В управлении химическим процессом

Принципиальная возможность протекания химической реакции еще не означает, что на ее основе можно организовать промышленный процесс. Очевидно, что для эффективного производства того или иного продукта, особенно крупнотоннажного, совершенно необходимы детальные знания о закономерностях протекания реакций, что позволяет осуществлять его в оптимальном технологическом, экономически выгодном режиме. И кинетические данные, позволяющие выявлять и изучать механизмы реакций, судить об их скоростях и условиях протекания, играют здесь ключевую роль.

Рассмотрим примеры химических процессов, реализованных в промышленных масштабах.

1. Аммиак получают прямым синтезом из азота и водорода (процесс Габера):

N_2(г) + 3H_2(г) «2NH_3(г) + 91,8 кДж

Необходимо обосновать оптимальные условия проведения процесса с высоким выходом целевого продукта (см. рис.19).

Реакция равновесная, каталитическая. В качестве катализатора используется пористое железо, содержащее добавки оксидов алюминия, калия, кальция, кремния.

Поскольку прямая реакция экзотермическая, то очевидно (согласно принципу Ле-Шателье), что равновесие будет тем больше смещено в сторону образования аммиака, чем ниже температура процесса. Однако при низких температурах теряет активность катализатор, и скорость реакции очень мала. Поэтому приходится принимать «компромиссное» решение: процесс проводят при 500⁰С.

Из уравнения реакции видно, что общее число моль газообразных веществ по прямой реакции уменьшается от четырех до двух. В таком случае (по принципу Ле-Шателье) для смещения равновесия вправо нужно повышать давление, однако пределы повышения ограничиваются экономическим фактором - стоимостью соответствующего оборудования. На практике давление составляет 300 – 350 атм.

При указанных условиях выход аммиака составляет только около 30%, однако в результате использования циркуляционной технологической схемы - охлаждение газовой смеси после реакции, конденсация и отделение содержащегося в ней аммиака (что, в свою очередь, способствует смещению равновесия вправо), введение непрореагировавших азота и водорода вновь в колонну синтеза - суммарная степень превращения исходных веществ в целевой продукт достигает очень высокой величины.

2. Превращение графита в алмаз представляет собой равновесную эндотермическую реакцию с незначительным тепловым эффектом:

С_графит «С_алмаз - 1,9 кДж

Согласно принципу Ле-Шателье смещению равновесия вправо будет способствовать повышение температуры, однако увеличение скорости процесса при этом оказалось очень незначительным; кроме того, при этом возрастала и скорость обратной реакции. Решающее значение для возможности практической реализации процесса имеет давление. Причина в том, что плотность алмаза (3,5 г/см³) заметно больше плотности графита (2,2 г/см³), что связано с различием в строении их кристаллических решеток. Следовательно, чтобы сместить равновесие вправо - в сторону получения алмаза, - нужно повысить давление, которое способствует его образованию в связи с тем, что он занимает меньший объем, чем графит (в полном соответствии с принципом Ле-Шателье). Для практического осуществления реакции потребовались давления порядка десятков тысяч атмосфер.

Ясно, что в других случаях используются и все другие возможные факторы управления химическим процессом.

Дата добавления: 2015-11-26