Номер 3, страница 223 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - номер 3, страница 223.

Условие.

3. Сформулируйте общие принципы управления обратимыми реакциями с неблагоприятным положением равновесия при решении следующих задач:

а) получение высокого выхода продукта реакции;

б) использование специфического для циркуляционных схем способа увеличения производительности реакторов и катализатора;

в) подбор оптимального состава газовой смеси.

Решение.

Решение 2.

Общие принципы управления обратимыми реакциями с неблагоприятным положением равновесия (т.е. с низкой равновесной степенью превращения) основаны на принципе Ле Шателье, который гласит, что если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет это воздействие. Для промышленных процессов цель состоит в том, чтобы максимизировать выход продукта и производительность оборудования.

а) получение высокого выхода продукта реакции;

Для смещения равновесия обратимой реакции в сторону образования продуктов и, следовательно, для получения высокого выхода, необходимо целенаправленно изменять условия процесса:

1. Изменение концентраций:
   • Повышение концентрации исходных веществ (реагентов). Часто один из реагентов, который является более дешевым или доступным, подается в избытке.
   • Понижение концентрации продуктов реакции. Наиболее эффективный способ – непрерывное удаление одного или нескольких продуктов из реакционной зоны по мере их образования. Это заставляет равновесие постоянно смещаться вправо.
2. Изменение давления (для газофазных реакций):
   • Если прямая реакция идет с уменьшением числа молей газообразных веществ (например, синтез аммиака: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, где $\Delta n_{газ} = 2 - (1+3) = -2$), то для смещения равновесия вправо необходимо повышать давление.
   • Если прямая реакция идет с увеличением числа молей газов, то равновесие смещается вправо при понижении давления.
3. Изменение температуры:
   • Для экзотермических реакций (с выделением тепла, $\Delta H < 0$) равновесие смещается в сторону продуктов при понижении температуры. Однако при этом снижается скорость реакции, поэтому на практике выбирают оптимальную температуру, являющуюся компромиссом между скоростью и равновесным выходом, или используют реакторы с постепенным понижением температуры.
   • Для эндотермических реакций (с поглощением тепла, $\Delta H > 0$) равновесие смещается вправо при повышении температуры.

Ответ: Для получения высокого выхода продукта необходимо смещать равновесие в сторону его образования путем создания избытка реагентов, непрерывного удаления продуктов из реакционной смеси, подбора оптимального давления (повышение при $\Delta n_{газ} < 0$) и температуры (понижение для экзотермических и повышение для эндотермических реакций с учетом кинетических факторов).

б) использование специфического для циркуляционных схем способа увеличения производительности реакторов и катализатора;

Специфическим способом, который позволяет кардинально решить проблему низкого равновесного выхода и одновременно повысить производительность, является организация процесса в циркуляционной схеме. Эта схема включает в себя три основных элемента:

1. Реактор (узел синтеза), где происходит реакция.
2. Сепаратор (узел разделения), где из реакционной смеси выделяется целевой продукт.
3. Компрессор (насос) и линия рецикла, по которой непрореагировавшие реагенты возвращаются на вход в реактор, смешиваясь со свежим сырьем.

Принцип действия этого способа заключается в следующем: даже если степень превращения за один проход через реактор невысока из-за неблагоприятного равновесия, непрерывное удаление продукта в сепараторе и возврат реагентов в цикл позволяют достичь очень высокой (близкой к 100%) общей степени превращения исходного сырья. Это приводит к увеличению производительности (количества продукта, получаемого в единицу времени с единицы объема реактора или массы катализатора), так как:

• Реактор постоянно работает со смесью, обогащенной реагентами, что поддерживает высокую скорость реакции.
• Удается обойти термодинамическое ограничение на выход, так как процесс рассматривается в целом, а не как однократное достижение равновесия.

Ответ: Специфическим способом является применение замкнутого технологического цикла (циркуляционной схемы), в котором реакционная смесь после реактора направляется в сепаратор для извлечения продукта, а непрореагировавшие реагенты возвращаются (рециркулируют) обратно в реактор. Это позволяет достичь высокой суммарной конверсии сырья, несмотря на низкий равновесный выход за один проход.

в) подбор оптимального состава газовой смеси.

Подбор оптимального состава газовой смеси, поступающей в реактор, является ключевой задачей оптимизации, особенно в процессах с рециклом. Он определяется несколькими факторами:

1. Соотношение реагентов. Исходное соотношение может быть стехиометрическим. Однако для смещения равновесия и максимального превращения более ценного компонента часто используют избыток другого, более дешевого реагента.
2. Наличие инертных примесей. Инертные газы (например, аргон в синтезе аммиака), которые не участвуют в реакции, но поступают со свежим сырьем, накапливаются в циркуляционном контуре. Их накопление снижает парциальные давления реагентов, что, согласно закону действующих масс, замедляет реакцию и (в случае реакций с уменьшением объема) сдвигает равновесие в неблагоприятную сторону.
3. Организация продувки. Для борьбы с накоплением инертов часть циркуляционного газа непрерывно выводят из системы – это называется продувкой. Размер продувочного потока является объектом оптимизации: малая продувка ведет к высокому содержанию инертов и снижению производительности, а большая – к значительным потерям ценных реагентов вместе с инертами.
4. Концентрация продукта на входе в реактор. Эффективность сепарации также влияет на состав смеси. Неполное отделение продукта приводит к тому, что он возвращается с рециклом в реактор, снижая движущую силу реакции (разницу между текущими и равновесными концентрациями).

Таким образом, оптимальный состав – это результат технико-экономического компромисса, учитывающего стоимость сырья, затраты на сжатие и рециркуляцию газа, эффективность сепарации и потери с продувкой.

Ответ: Оптимальный состав газовой смеси подбирается путем баланса между стехиометрическим соотношением реагентов (или созданием избытка одного из них), поддержанием низкой концентрации продукта на входе в реактор и, что критически важно для циркуляционных схем, контролем содержания инертных примесей путем организации продувки. Оптимальный состав минимизирует негативное влияние инертов на скорость и равновесие при экономически приемлемых потерях реагентов.