3. Скорость химико-технологических процессов

Цель любого химико-технологического процесса состоит в том, чтобы получить целевой продукт из имеющегося сырья с возможно более низкой себестоимостью. Для этого необходимо обеспечить минимальные расходные коэффициенты сырья, материалов, электроэнергии, воды, топлива. Для снижения расходных коэффициентов сырья технологический процесс необходимо вести так, чтобы степень превращения, выход целевого продукта и селективность (для сложных реакций) 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. Поэтому окончательный выбор условий можно сделать только после изучения кинетики процесса, которая изучает вопросы скорости химических превращений. Учитывая кинетику процесса, можно выбрать такие условия, при которых реакция будет протекать не только с высоким выходом продукта, но и с большой скоростью.

Для химической технологии важен конечный результат кинетических исследований - конкретный вид уравнения, позволяющего рас­считывать скорость химической реакции при различных условиях ее проведения. Кинетические уравнения, содержащие необходимую ин­формацию об основных закономерностях химических превращений, являются первоосновой математической модели химического реактора. Без знания кинетических закономерностей невозможно правильно выбрать тип реактора и рассчитать его конструктивные размеры.

Вопросы изучения кинетики химических реакций, определения кинетических параметров подробно рассматриваются в руководствах по физической химии и химической кинетике. Здесь основное внима­ние будет обращено на практические приложения результатов кине­тических исследований.

1. Скорость гомогенных химических реакций

Скорость химической реакции – это изменение концентрации одного из реагентов или продуктов реакции в единицу времени в единице объёма.

Скорость реакции υ принято выражать количеством (моль) n одного из реагентов или продуктов, прореагировавшим (или образовавшимся) в единицу времени τ в единице реакционного пространства.

Для гомогенной химической реакции

(3.1)

где V – реакционный объём.

Скорость химической реакции может быть измерена по любому компоненту, участвующему в реакции. Она всегда положительна, поэтому знак перед производной dn_i/dτ определяется тем, является ли вещество исходным реагентом (тогда dn_i/dτ отрицательна) или продуктом (тогда dn_i/dτ положительна).

Если реакция протекает при постоянном объёме, скорость определяют как изменение молярной концентрации c_i в единицу времени:

(3.2)

Изменение концентрации исходного вещества и продукта реакции в течение процесса характеризуется кривыми, которые различны для простых и сложных реакций.

Рис. 3.1. Типичные кривые изменения концентраций веществ во времени для простых реакций типа А→B (возрастание концентрации продукта и уменьшение концентрации исходного вещества).

Для простых реакций, протекающих по схеме А→B, концентрация исходного вещества с_А уменьшается во времени от начальной с_Ао до нуля для необратимых процессов и до равновесной с_А^* для обратимых процессов. Соответственно концентрация продукта с_B увеличивается от нуля до соответствующей степени превращения х=1 для необратимых процессов идо концентрации с_В^*, соответствующей равновесной степени превращения х^* для обратимых процессов.

Если химическая реакция описывается стехиометрическим уравнением

aA + bB → rR + sS

то изменение количеств реагентов и продуктов Δn_i в результате её протекания связаны между собой соотношениями

Скорости реакции, определённые по изменению количества различных веществ в соответствии с уравнениями (3.1) или (3.2), количественно различаются между собой, если не равны стехиометрические коэффициенты у этих веществ. Для устранения этого неудобства скорость реакции определяют по уравнению:

(3.3)

где i – стехиометрический коэффициент у вещества, по которому рассчитывают скорость реакции.

Тогда скорость приводится к общему знаменателю и независимо от того, по изменению какого конкретного реагента или продукта она определялась, будет численно одинакова, т.е.

Экспериментально скорость химической реакции определяют, изучая изменение во времени концентрации некоторого реагента или продукта.

Численно скорость реакции выражают в единицах концентрации, отнесённых к единице времени, например в кмоль/(м³·ч); моль/(л·с) и т.д.

Большинство химических реакций относится к сложным, т.е. состоит из нескольких элементарных. Скорость таких процессов зависит не только от скорости прямой реакции, но и от скорости обратной и побочных реакций.

Скорости отдельных реакций различаются чрезвычайно сильно. Известны реакции, протекающие очень быстро, например, взаимодействие водорода с хлором на свету, реакции крекинга углеводородов. Другие же реакции, например, окисление железа, идут очень медленно.