procese unitare chimice si biochimice volumul 1

8/10/2019 Procese unitare chimice si biochimice Volumul 1

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LCRMIOARA RUSU

MARIA HARJA

PROCESE UNITARECHIMICE I BIOCHIMICE

I. Procese unitare chimice

IA%I, 2007

Editura PIM


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Autori: Lcrmiora RusuMaria Harja

Refereni tiinifici:Prof.univ.dr.ing. Ion Balasanian,Universitatea Tehnic Gh.Asachi IaiProf.univ.dr.ing. Lucian GavrilUniversitatea din Bacu

EDITUR$ACREDITAT$CNCSIS BUCURE'TI66/01.05.2006

Descrierea CIP a Bibliotecii Na&ionale a Romniei

RUSU, L!CR!MIOARAProcese unitare chimice 'i biochimice/ L$cr$mioara

Rusu, Maria Harja. - Iai : PIM, 2007-

2 vol.

ISBN 978-973-716-744-6Vol. 1. - 2007. - Bibliogr. - ISBN 978-973-716-745-3

I. Harja, Maria

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Cuprins

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CUPRINSPREFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1CUPRINS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1. INTRODUCERE.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. REACII CHIMICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1 Clasificarea reaciilor chimice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2. Stoechiometria reaciilor chimice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3. Mrimi caracteristice reaciilor chimice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4. Termodinamica reaciilor chimice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5. Cinetica reaciilor chimice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3. PROCESE CHIMICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1. Clasificarea proceselor chimice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2. Descrierea matematica proceselor chimice. Modelare . . . . . . 343.3. Procese chimice n sistem omogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3.1. Bilanul de mas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.2. Bilanul termic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3.3. Echilibrul termodinamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.4. Modelarea proceselor chimice omogene . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4. PROCESE CHIMICE N SISTEM ETEROGEN. . . . . . . . . . . 493.4.1. Bilanul de mas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4.2. Bilanul termic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4.3. Modelarea proceselor chimice eterogene gaz lichid - solid 52

3.5. PROCESE CHIMICE CATALITICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.5.1 Procese chimice catalitice n sistem omogen . . . . . . . . . . . . . . 58

3.5.2. Procese chimice catalitice n sistem eterogen. . . . . . . . . . . . . 643.5.2.1. Cinetica reaciilor catalitice eterogene . . . . . . . . . . . . . . 663.5.2.2. Obinerea catalizatorilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.5.2.3. Principii tehnologice de formare a catalizatorilor . . . . . . 78 4. REACTOARE CHIMICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.1. Clasificarea i descrierea reactoarelor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.2. Modelul matematic al reactorului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3. Tipuri constructive de reactoare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.4. Modelarea i dimensionarea reactoarelor solid lichid . . . . . . 103

4.4.1. Bilande masi termic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.4.2. Modelarea proceselor chimice eterogene solid lichid . . . . . 106

4.4.3. Hidrodinamica reactoarelor solid lichid . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.4.3.1. Calculul vitezei minime de agitare . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.4.3.2. Calculul puterii agitatorului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.4.4. Procese de transfer de clduri masn reactoare solid lichid cu agitare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120


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Procese unitare chimice i biochimice

4

4.4.5. Modele matematice pentru reactorul s l cu agitare . . . . 124

4.4.6. Calculul diametrului i nlimii reactorului . . . . . . . . . . . 1304.4.7. Calculul termic. Dimensionarea izolaiei reactorului . . . . 132

5. PROCESE UNITARE CHIMICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.1. Alchilarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.1.1. Tipuri de reacii de alchilare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.1.2. Ageni de alchilare i catalizatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.1.3. Mecanismul i cinetica reaciilor de alchilare . . . . . . . . . . . . 137

