Podstawy teoretyczne technologii chemicznej / Józef Szarawara

Podstawy teoretyczne technologii chemicznej / Józef Szarawara, Jerzy Piotrowski.
– Warszawa, 2010
Spis treści
Przedmowa
13
Wykaz waŜniejszych oznaczeń
16
1.
1.1.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
21
21
23
26
26
28
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
1.13.
Projektowanie i realizacja procesu technologicznego
Wprowadzenie
Koncepcja chemiczna metody
Przeprowadzenie reakcji chemicznej w elektrolizerze
Prowadzenie procesów chemicznych przy podwyŜszonym ciśnieniu
Prowadzenie procesów chemicznych przy obniŜonym ciśnieniu
Przeprowadzenie procesu w wyniku wielu samorzutnych
reakcji pośrednich
Stosowanie układu reakcji sprzęŜonych
Metoda Solvaya
Procesy złoŜone
Koncepcja technologiczna metody
Dobór rodzaju, kolejności i sposobu realizacji czynności
jednostkowych
Opracowanie schematu blokowego i technologicznego procesu
Badania modelowe
Dobór typów i wielkości aparatów i urządzeń
Dobór tworzywa konstrukcyjnego
Zasady technologiczne
Zasada najlepszego wykorzystania róŜnic potencjałów
Zasada najlepszego wykorzystania surowców
Zasada najlepszego wykorzystania energii
Zasada najlepszego wykorzystania aparatury
Zasada umiaru technologicznego
Ocena zgodności koncepcji z Najlepszymi Dostępnymi
Technikami (BAT)
Koncepcja wstępna instalacji produkcyjnej
Projekt procesowy
Koncepcja programowo-przestrzenna
Projekt podstawowy (Basic Engineering)
Projekt budowlany
Projekt wykonawczy (Detail Engineering)
Budowa inwestycji
Rozruch
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
Stechiometria procesowa
Proces chemiczny, reakcja chemiczna
Mieszanina reakcyjna i jej skład
Równanie stechiometryczne
Reakcje niezaleŜne
Parametry postępu reakcji
Bilanse stechiometryczne
74
74
75
76
77
80
81
1.2.5.
1.2.6.
1.2.7.
1.3.
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
1.3.4.
1.3.5.
1.4.
1.4.1.
1.4.2.
1.4.3.
1.4.4.
1.4.5.
1.5.
29
29
31
32
35
36
42
49
51
53
55
55
56
60
63
66
67
70
70
71
71
72
72
72
73
2.6.1.
2.6.2.
2.6.3.
2.7.
2.8.
2.9.
Procesy proste homogeniczne
Procesy złoŜone
Procesy heterogeniczne
Wydajność i selektywność procesu
Zdolność produkcyjna reaktora
Przykłady
81
85
87
88
90
91
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Bilans materiałowy procesu chemicznego
Wprowadzenie
Równania bilansu masowego
Zasady bilansowania procesów fizycznych i chemicznych
Przykłady
97
97
98
103
110
4.
4.1.
4.2.
4.3.
Bilans cieplny procesu chemicznego
ZaleŜności podstawowe
Bilans cieplny procesu spalania
Przykłady
121
121
127
130
5.
5.1.
5.2.
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
5.3.
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.4.
5.5.
5.5.1.
5.5.2.
5.5.3.
5.5.4.
5.6.
5.6.1
Analiza termodynamiczna procesu chemicznego
Wprowadzenie
Równania stanu gazów
Równanie stanu gazu doskonałego
Równania stanu gazów rzeczywistych
Mieszanina gazów rzeczywistych
Dane termodynamiczne
Wartości standardowych funkcji termodynamicznych
Ciepło molowe
Ciepło przemian fazowych
Funkcje termodynamiczne substancji
Funkcje termodynamiczne reakcji chemicznych
Entalpia reakcji chemicznej
Entropia reakcji chemicznej
Entalpia swobodna reakcji chemicznej
Ciepło reakcji
Ciepło rozpuszczania
Bilansowanie cieplne procesów mieszania przebiegających bez reakcji
chemicznych
5.6.2. Bilansowanie cieplne procesów mieszania z reakcjami chemicznymi
przebiegającymi w roztworze
5.6.3. Przypadki szczególne
5.7.
