Номер 2, страница 141 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

2. Охарактеризуйте основные методы и принципы химической технологии: метод кипящего слоя, принципы теплообмена, циркуляции, противотока.

метод кипящего слоя

Это технологический процесс, в котором слой твердых частиц переводится в псевдоожиженное состояние (так называемый "кипящий слой") путем пропускания через него снизу вверх потока газа или жидкости. При достижении определенной скорости потока (скорости псевдоожижения) сила лобового сопротивления потока уравновешивает силу тяжести частиц. В результате частицы оказываются взвешенными в потоке, и вся система "твердые частицы — флюид" начинает вести себя подобно жидкости: интенсивно перемешивается, обладает текучестью, а его поверхность устанавливается горизонтально. Основными преимуществами метода являются: (1) исключительно интенсивный тепло- и массообмен между частицами и омывающим их флюидом; (2) высокая равномерность температуры по всему объему слоя (изотермичность), что предотвращает локальные перегревы и позволяет точно контролировать реакцию; (3) удобство непрерывной подачи и выгрузки твердого материала. К недостаткам относятся: износ (истирание) частиц и эрозия аппаратуры, унос мелких частиц потоком, а также повышенные энергозатраты на прокачку флюида. Метод находит применение в каталитическом крекинге, обжиге сульфидных руд, сжигании топлива, сушке и грануляции.

Ответ: Метод кипящего слоя — это способ организации гетерогенных процессов "газ(жидкость) — твердое тело", при котором твердые частицы поддерживаются во взвешенном состоянии восходящим потоком флюида, что обеспечивает интенсивное перемешивание, высокие скорости тепло- и массопередачи и равномерность температуры в реакционном объеме.

принципы теплообмена

Принципы теплообмена в химической технологии лежат в основе управления температурными режимами процессов, нагрева реагентов, охлаждения продуктов и рекуперации (повторного использования) энергии. Теплопередача осуществляется тремя основными механизмами: теплопроводностью (перенос теплоты внутри тел или между контактирующими телами за счет движения микрочастиц), конвекцией (перенос теплоты движущимися потоками жидкости или газа) и тепловым излучением (перенос теплоты с помощью электромагнитных волн). В химических аппаратах (теплообменниках) эти механизмы действуют совместно. Основной расчетной формулой для теплообмена является уравнение теплопередачи: $Q = K \cdot A \cdot \Delta T_{ср}$, где $Q$ – количество передаваемой теплоты (тепловой поток), $K$ – коэффициент теплопередачи, учитывающий термическое сопротивление стенки и пограничных слоев теплоносителей, $A$ – площадь поверхности теплообмена, а $\Delta T_{ср}$ – средняя движущая сила процесса, т.е. средняя разность температур между горячим и холодным теплоносителями. Эффективное использование теплообмена, например, подогрев исходного сырья теплом уходящих продуктов, является ключевым фактором энергосбережения и экономической эффективности химического производства.

Ответ: Принципы теплообмена — это фундаментальные законы и методы управления переносом тепловой энергии в технологических процессах с помощью теплопроводности, конвекции и излучения с целью поддержания заданных температурных режимов, нагрева и охлаждения потоков, а также повышения энергоэффективности производства за счет рекуперации тепла. Ключевой задачей является максимизация теплового потока при минимальных затратах.

принцип циркуляции

Принцип циркуляции (или рецикла) заключается в возврате части потока, выходящего из технологического аппарата (чаще всего реактора), обратно на его вход. Этот прием используется для достижения нескольких целей. Во-первых, для увеличения степени превращения реагентов в обратимых реакциях. После реактора продукты отделяются от непрореагировавших веществ, которые затем возвращаются в цикл. Это смещает химическое равновесие в сторону образования продуктов (согласно принципу Ле Шателье). Классический пример — синтез аммиака в процессе Габера-Боша. Во-вторых, циркуляция используется для регулирования температуры в реакторе, особенно при сильно экзотермических процессах, когда часть холодного или охлажденного потока подмешивается к свежему сырью для отвода избыточного тепла. В-третьих, для разбавления концентрированного сырья или для поддержания оптимальной концентрации реагентов с целью повышения селективности процесса (выхода целевого продукта по отношению к побочным). Применение циркуляции усложняет и удорожает технологическую схему за счет дополнительного оборудования (сепараторов, насосов, компрессоров), но часто является единственным способом достижения требуемых экономических и технологических показателей.

Ответ: Принцип циркуляции — это технологический прием, состоящий в возврате части продуктового потока на вход аппарата для увеличения глубины превращения сырья, контроля температуры, регулирования концентраций и повышения селективности процесса, что позволяет повысить общую эффективность производства, несмотря на усложнение схемы.

принцип противотока

Принцип противотока — это способ организации движения потоков в аппаратах, при котором два взаимодействующих потока (например, греющий и нагреваемый теплоносители или газ и жидкость в абсорбере) движутся в противоположных направлениях. Этот принцип является одним из самых важных в химической технологии, так как он позволяет достичь максимальной эффективности процессов тепло- и массопередачи. Главное преимущество противотока по сравнению с прямотоком (когда потоки движутся в одном направлении) заключается в поддержании более высокой и постоянной средней движущей силы процесса (разности температур, концентраций) по всей длине аппарата. В противоточном теплообменнике самый горячий участок холодного потока контактирует с самым горячим участком горячего потока, а самый холодный — с самым холодным. Это позволяет не только минимизировать требуемую площадь теплообмена ($A$) для передачи заданного количества тепла ($Q$) согласно уравнению $Q = K \cdot A \cdot \Delta T_{ср}$, но и достичь уникального результата: температура нагреваемого потока на выходе может стать выше температуры греющего потока на выходе. Принцип противотока реализуется в кожухотрубных и пластинчатых теплообменниках, абсорбционных и ректификационных колоннах, экстракторах и других аппаратах.

Ответ: Принцип противотока — это организация взаимно противоположного движения двух взаимодействующих потоков в технологическом аппарате, обеспечивающая максимальную среднюю движущую силу процесса (тепло- или массопереноса) и, как следствие, наибольшую эффективность аппарата, позволяя минимизировать его размеры и энергозатраты.