5.1.3.1. Mecanismul alchilrii hidrocarburilor aromatice . . . . . 1375.1.3.2. Termodinamica alchilrii hidrocarburilor aromatice . . 1395.1.3.3. Cinetica alchilrii hidrocarburilor aromatice . . . . . . . . 1405.1.3.4. Mecanismul alchilrii hidrocarburilor parafinice . . . . . 1485.1.3.5. Termodinamica alchilrii parafinelor . . . . . . . . . . . . . . 1505.1.3.6. Cinetica alchilrii parafinelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.1.4. Aplicaii industriale ale procesului de alchilare . . . . . . . . . . . 1515.1.4.1. Aplicaii industriale ale alchilrii benzenului cu olefine 1515.1.4.2. Aplicaii industriale ale alchilrii fenolului cu olefine . 1525.1.4.3. Aplicaii industriale ale alchilrii izobutanului cu

olefine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

153

5.1.4.4. Aplicaii industriale ale alchilrii cu formarea C - Me 154

5.2. Hidrogenarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.2.1. Tipuri de reacii de hidrogenare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.2.2. Ageni de hidrogenare, catalizatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615.2.3. Mecanismul i cinetica reaciilor de hidrogenare . . . . . . . . . . 162

5.2.3.1. Mecanismul reaciilor de hidrogenare . . . . . . . . . . . . . . 1625.2.3.2. Termodinamica reaciilor de hidrogenare. . . . . . . . . . . . 1675.2.3.3. Cinetica reaciilor de hidrogenare . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5.2.4. Aplicaii industriale ale procesului de hidrogenare . . . . . . . . 1715.2.4.1. Aplicaii industriale ale hidrogenrii olefinelor . . . . . . 171

5.2.4.2. Hidrogenarea benzenului . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 1725.2.4.3. Hidrogenarea compuilor coninnd oxigen . . . . . . . . . 1735.2.4.4. Hidrogenarea compuilor coninnd azot . . . . . . . . . . . 177

5.3. Oxidarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795.3.1. Tipuri de reacii de oxidare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795.3.2. Ageni de oxidare i catalizatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1815.3.3. Mecanismul i cinetica reaciilor de oxidare . . . . . . . . . . . . . 185

5.3.3.1. Mecanismul reaciilor de oxidare . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855.3.3.2. Termodinamica reaciilor de oxidare a parafinelor . . . . 190

5.3.3.3. Cinetica reaciilor de oxidare a parafinelor . . . . . . . . . . 1915.3.4. Aplicaii industriale a reaciilor de oxidare a parafinelor . . . 195

5.4 Nitrarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 1995.4.1. Tipuri de reacii de nitrare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199


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Cuprins

5

5.4.2. Ageni de nitrare, catalizatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2005.4.3. Mecanismul i cinetica nitrrii hidrocarburilor . . . . . . . . . . . 202

5.4.3.1. Mecanismul nitrrii hidrocarburilor aromatice . . . . . . . 2025.4.3.2. Termodinamica nitrrii hidrocarburilor aromatice . . . . 2035.4.3.3. Cinetica nitrrii hidrocarburilor aromatice .. . . . . . . . . . 2045.4.3.4. Mecanismul nitrrii hidrocarburilor parafinice . . . . . . . 2065.4.3.5. Termodinamica nitrrii hidrocarburilor parafinice . .. . . 2075.4.3.6. Cinetica nitrrii hidrocarburilor parafinice . . . . . . . . . 208

5.4.4. Aplicaii industriale ale procesului de nitrare . . . . . . . . . . . . . 2095.4.4.1. Aplicaii industriale ale nitrrii hidrocarburilor

aromatice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

209

5.4.4.2. Aplicaii industriale ale nitrrii hidrocarburilorparafinice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

212

5.5. Sulfonarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2155.5.1. Tipuri de reacii de sulfonare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2155.5.2. Ageni de sulfonare, catalizatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2165.5.3. Mecanismul i cinetica sulfonrii hidrocarburilor . . . . . . . . . 219

5.5.3.1. Mecanismul sulfonrii hidrocarburilor aromatice . . . . . 2195.5.3.2. Termodinamica sulfonrii hidrocarburilor aromatice . . 2205.5.3.3. Cinetica sulfonrii hidrocarburilor aromatice . . . . . . . . 221