Termodynamiczna charakterystyka roztworów
5.7.1. Wprowadzenie
5.7.2. Wielkości cząstkowe molowe
5.7.3. Potencjał chemiczny, aktywność
5.7.4. Współczynnik aktywności ciśnieniowej
5.7.5. Reguła Lewisa-Randalla (L-R)
5.7.6. Funkcje mieszania i funkcje nadmiarowe
5.7.7. Równania Margulesa, van Laara, Redlicha-Kistera
5.7.8. Równania Wilsona
5.7.9. Równania Scatcharda-Hildebranda (S-H)
5.7.10. Aproksymacja funkcji Q(x1,x2), gamma i(x1,x2)
137
137
138
138
138
144
145
145
147
148
149
152
153
154
155
155
157
159
159
159
162
162
163
164
166
168
169
171
172
173
175
5.8.
Powinowactwo chemiczne
5.9.
Równowaga chemiczna
5.9.1. Stałe równowagi chemicznej
5.9.2. Wpływ temperatury i ciśnienia na stan równowagi chemicznej
5.9.3. Wpływ stęŜenia reagentów na kierunek reakcji chemicznej
5.9.4. Obliczanie stałych równowagi
5.10. Skład równowagowy mieszaniny reakcyjnej
5.10.1. Metody niestechiometryczne
5.10.2. Metody stechiometryczne
5.11. Wydajność termodynamiczna, wykresy równowagi
5.11.1. Równowaga procesów nieizotermicznych
5.12. Stan równowagi z narzuconymi warunkami
5.13. Przykłady
175
177
177
180
181
182
183
184
185
191
193
194
195
6.
6.1.
6.1.1.
6.1.2.
6.2.
6.3.
6.3.1.
6.3.2.
6.3.3.
6.3.4.
6.4.
6.5.
6.5.1.
6.5.2.
6.5.3.
6.6.
6.6.1.
6.7.
6.8.
Analiza termodynamiczna przemian fazowych
Ogólne właściwości równowagi fazowej
Reguła faz
Prawo równowagi fazowej
Równowaga parowania
Równowaga ciecz-para (destylacyjna)
Obliczanie punktu wrzenia
Obliczanie punktu rosy
Rozkład fazowy w procesie destylacji rzutowej
Przypadki szczegółowe
Równowaga absorpcyjna
Równowaga rozpuszczania cieczy
Układy dwuskładnikowe
Układy trójskładnikowe
Proces ekstrakcji
Równowaga rozpuszczania ciał stałych
Wykresy fazowe
Równowaga fazowa z reakcją chemiczną
Przykłady
220
220
222
223
225
227
230
233
236
239
242
249
252
253
254
256
260
262
268
7.
7.1.
7.2.
7.2.1.
7.2.2.
7.2.3.
7.2.4.
7.2.5.
7.3.
7.3.1.
7.3.2.
7.3.3.
7.3.4.
7.3.5.
7.3.6.
7.3.7.
7.4.
Analiza kinetyczna procesu chemicznego
Wprowadzenie
Szybkość reakcji chemicznej
Pojęcie szybkości reakcji
Proces okresowy
Proces przepływowy
Zastępczy czas przebywania i objętościowa szybkość przepływu
Doświadczalne wyznaczanie szybkości procesu
Równanie kinetyczne
Wprowadzenie
ZaleŜność szybkości reakcji od temperatury
ZaleŜność szybkości reakcji od stęŜenia
RóŜne formy równania kinetycznego
Interpretacja danych kinetycznych
Reakcje rozkładu
Analiza funkcji rA =f(T, alfa A)
Reakcje złoŜone
287
287
288
288
289
290
293
293
299
299
299
303
307
309
314
316
319
7.4.1.
