Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Поскольку химико-технологический процесс представляет совокупность физических и химических явлений на пути от сырья к целевому продукту, то его скорость (V) можно представить как функцию скоростей физических (Uф1, Uф2, Uф3…Uфn) и химических (Ux1, Ux2, Ux3… Uxn) процессов:
U = f (Uф1, Uф2, Uф3, … Uфn, Uх1, Uх2, Uх3…Uхn)
Любой из них в составе химико-технологического процесса может оказаться самым медленным, определяющим скорость всего ХТП. На практике часто самой медленной стадией ХТП является химическая реакция.
Во всяком химической реакции можно выделить три стадии ее протекания: 1) подвод веществ в зону реакции; 2) химическая реакция; 3) отвод полученных продуктов из зоны реакции. Суммарная скорость реакции может определяться любой из трех перечисленных стадий, поскольку каждая из них в каком-либо конкретном процессе может оказаться самой медленной, лимитирующей скорость всей реакции. Если скорость химической реакции лимитируется скоростью подвода реагентов в зону реакции или скоростью отвода продуктов из зоны реакции, то говорят, что такая реакция протекает в диффузионном режиме.
Если скорость реакция лимитируется скоростью химического превращения, говорят, что реакция протекает в кинетическом режиме.
Скорость реакции определяется количеством прореагировавшего исходного вещества или количеством полученного продукта в единицу времени в единице объема системы. Например, для простой необратимой реакции типа А → r R выражение скорости будет иметь следующий вид:
U = - 1 * dNa = 1 * dNR (4)
v dt v dt
где и - скорость реакции;
NA, NR - количества реагента А и продукта реакции соответственно;
V - объем системы;
t - время
Если объем системы в ходе реакции не изменяется, т.е. V = const,
то NА = СA, NR = СR (5)
V V
где СA и СR - молярные концентрации соответственно исходного
вещества А и продукта реакции
Выражение для скорости реакции A → rR с учетом выше приведенного уравнения можно представить следующим образом:
U = - dCA = dCR (6)
dt dt
Таким образом, если объем системы в ходе реакции не изменяется, скорость реакции можно определить как изменение концентрации одного из участвующих в ней веществ в единицу времени.
В основе представлений о скорости химических превращений лежит закон действующих масс, утверждавший, что скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Математическое выражение закона действующих масс для простой химической реакции
аА + вВ → rR (7)
протекающей в кинетическом режиме, выглядит следующим образом
U = K* CaA * CbB (8)
где СА и Cв - концентрации исходных реагентов;
а, b - стехиометрические коэффициенты;
К - константа скорости реакции.
Константа скорости реакции (К) учитывает природу взаимодействующих веществ и температуру. Для конкретной реакции при определенной температуре ее величина постоянна.
Влияние температуры на константу скорости реакция описывается уравнением Аррениуса:
– Е
RT
K = K0 * e (9)
где Ко - константа;
e - натуральное число,
Е - энергия активации реагирующих веществ,
R - универсальная газовая постоянная.
Выражение для скорости простой гомогенной реакции с учетом (9) можно представить в следующем виде:
– Е
RT
U = K0 * e * CaA * CbB (10)
Скорость диффузионно-контролируемых реакций, к которым чаще всего относятся гетерогенные, определяется либо интенсивностью подвода исходных реагентов в зону реакции, либо отводом продуктов из зоны реакции и может быть представлена следующей зависимостью:
U= K*F* ΔC (11)
где К - константа скорости процесса, зависящая от температуры и природы взаимодействующих веществ;
Р - площадь поверхности, через которую идет массоперенос реагирующих или образующихся веществ;
Δ С- градиент концентрации, под действием которого протекает процесс диффузии.
Приведенные выражения скоростей реакции (9) и (10) позволяют сформулировать некоторые общие принципы интенсификации химико-технологических процессов. Так, на скорость реакций, протекавших в кинетическом режиме, можно повлиять изменением температуры, давления, концентрации реагирующих веществ, введением катализатора. Диффузионно-контролируемые процессы можно интенсифицировать гомогенизацией, перемешиванием, турбулизацией, рациональным выбором направления взаимодействующих потоков, выбором оптимальной температуры.
Выбор основных факторов для интенсификации произвольного химико-технологического процесса определяется в каждом конкретном случае с учетом природы взаимодействующих веществ на основе технико-экономических расчетов. Рассмотрим влияние некоторых факторов на скорость ХТП более подробно.
1. Повышение температуры вызывает увеличение скорости движения взаимодействующих частиц, и, как следствие, приводит к ускорению любых простых необратимых процессов. Если же протекание реакции осложнено возможностью взаимодействия образующихся веществ или возможностью превращения исходных реагентов по другому пути, требуется тщательное изучение процесса с целью выбора оптимального температурного режима, который бы позволил получить максимальное количество целевого продукта в единицу времени. Так, для обратимой экзотермической реакции типа aR rR практический выход продукта за определенный реальный промежуток времени от температуры проходит через максимум, а для аналогичной эндотермической реакции постоянно растет с повышением температуры.
Повышение температуры широко используется для интенсификации многих гетерогенных и гомогенных процессов в различных отраслях народного хозяйства: в металлургии, при производстве строительных материалов, минеральных удобрений, топлив, полимеров, пищевых продуктов, полупроводниковых материалов и т.д. В отдельных случаях реальные процессы проводятся ниже уровня оптимальных температур, что обусловлено отсутствием подходящих конструкционных материалов или относительно высокой стоимостью тепловой энергии.
2. Повышение концентрации взаимодействующих веществ может достигаться за счет повышения давления реагирующих газов или путем вывода из реактора образующихся продуктов. Для ускорения отвода газообразных продуктов используют вакуум, конденсацию, адсорбцию и т.д., а для ускорения отвода жидких продуктов - кристаллизацию, испарение.
3. Повышение давления используется для интенсификации процессов с участием газов. Это позволяет наряду с увеличением скорости реакций достигнуть значительной экономии за счет уменьшения размеров аппаратов и диаметров трубопроводов.
Применение повышенного давления может оказаться нецелесообразным в случае использования низкоконцентрированных газов из-за высоких энергетических затрат.
4. Использование катализаторов в химической технологии приобретает все более широкое распространение, поскольку позволяет снижать температуру процессов и проводить некоторые реакции со скоростями иногда в тысячи раз большими, чем в отсутствие катализаторов. Влияние катализаторов на скорость протекания химических реакций объясняется снижением энергии активации (Е), т.е. снижением той минимальной энергии, которую должны иметь взаимодействующие молекулы для того, чтобы могло произойти химическое превращение.
5. Гомогенизация или повышение однородности реагирующих смесей веществ способствует увеличению скоростей любых реакций, но особенно сильно влияет на протекание гетерогенных процессов, типа Т-Г, Т-Ж, Ж-Г, Т-Т-Ж и т.п., поскольку облегчает доставку исходных реагентов в зоны реакций и отвод образующихся продуктов. Для достижения высокой однородности реагирующих смесей используются механические, пневматические и электромагнитное перемешивание, вибрация, ультразвук, криохимические методы, соосаждение, распылительная сушка и т.д.
Дата публикования: 2014-11-04; Прочитано: 4062 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!