5.5.3.4. Mecanismul reaciilor de sulfoxidare a parafinelor . . . . 2235.5.3.5. Mecanismul reaciilor de sulfoclorurare . . . . . . . . . . . . 2255.5.4. Aplicaii industriale ale procesului de sulfonare . . . . . . . .. . 226

5.5.4.1. Aplicaii industriale ale sulfonrii hidrocarburiloraromatice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

228

5.5.4.2. Aplicaii industriale ale sulfoxidrii . . . . . . . . . . . . . . . 2325.5.4.3. Aplicaii industriale ale sulfoclorurrii . . . . . . . . . . . . . 232

5.6. Esterificarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2345.6.1. Tipuri de reacii de esterificare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

5.6.2. Catalizatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2385.6.3. Mecanismul i cinetica reaciilor de esterificare . . . . . . . . . . . 239

5.6.3.1. Mecanismul esterificrii acizilor carboxilici . . . . . . . . . 2395.6.3.2. Termodinamica esterificrii acizilor carboxilici . . . . . . 2415.6.3.3. Cinetica esterificrii acizilor carboxilici . . . . . . . . . . . . 2425.6.3.4. Mecanismul esterificrii anhidridelor cu alcooli. . . . . . . 2445.6.3.5. Termodinamica esterificrii anhidridelor cu alcooli 2465.6.3.6. Cinetica esterificrii anhidridelor cu alcooli . . . . . . . . 246

5.6.4. Aplicaii industriale ale procesului de esterificare . . . . . . . . 248

5.6.4.1.Aplicaii industriale esterificrii acizilor carboxilici cualcooli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

248

5.6.4.2.Aplicaii industriale esterificrii anhidridelor cu alcooli 2565.7. Hidroliza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261


7/7

Procese unitare chimice i biochimice

6

5.7.1. Tipuri de reacii de hidroliz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2615.7.2. Mecanismul i cinetica reaciei de hidroliz. . . . . . . . 263

5.7.2.1. Mecanismul reaciei de hidroliza esterilor . . . . . . . . . . 2635.7.2.2. Termodinamica reaciei de hidroliza esterilor . . . . . . 2655.7.2.3. Cinetica reaciei de hidroliza esterilor . . . . . . . . . . . . . 2665.7.2.4. Mecanismul i cinetica reaciei de hidroliza

halogenurilor organice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

268

5.7.3. Aplicaii industriale ale procesului de hidroliz. . . . . . . . . . 269 5.7.3.1. Aplicaii industriale ale procesului de hidroliza

esterilor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

269

5.7.3.2. Aplicaii industriale ale procesului de hidrolizahalogenurilor organice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

5.7.3.3. Aplicaii industriale ale procesului de hidrolizahidrailor de carbon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

275

5.8 Polimerizarea i policondensarea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2775.8.1. Polimerizarea radicalic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2775.8.2. Polimerizarea ionic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2825.8.3. Polimerizarea ionic - coordinativ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2835.8.4. Copolimerizarea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

5.8.5. Polimerizarea condensativ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

5.8.6. Relaii cinetice n policondensare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6. Aplicaii practice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2896.1. Studiul procesului de obinere a stearailor metalici. . . . . . . . . 289

6.1.1.Consideraii generale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 6.1.2. Studiul influenei principalilor parametri asupra fazei de

sintez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .291

6.1.3. Metode de caracterizare a stearailor obinui. . . . . . . . . . . . . 2936.2 Studiul proceselor chimice catalitice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2966.2.1. Consideraii generale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

6.2.2. Etapele proceselor catalitice eterogene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 6.2.3. Stabilirea etapei determinante de vitezpentru proceselecatalitice eterogene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

297

6.2.4. Cinetica proceselor catalitice eterogene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

6.2.5. Reactoare experimentale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

6.2.6. Analiza empirica datelor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3036.2.7. Metode de preparare a unor catalizatori. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

6.3. Studiul procesului de esterificare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3086.3.1. Consideraii generale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

6.3.2. Studiul cinetic al procesului de esterificare n mediu omogen 3136.3.3. Studiul cinetic al procesului de esterificare azeotrop. . . . . . . 315

Bibliografie . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

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