7.4.2.
7.4.3.
7.4.4.
7.4.5.
7.4.6.
7.5.
7.5.1.
7.5.2.
7.5.3.
7.5.4.
7.5.5.
7.6.
Wprowadzenie
Reakcje następcze
Reakcje równoległe
Reakcje łańcuchowe
Reakcje katalityczne homogeniczne
Reakcje autokatalityczne
Reakcje heterogeniczne
Wprowadzenie
Transport masy
Obszar procesu heterogenicznego
Absorpcja
Reakcje typu gaz-ciało stałe
Przykłady
319
320
324
325
328
329
331
331
332
336
342
344
351
8.
8.1.
8.1.1.
8.1.2.
8.1.3.
8.2.
8.2.1.
8.2.2.
8.2.3.
8.3.
8.3.1.
8.3.2.
8.3.3.
370
370
370
371
373
374
374
375
378
385
385
388
8.4.
8.4.1.
8.4.2.
8.4.3.
8.4.4.
8.4.5.
8.4.6.
8.5.
8.6.
8.6.1.
8.6.2.
8.6.3.
8.6.4.
8.7.
Analiza kinetyczna procesów kontaktowych
Wiadomości ogólne
Wprowadzenie
Właściwości fizyczne katalizatorów stałych
Pojęcie szybkości ogólnej procesu i etapu kontrolującego
Kinetyka procesu powierzchniowego
Wprowadzenie
Statyka i kinetyka sorpcji
Równanie kinetyczne procesu powierzchniowego
Dyfuzja zewnętrzna
Wprowadzenie
Ujęcie ilościowe
RóŜnica temperatury między rdzeniem fazy gazowej a zewnętrzną
powierzchnią ziarna
Dyfuzja wewnętrzna
Wprowadzenie
Dyfuzja w kontaktach porowatych
Moduł Thielego
Współczynnik efektywności kontaktu dla procesu izotermicznego
Zmiana energii aktywacji i rzędu reakcji w obszarze dyfuzji wewnętrznej
Proces nieizotermiczny w porowatym ziarnie katalizatora
Równanie kinetyczne procesów kontaktowych
Dezaktywacja katalizatorów
Chemizm dezaktywacji
Kinetyka dezaktywacji
Aktywność katalizatora jako funkcja czasu trwania reakcji
Aktywność katalizatora jako funkcja stęŜeń reagentów oraz koksu
Przykłady
9.
9.1.
9.2.
9.2.1.
9.2.2.
9.2.3.
9.2.4.
9.2.5.
Podstawowe zaleŜności inŜynierii reaktorów chemicznych
Klasyfikacja reaktorów chemicznych
Podstawowe charakterystyki reaktorów chemicznych
Reaktory okresowe
Reaktory przepływowe
Reaktory półprzepływowe
Reaktory kontaktowe
Reaktory barbotaŜowe, zawiesinowe, trójfazowe
416
416
418
418
418
420
420
421
389
390
390
391
393
396
399
400
403
406
406
407
409
409
412
9.2.6.
9.3.
9.3.1.
9.3.2.
9.3.3.
9.4.
9.4.1.
9.4.2.
9.4.3.
9.5.
Reaktory fluidyzacyjne
Pojęcie reaktora idealnego
Idealny reaktor okresowy
Idealny reaktor zbiornikowy
Idealny reaktor rurowy lub wieŜowy
Podstawowe równania inŜynierii reaktorowej
Bilans masowy (BM)
Bilans cieplny (BC)
Równanie projektowe
Podstawy obliczeń projektowych
10.
