Химические процессы

Химический процесс – явление взаимодействия химической реакции и процессов переноса на молекулярном уровне, которые являются его составляющими.

Группа А (по ф/х признакам, характеризующих протекающую реакцию)

Группа Б (физические признаки, характеризующие фазовый состав с реагентом)

Группа А:

1. тип химической реакции:

• прямое химическое взаимодействие
• реакция с химическим воздействием (каталитическая реакция)
• реакция с физическим воздействием (под действием света, радиационная реакция, электрохимическая реакция)

1. термодинамические показатели:

а) тепловой эффект:

· экзотермический процесс

· эндотермический процесс

· смешанный ХП

б) направленность превращения:

· обратимые ХП (до Хр)

· необратимые (нет равновесия, не достигается)

· смешанные ХП

1. кинетические характеристики:

а) схема превращения

· простая реакция

· сложная (параллельная, последовательная)

· общий случай

б) кинетическая модель

r = f (С, T)

Группа Б

1.фазовый состав:

а) число участвующих фаз с реагентами:

· гомогенный ХП (все реагенты в одной фазе)

· Гетерогенный (многофазный)

1. состояние фаз

а) газ

б) жидкость

в) твердое

основная цель изучения ХП изучение скорости превращения в нем и влияния на ХП условий протекания.

Гомогенный ХП – процесс протекающий в одной фазе. В этой фазе выровнены все условия протекания реакции во всем выделявшемся объеме.

1. простоя реакция

а) необратимая

Гетерогенный химически процесс – процесс, в котором исходные вещества и в общем случае продолжают находится в разных фазах.

Аг + Втв = Rг + S

Гетерогенные процессы подразделяют:

1. «газ - твердое»

а) адсорбция

б) десорбция

в) обжиг руды

г) окисление Ме

д) горение тв. топлива

1. «газ - жид»

а) адсорбция

б) десорбция

в) дистилляция

г) ректификация (протекает с химическим взаимодействием)

1. «жид - тв»

а) адсорбция

б) десорбция

в) кристаллизация

г) растворение

д) выщелачивание

1. «жид - жид» (несмачивающие)

а) экстракция

б) эмульгирование

1. «тв - тв»

а) процесс спекания (производство цемента)

б) высокотемпературный синтез неорг материала

1. многофазная система.

В гетерогенных ХП реактанты находятся в разных фазах, а реакция протекает либо на границе раздела фаз, либо в одной из фаз.

1. «Газ – тв» («жид - тв»)

Aг + Bт = Rг (модель «сжимающаяся сфера»)

происходит уменьшение размера твердого материала по мере протекания процесса вплоть до его исчезновения

структура процесса:

В газовой фазе:

• I Перенос реагента А из газового потока к поверхности твердой частицы
• II Реакция А с твердым В на наружной поверхности частицы
• Перенос продукта реакции R от поверхности в газовый поток

В твердой фазе:

• II Реакция В с газообразным компонентом А поверхности
• Изменение (уменьшение) размера частицы r

Допущения:

1. тв частица – шарообразной формы.
2. поверхность частицы тв. – равнодоступна, т.е. перенос между потоком и частицей, одинаков по всей поверхности.
3. Т_потока = Т_{частицы}

По мере протекания процесса происходит уменьшение размера тв материала, вплоть до его исчезновения. (размер = 0, реакция прошла до конца).

Математическая модель:

W_I = W_II

W_I = -bSr(C₀ - C_П)

W_II = -k(C_П)Sr, где: b - коэффициент массообмена, k - константа скорости реакции, Sr – поверхность твердой частицы, tк - время полного превращения, C0 - концентрация А в потоке, R₀ - первонач. радиус частицы, C_П - концентрация А на поверхности, r - радиус частицы.

Наблюдаемая скорость:

Wн=-kCп=-kC0/(1+k/b)=Kн*C0

Наблюдаемая скорость превращения, отнесенная к одной частице:

Wн(част)= WнSr= Wн*4pr2= - 4pR02КНC0r2= -4pR02КНC0(1 - t/tк)2

Изменение во времени t безразмерного радиуса частицы r (а), степени превращения твердого реагента x В (б) и скорости превращения частицы W н(част) (в) для гетерогенного процесса "сжимающаяся сфера". t к - время полного превращения.

r = 1 - t / t к;

х B = 1 - (1 - t / t к)1/3;

Wн(част) = -4pR02КНC0(1 - t/tк)2

Лимитирующие стадии и режимы процесса

· Если k<<b, т.е. реакция малоинтенсивна; C_П~ C₀, Wн=-kС₀ кинетический режим: Химическая реакция – лимитирующая стадия

· Если k>>b, интенсивность массообмена мала; C_П<< C0, Wн=-b С₀ диффузионный режим: массоперенос – лимитирующая стадия

Влияние условий процесса на скорость превращения

Влияние температуры

Зависимость наблюдаемой константы КН скорости превращения в гетерогенном процессе "сжимающаяся сфера" от температуры Т. Пунктир – k(T).

Режимы процесса:

1 – кинетический (k<<b, Kн=k);

2 - переходный;

3 – диффузионный (k>>b, Kн=b

Влияние скорости газового потока

Зависимость скорости обтекания частицы u от температуры Т.

Режимы процесса:

1 – кинетический (при больших скоростях потока с возрастанием b режим не зависит от u);

2 - переходный;

3 – диффузионный

(b << k, Kн=b и увеличивается с увеличением скорости газового потока).