Влияние катализатора
Из уравнения Аррениуса (3.5) видно, что принципиально возможен ещё один путь управления скоростью химической реакции – изменение величины энергии активации. Высота энергетического барьера тесно связана с механизмом реакции. Если изменить путь реакции, направив её к конечным продуктам через некоторые новые промежуточные комплексы, то можно изменить и значение энергии активации. Такой путь возможен при применении катализаторов.
Рис.3.3.Энергетическая диаграмма некаталитической и каталитической реакции
Катализаторы могут не только ускорять химическую реакцию, но и направлять ход реакции. Например, из оксида углерода СО и водорода Н2 в зависимости от применённого катализатора можно получить различные вещества: метанол, жидкие углеводороды.
Закономерности гетерогенных процессов
Большинство химических реакций, используемых в химико-технологических процессах, протекает с участием веществ, находящихся в разных фазах. Различают двух- и трёхфазные системы.
Особенностью гетерогенных процессов является то, что они протекают на поверхности соприкосновения реагирующих фаз.
Характерной чертой любого гетерогенного процесса является его многостадийность – наряду с химическими реакциями протекают физические или физико-химические процессы, связанные с переносом вещества из одной фазы в другую (диффузия, абсорбция, адсорбция, испарение и др.).
Сами по себе химические реакции могут протекать гомогенно, т.е. внутри одной из фаз, или гетерогенно, т.е. на границе раздела фаз. На границе раздела фаз протекают реакции между компонентами, один из которых находится в твёрдой фазе, а другой в газовой, жидкой или отдельной твёрдой фазе. Например, гетерогенным будет взаимодействие кислорода с твёрдым углем при горении угля. Реакция же окисления кислородом жидких углеводородов протекает как гомогенная, хотя реагенты и находятся в разных фазах. Жидкие горючие сгорают в паровой фазе, а гетерогенной в этом случае будет не химическая реакция, а предшествующая ей диффузионная стадия испарения жидкости с её зеркала.
В общем случае скорости отдельных стадий, составляющих гетерогенный процесс, могут существенно различаться и по-разному зависеть от изменения параметров технологического режима. Например, температура неодинаково влияет на скорости химической реакции и диффузии.
Под скоростью гетерогенного химического процесса понимают количество одного из реагентов или продуктов реакции, которое прореагирует или образуется в единицу времени на единице поверхности раздела фаз:
где i – стехиометрический коэффициент i-го реагента или продукта; F – реакционная поверхность.
Уравнение скорости гетерогенного ХТП можно записать и следующим образом:
где К – коэффициент массопередачи (зависит от химической природы и физических характеристик реагентов, их агрегатного состояния, гидродинамики процессов, конструкции реактора и др.); Fуд – удельная поверхность контакта фаз, приходящаяся на единицу объёма или массы; ΔС – движущая сила процесса (разность концентраций, давлений).
При анализе гетерогенных процессов выделяют два случая. В первом случае скорость химической реакции больше скорости диффузии, следовательно, диффузия будет лимитирующей стадией, и процесс протекает в диффузионной области. Во втором случае скорость химической реакции мала по сравнению со скоростью диффузионных процессов, и лимитирующей стадией будет химическая реакция. Такие гетерогенные процессы протекают в кинетической области.