

= 0,53 кг С₆Н₆

а 60 кг С₆Н₆ остаются неизменными.

Следовательно, на 100 кг смеси расходуется 87,83 кг бензола.

Из 1т бензола получается = 1140 кг реакционной смеси и в том числе:

Хлобензола…………… 445,0 кг (1140 · 0,39 = 445,0 кг)

Дихлорбензола……….. 11,4 кг (1140 · 0,01 = 11,4 кг)

Бензола………………… 683,6 кг (1140 · 0,6 = 683,6 кг)

_______________________________________________

Итого: 1140,0 кг

Тепловые эффекты реакций:

Q₁ = 52,17 + 92,36 – (-49,063) = 193,593 кДж/моль

Q₂ = 53,05 + 2·92,36 – (-49,063) = 286,833 кДж/моль