![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Классификация процессов по типу химических реакций
В перечне основных процессов химического производства химические процессы занимают особое место и являются их важной составной частью. В основе химического процесса лежит химическая реакция. Что же такое химическая реакция? Если при определенных условиях взаимодействующие вещества изменились и создали новое химическое соединение, причем это превращение было связано с перегруппировкой или перераспределением атомов и образованием новых молекул, то произошла химическая реакция. Все химические реакции можно классифицировать по нескольким признакам. По механизму химического превращения различают реакции простые и сложные. Для простых необратимых реакций характерно однократное преодоление энергетического барьера. Эти реакции не осложнены получением побочных продуктов. В ходе простой обратимой реакции продукты могут снова превратиться в исходные вещества. Такой переход может осуществляться до тех пор, пока не установится динамическое равновесие, которое достигается при определенных значениях параметров процесса (температура, давление). Сместить равновесие в сторону получения продукта можно, воздействуя на внешние условия: температуру, давление и концентрацию вещества. Сложные реакции представляют собой совокупность нескольких простых. Различают последовательные, параллельные и последовательно-параллельные реакции. Они часто сопровождаются получением промежуточных продуктов, которые, вступая во взаимодействие с другими компонентами, образуют продукт. По термическим уел о в иям реакции подразделяются на экзотермические, эндотермические и сменно-циклические. Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты, что приводит к повышению температуры реакционного объема. При осуществлении таких реакций следует соблюдать заданный температурный режим (например, обеспечивать интенсивный отвод теплоты от системы). Примером экзотермической реакции является окисление диоксида серы. Эндотермические реакции сопровожда- ются поглощением теплоты и снижением температуры реакционного объема. Такая реакция протекает при крекинге нефтепродуктов. Химический процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, которые часто сопровождаются тепло- и массообменными явлениями. Для каждого химического превращения требуется свой технологический режим — совокупность значений параметров (давление, температура, состав смеси и др.), при которых необходимо его осуществлять. