Скорость хим.р-и. Общая скорость хим.пр-са.

 

Скорость химической реакции, протекающей в реакторе, описывается общим уравнением:

V = K* L *DC

L -параметр, характеризующий состояние реагирующей системы; К - константа;

DС-градиент концентраций, представляющий частный случай движущей силы реакции.

Движущей силой процесса (ДС) называется разность между предельным значением данного параметра процесса (температура, давление, концентрация) и его действительным значением в данный момент времени, т.е.DТ, DР, DС. Чем больше ДС процесса при постоянстве других параметров, тем выше скорость характеризуемого этим параметром процесса. К и a - различны для гетерогенных и гомогенных систем. Для реакций, протекающих в гомогенной системе, скорость определяется количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема системы

V_гом= k*V*DC

К- константа скорости химической реакции,

V –реакционный объем, величина которого обратно пропорциональна времени контактирования.

Для реакций, протекающих в гетерогенной системе, количество получаемого целевого продукта в единицу времени относят к единице поверхности соприкосновения фаз, на которой протекает реакция:

V _гет. = k_m*DС*F

k - коэффициент массопередачи, представляющий количества вещества в кг, передаваемого из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз равную 1 м² при градиенте концентрации равном 1 кг/м² в течение одного часа, м/ч.

F – поверхность раздела фаз м²

Выражение для ДС процесса DС зависит от обратимости химической реакции. Для необратимых гомогенных реакций:

DА+bB = dD +DH (8.3)

ДС равна произведению конечных концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

DС=С_Aа* С_Вb (8.4)

Для обратимых гомогенных реакций:

аА+вВ= dD (8.5)

ДС представляет произведение разности конечных концентраций реагирующих веществ и их равновесных концентраций:

DС= (С_А – С_Ах) а - (С_В – С_Вх)в (8.6)

С_А и С_В - концентрации вещества на выходе из реактора;

С_Ах и С_Вх – равновесная концентрация веществ.

Одним из важнейших условий интенсификации ХТП, от которых зависят производительность и размеры аппарата, является повышение скорости химической реакции. В общем случае она является функцией четырех переменных: константы скорости или коэффициента массопередачи k (k_М ), ДС процесса DС, реакционного объема V, поверхности раздела фаз F, увеличение каждой из них способствует увеличению скорости реакции.

1.Константа k (km) – сложный параметр, значение которого зависит от химической природы и физических характеристик реагентов, их агрегатного состояния, конструкции реактора. Она может быть увеличена за счет повышения температуры, использования катализатора и т.п.

2. Реакционный объем связан со временем пребывания реагентов в зоне реакции и его увеличение определяет возможность достижения равновесия химических реакций.

3.Увеличение поверхности раздела фаз достигается:

- для системы Г-Ж созданием пленки жидкости, стекающей по насадке, вспениванием жидкости и т.п.;

– для системы Г-Т фильтрацией газа через твердую фазу и перемешиванием;

– для системы Ж-Т измельчением твердой фазы, применением кипящего слоя и т.п.;

– для системы Ж-Ж интенсивным перемешиванием, созданием эмульсии.

4. Увеличение ДС обеспечивается:

– повышением концентрации реагентов за счет использования более концентрированного сырья;

– увеличением давления для систем с участием газообразных веществ;

– уменьшением концентрации продуктов реакции отводом их из системы;

– изменением температуры и как следствие интенсификацией процессов сорбции и десорбции реагентов и продуктов реакции.

Общая скорость химического процесса

Поскольку для гетерогенных систем процессы в зонах реактора 1, 3 и 2 подчиняются различным законам, они протекают с различной скоростью. Общая скорость химического процесса в реакторе определяется скоростью наиболее медленной стадии его. Здесь возможны два крайних случая:

1.Скорость химической реакции (в зоне 2) меньше скорости физических процессов подвода реагентов и отвода продуктов (в зонах 1 и 3).

Поскольку для гетерогенных систем процессы в зонах реактора 1, 3 и 2 подчиняются различным законам, они протекают с различной скоростью. Общая скорость химического процесса в реакторе определяется скоростью наиболее медленной стадии его. Здесь возможны два крайних случая:

1.Скорость химической реакции (в зоне 2) меньше скорости физических процессов подвода реагентов и отвода продуктов (в зонах 1 и 3).

V _хр < V _{под (от)}

В этом случае химический процесс лимитируется скоростью химической реакции и ускоряется факторами, влияющими на нее: повышение температуры, увеличение концентрации реагентов, повышение давления (для газообразных систем). Принято говорить, что в этом случае гетерогенный химический процесс протекает в кинетической области.

2.Скорость химической реакции (в зоне 2) больше скорости физических процессов подвода реагентов и отвода продуктов (в зоне 1 и 3)

V _хр> V _{под (от})

В этом случае химический процесс лимитируется процессом диффузии (масса переноса) компонентов к поверхности раздела фаз и обратно и ускоряется факторами, влияющими на диффузию: повышение давления, перемешивание, гомогенизация системы. Принято говорить, что в этом случае гетерогенный химический процесс протекает в диффузионной области.

Очевидно, что зависимость скорости процесса от важного фактора – температуры в этих областях различна.