Projektowanie reaktorów chemicznych
10.1. Reaktor okresowy
10.1.1. Wprowadzenie
10.1.2. Równanie projektowe
10.1.3. Równanie bilansu cieplnego
10.1.4. Proces izotermiczny
10.1.5. Proces adiabatyczny
10.1.6. Proces politropowy
10.1.7. Proces złoŜony
10.1.8. Przykłady
10.2. Reaktory przepływowe - rurowy i wieŜowy
10.2.1. Wprowadzenie
10.2.2. Równanie projektowe
10.2.3. Równanie bilansu cieplnego
10.2.4. Proces izotermiczny
10.2.5. Proces politropowy
10.2.6. Proces złoŜony
10.2.7. Zmiany ciśnienia w reaktorach przepływowych
10.2.8. Absorbery
10.2.9. Przykłady
10.3. Reaktor przepływowy zbiornikowy
10.3.1. Wprowadzenie
10.3.2. Projektowanie reaktora pojedynczego
10.3.3. Kaskada reaktorów zbiornikowych
10.3.4. Reaktor z recyrkulacją
10.3.5. Przykłady
10.4. Reaktor półprzepływowy
10.4.1. Wprowadzenie
10.4.2. Równanie projektowe
10.4.3. Równanie bilansu cieplnego
10.4.4. Obliczenia projektowe
10.4.5. Przykłady
10.5. Reaktor kontaktowy
10.5.1. Wprowadzenie
10.5.2. Model pseudohomogeniczny jednowymiarowy
10.5.3. Model dwuwymiarowy
10.5.4. Przykłady
421
422
423
423
423
424
425
425
426
427
429
429
429
429
432
434
436
437
440
441
447
447
447
449
451
451
455
455
456
458
466
466
467
470
477
479
487
487
489
493
495
496
499
499
503
507
511
11.
Rozkład rzeczywistego czasu przebywania w reaktorach
11.1. Wprowadzenie
11.2. Funkcje rozkładu
11.3. Funkcje rozkładu w reaktorach idealnych
11.3.1. Reaktor rurowy
11.3.2. Reaktor zbiornikowy
11.3.3. Kaskada reaktorów
11.3.4. Reaktor z przepływem uwarstwionym
11.4. Funkcje rozkładu w reaktorach rzeczywistych
11.4.1. Przepływ dyspersyjny
11.4.2. Przepływ segregacyjny
11.5. Metody obliczeń reaktorów rzeczywistych
11.5.1. Metoda kaskady zastępczej
11.5.2. Metoda analityczna
11.5.3. Metoda przepływu segregacyjnego
11.6. Przykłady
521
521
522
528
528
529
530
532
534
534
540
542
542
545
546
547
12.
Stabilność i autotermiczność procesu przepływowego
12.1. Wprowadzenie
12.2. Wielokrotne stany stacjonarne w reaktorach przepływowych
12.2.1. Reaktor zbiornikowy
12.2.2. Reaktor rurowy
12.3. Autotermiczność procesu przepływowego
12.4. Przykłady
557
557
558
558
563
564
570
13.
Zagadnienie wyboru reaktora i warunków prowadzenia
procesu chemicznego
13.1. Kryteria doboru reaktora
13.1.1. Kryteria technologiczne
13.1.2. Kryteria kinetyczne
13.2. Reakcje pojedyncze
13.2.1. Wprowadzenie
13.2.2. Końcowy stopień przemiany i natęŜenie przepływu substratów
13.2.3. Typ reaktora
13.2.4. Reakcje autokatalityczne
13.2.5. Parametry reakcji
13.2.6. Wyprowadzenie ze środowiska reakcji jednego z produktów w postaci
odrębnej fazy
13.3. Reakcje złoŜone
13.3.1. Wprowadzenie
13.3.2. Reakcje równoległe z jednym substratem
13.3.3. Reakcje równoległe z dwoma substratami
13.3.4. Reakcje następcze
13.3.5. Reakcje szeregowo-równoległe
13.4. Czułość parametryczna procesu
13.5. Przykłady
14.
Tablice i wykresy
Bibliografia cytowana
Skorowidz rzeczowy
573
573
573
574
575
575
575
576
579
579
583
583
583
584
585
586
588
588
590
594
625
628
oprac. BPK