Химических реакций

Цель всякой химической реакции состоит в том, чтобы по­лучить целевой продукт из имеющегося сырья с возможно более низкой себестоимостью. Для этого необходимо обеспечить мини­мальные расходные коэффициенты электроэнергии, воды, сжатого воздуха и, прежде всего, сырья, так как в большинстве случаев сырье является наиболее крупной статьей в себестоимости про­дукции.

Для оценки эффективности химической реакции необходимо использовать критерии, которые отражали бы химическую и физико-химическую сущность происходящих в реакторе процессов.

Таким критерием является степень превращения – Х.

Степень превращения X – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству.

Для простой необратимой реакции

aA + bB ––> rR + sS (27)

XA =	nА,о – nА	=	êDnA ê	, (28)
nА,о	nA,o

где n_Ao - начальное количество вещества А, моль;

n_A – текущее количествo вещества А, моль;

Dn_A – изменение количества реагента А в ходе химической реакции.

Тогда

n_A = n_A,o (1-X_a) (29)

Х_А – выражается в долях (1 ³ X ³ 0) или %% (100 ³ X ³ 0).

В химической реакции могут участвовать несколько химических веществ и степень их превращения может быть рассчитана по каждому реагенту, причем в общем случае эти степени превращения могут быть разными.

Для снижения расходного коэффициента сырья технологический процесс необходимо осуществлять так, чтобы степень превращения (X_A,e = (n_А,о – n_А) /n_А,о) и выход целевого продукта были возможно более высокими и достигались в воз­можно более короткое время, т. е. скорость процесса должна быть возможно более высокой. Это объясняется тем, что скорость ха­рактеризует интенсивность процесса, а интенсивность является одним из основных показателей, определяющих экономичность химического производства.

Скорость химической реакции

aА + bB –––> rR + sS

выражается уравнением (7)

W = k C^a_AC^b_B, (30)

где a и b – частные порядки реакции.

Но константа скорости реакции k выражается уравнением Аррениуса (31)

k = k₀ e^{– E/RT},

Подставив значение k из уравнения (28) в уравнение (27), находим

W = k₀ e ^–E/RT C^a_AC^b_B (32)

Из уравнения (29) следует, что скорость реакции зависит от температуры и от концентрации реагирующих компонентов. Для реакции в газовой фазе скорость зависит от давления, а для каталитических процессов – и от активности катализатора. Таким образом, в общем случае W = f (С, Т, Р, Кат).

Рассмотрим способы увеличения скорости реакции W для про­цессов, протекающих на микроуровне. При этом во всех случаях будем устанавливать условия ведения процесса, при которых до­стигается наиболее высокое значение скорости в течение всего рассматри­ваемого промежутка времени.

Температура оказывает наиболее сильное влияние на скорость хи­мической реакции,так как в уравнении Аррениуса температура входит в показатель степени, однако это влияние неодинаково для различных типов реакций. Каждому типу реакции соответствует свое кинетическое уравнение.

Для простой необратимой реакции:

Скорость простой необратимой реакции

А –––> R ± Q (33)

описывается уравнением

W = k₀ e ^–E/RT C_А, (34)

из которого следует, что при C_А = const и увеличении температуры Т скорость реакции возрастает по экспоненциальному закону (Рис.4).

W

Т

Рис.4. Зависимость скорости реакции W от температуры

Т для простой необратимой реакции (А –––> R ± Q).