Лекции по ТОХТНВ. Конспект лекций по дисциплине Теоретические основы технологии неорганических веществ Шымкент, 2011 Основные типы
 Скачать 0.94 Mb.
|
|
Ф.7.11-19 У.Бестереков Конспект лекций по дисциплине «Теоретические основы технологии неорганических веществ» Шымкент, 2011 Основные типы продукции неорганического синтеза, сырьевых материалов и отходов производства. Их основные физико-химические и термодинамические характеристики. Теоретические основы существующих технологий производства неорганических веществ. Проблемы комплексного использования природных сырьевых материалов. Возможные пути решения проблемных вопросов технологии неорганических веществ. В соответствии с современными эколого-экономическими требованиями назрела необходимость перехода к технлогическим процессам, базирующимся на комплексной переработке сырья с полном использованием всех его компонентов. Однако особая сложность рассматриваемой проблемы в том, что предприятия, построенные без учета жестких требований по рациональному использовании природных ресурсов и охране окружающей среды, продолжают функционировать и увеличивают производственные мощности. Поэтому на современном этапе развития науки и техники основными методами охраны окружающей среды пока еще остаются очистка промышленых отходов, извлечение из них ценных компонентов и их переработки . Эти процессы входят составной частью в малоотходную технологию. Безотходные технологические процессы. Сформулированы четыре основных направления безотходной технологии:
На современном уровне научно –технического развития еще нет возможности переработать все виды токсичных отходов производства не только на целевые продукты , но даже на продукты, инертные по отношению к окружающей природной среде. 3.Разработке технологических процессов получение традиционных видов продукции принципиально новыми методами, при которых достигается максимально возможной перенос веществ и энергии на готовую продукцию. 4. Разработка и создание территорильно-промышленных комплексов с возможно более полной замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов производства внутри ТПК. Большинства отходов промышленности , могут стать приемлемыми сырьем для изготовленными строительных материалов и изделий. Для предупреждения загрязнения атмосферноговоздуха, водоемов и почвы следует прежде всего использовавать технологические ресурсосберегающие методы, которые представляют совокупность технологических и конструктивных мероприятий, предусматривающих существенное сокращение количества и токсичносность выбросов в окружающую среду без снижения качества и количества целевого продукта. Эти методы развиваются в следующих направлениях: Разработка принципиально новых технологических процессов и соответствующего оборудования для производства продукции на основе комплексной переработки сырья и рационального использования энергии; Разработка и создание территориально-производственных комплексов с использованием замкнутой структуры материальных потоков , что позволит наиболее технически реально и экономически целесообразно минимизировать отходы; Разработка систем последовательного использования и рециркуляции материальных потоков отдельных процессов и производств, в чччччастности систем оборотного водо и газоиспользования ,которые м является структурными единицами ТПК; Цель курса –научить студентов теоритическому анализу технологических процессов и научному обоснованию исходных данных для расчетных работ.
С помощью законов химической термодинамики решается ряд производственных задач:составляется тепловые балансы отдельных стадий и всего процесса рассчитывается фазовые и химическое равновесия. Кинетика, т.е. скорость протекания процесса, отвечает на вопрос приближения системы к своему предельному состоянию (к равновесному , если процесс обратимый, или к 100% -му использованию реагентов , если процесс необратимый) Знание уравнений кинетики позволяет рассчитывать размеры производственных аппаратов и вскрыть резервы увеличения их продуктивности.Знание механизма и кинетики химических реакций или процессов указывает пути и методы интенсификации технологических процессов, пути увеличения производительности отдельных аппаратов , т.к. интенсивность и производительность аппарата непосредственно зависят от скорости процесса, протекающего в нем. Применение катализатора дает возможность найти оптимальные условия прведения процесса с точки зрения наибольшей скорости и максимальной производительности аппарата. В результате синтеза данных термодинамического и кинетического анализов с учетом побочных производственных факторов можно определить оптимальный режим процесса . т.е. такие условия (температура, давления, концентрация и скорость подачи реагентов и др.) которые позволяют вести процесс с максимально- возможной производительностью аппарата и максимально- допустимой степенью использования реагентов или максимальным выходом продукта. Очень полезно использовать также методы математического моделирования и оптимизации процессов. Т.о., оптимальный режим процессов – это режим, позволяющий получать продукт с минимальной себестоимостью, т.к. при этом расходные коэффициенты (по сырью, энергии, рабочией силе и др.) на основе которых рассчитывается себестоимость, будут иметь минимальную величину. В настоящее время разрабатываются математическое оптимация режима и моделирования химико-технологических процессов. Химико-технологическими процессами называют такие производственные процессы, которые состоят в целенаправленном изменении химического состава перерабатываемых продуктов, достигаемом с помощью одной или нескольких химических реакции, одного или нескольких физико- химических реакции в сочетании с физико-химическими превращениями. Пример. Производство синтетического аммиака основано на осуществлении реакции N2 + 3H2 2NH3 Однако реакция протекает не нацело , и непрореагировавшую азотоводородную смесь требуется отделить от образовавшегося аммиака и возвратить в производство. С этой целью газовую смесь охлаждают ,аммиак сжижают и определяют от несконденсировавшихся азота и водорода. При сжижении газообразного аммиака осуществляется физико –химический процесс. Синтез аммиака производят при высоком давлении, осуществляя компрессорах механический процесс сжатия газов, а также различные операции по очистке азота и водорода. Промышленное осуществление химико-технологических процессов, кроме химических реакции и физико-химических превращений, дополнительно требует использованиия физико-механических процессов, имеющих в химических производствах подчиненное значение. Параметры химико-технологических процессов, обеспечивает нормальное функционирование производства. Совокупность технологических параметров определяет технологический режим производства. Технологическими параметрами в химико-технологических процессах являются измеримые величины, опрелеляющие состояние веществ и их реакционную способность, -температура и концентрации веществ на входе и на выходе апппаратов, дисперсность и состав твердых материалов, давление,состав и способ приготовления катализатора, способ и интенсивность перемешивания реагентов и т.д. Термодинамический анализ дает возможность решить ряд конкретных производственных задач для испарения ,конденсации, реактификации (система жидкость-пар),абсорбции, десорбции(жидкость-газ), растворения кристаллизации(жидкость-твердое тело), адсорбций, а также для различных химических взаимодействий. Термодинамическим анализом химических процессов можно решить следующие важные производственные задачи:
Термодинамические параметры систем. Уравнения состояния. Энтропия как критерий равновесия и самопроизвольности процессов. Связь энтропии и термодинамических параметров. Параметры химико-технологических процессов, обеспечивает нормальное функционирование производства. Совокупность технологических параметров определяет технологический режим производства. Технологическими параметрами в химико-технологических процессах являются измеримые величины, опрелеляющие состояние веществ и их реакционную способность, -температура и концентрации веществ на входе и на выходе апппаратов, дисперсность и состав твердых материалов, давление,состав и способ приготовления катализатора, способ и интенсивность перемешивания реагентов и т.д. Наиболее важными в химико –технологических процессах явлются интенсивные физико-химические параметры – давление,температура, и концентрации веществ. . Система характеризуется, кроме того, такими свойствами как внутренняя энергия U, энтальпия S,энергия Гиббса G. Из изменение в ходе химических реакций характеризуют ее энергетику системы.Перечисленные свойства системы зависят от температуры, давления,концентрации, поэтому они называются функциями состояния, не зависят от пути процесса и определются только конечным и начальным состояниями системы. Изохорический процесс характеризуется постоянством обьема. Следовательно, V = const, dV =0; поэтому dA =0 Поскольку этот процесс протекает в замкнутом пространстве, то расширение и связанная с ним работа отсутствуют.В этом случае первое начало термодинамики dQ =dU+ dA приобретает вид dQ =dU или Q= U т.е. убыль внутренней системы обращается в теплоту, выделяющуюся при протекании процесса, или, наоборот, вся поглощенная теплота тратится на приращение энергии. Изобарический процесс характеризуется постоянством давления. Следовательно, выражение dA = pdV после интегрирования при условии p = const приобретает вид: A = p (V2 –V1) Работа, совершаемая при этом процессе , пропорциональна изменению обьема газа. A = R (T2- T1) Работа изобарического процесса пропорциональна изменению температуры газа. Изотермический процесс характеризуется постоянством температуры. Следовательно , dA = pdV, но, согласно уравнению pV/T = R, p = RT/V поэтому dA= RT/V dV Интегрируя это уравнение и полагая T =const получаем A = RTln V2/V1 По закону Бойля –Мариотта V2/V1= p1/p2 ; поэтому A = RTln p1/p2 То уравнение первого начало термодинамики (T= const и U=0) приобретает вид: Q=A Это означает что при изотермическом процессе работа, совершаемая над системой, полностью превращается в теплоту, которую система выделяет в окружающее пространство. Адиабатический процесс характеризуется выражением dQ =0. Следовательно, уравнение первого начало термодинамики в этом случае имеет вид dU +dA =0 или dA = -dU Так как dU = CvdТ, то dA = -CvdT Интегрирование дает следующую зависимость: A = -Сv(T1-T2) Согласно этому уравнению, работа адиабатического процесса пропорциональна изменению температуры газа, а также пропорциональна его теплоемкости при постоянном обьеме. Теплоемкость представляет собой одну из наиболее важных характеристик вещества. Из уравнения первого начала термодинамики dQ =dU+ dA Следует, что dQ/dT=dU/dT+ dA/dT C = dQ/dT = dQ/dt Называется теплоемкостью.Теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо подвести к телу для заданного повышения его температуры. В данном случае величина теплоемкости определена как количество теплоты, которое необходимо для дифференциально малого изменения степени нагретости тела. Это так называемая истинная теплоемкость. Часто используется величиной средней теплоемкости C= Q/t2 –t1 Легко видеть, что средняя теплоемкость равняется количеству теплоты, необходимое для нагревания тела на 1о ,причем t2 и t1 конечное и начальное значения температуры тела. Если t1 = ОоС, а t2 принимает значения t, то уравнение упрощается: C = Q/t И величина С носит название средней теплоемкости в интервале температур от 0 до tоС.Поскольку величина Q зависит от пути процесса, то от него также будет зависеть и величина теплоемкости. Чаще всего используется теплоемкость при постоянном обьеме Сv и теплоемкость при постоянном давлении Ср,т.е. Сv = (dU/dT)v= dQv/dT ; Сp = (d Н/ dT)p =dQp/dT Состояние системы определяется термодинамическими параметрами состояния – температурой,давлением, концентрацией, обьемом и т.д. Система характеризуется, кроме того, такими свойствами как внутренняя энергия U, энтальпия S,энергия Гиббса G. Из изменение в ходе химических реакций характеризуют ее энергетику системы.Перечисленные свойства системы зависят от температуры, давления,концентрации, поэтому они называются функциями состояния, не зависят от пути процесса и определются только конечным и начальным состояниями системы. Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находится в разных состояниях (лед-вода-пар) вводятся,для удобства, характеристики состояния вещества – так называемые параметры состояния. Перечислим основные параметры состояния вещества: Температура Температура тел- определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами. Температура , выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой. Соотношения для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина: Т [К] = t [оС]+ 273.15 Где: Т – температура в Кельвинах, t – температура в градусах Цельсия. Давления – представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Энергия Гиббса Самопроизвольное протекание изобарно- изотермического процесса определяется двумя факторами:энтальпийным, связанным с уменьшением энтальпии системы ( H),и энтропийным T S, обусловленным увеличеникм беспорядка в системе вследствие роста ее энтропии. Разность этих термодинамических факторов является функцией состояния системы, называемой изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией Гиббса (G, кдж): G= H-T S При G 0 реакция термодинамически разрешена и система стремится к достижению условия G=0 , при котором наступает равновесное состояние обратимого процесса; G указывает на то,что процесс термодинамически запрещен. Записав уравнение в виде H= G +T S, получим , что энтальпия раекции включает свободную энергию Гиббса и «несвободную энергию» S*Т. Энергия Гиббса, представляющая собой убыль изобарного (Р=соnst)потенциала, равна максимальной полезной работе.Уменьшаясь с течением химического процесса, G достигает минимума в момент равновесия ( G=0).Второе слагаемое S*Т (энтропийный фактор) представляет ту часть энергии системы, которая при данной температуре не может быть превращена в работу. Эта связанная энергия способна лишь рассеиваться в окружающую среду в виде тепла (рост хаотичности системы). Итак , в химических процессах одновременно изменяются энергетический запас системы (энтальпийный фактор) и степень ее беспорядка (энтропийный фактор , не соверщая работу энергия). Для оценки знака G реакции важно знать величины H и S наиболее типичных процессов. H образования сложных веществ и H реакции лежат в пределах 80-800 кдж. Зависимость H от температуры выражается соотношением Hт= Hо + Ср* Т, где Ср –изменение теплоемкости системы. Если в интервале температур 298 оК –Т реагенты не претерпевают фазовых превращений, Ср =0, и для расчетов можно пользоваться значениями Hо. Внутренняя энергия Внутренняя энергия U - функция состояния системы, как Т,p и V. Внутренняя энергия – экстенсивное свойства.-это сумма всех видов энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему (молекул,атомов,электронов,атомных ядер).В нее не входят кинетическая энергия системы в целом и потенциальная энергия в поле внешних сил. Внутренняя энергия , U зависит только от физического состояния вещества и не зависит от способа или пути, которыми данное вещество приведено в это состояние. Наряду с внутренней энергией в термодинамике при расмотрении многих процессов использует такую функцию как энтальпия: H =U + PV Где U- внутренняя энергия системы, р- давление системы, V – обьем системы. |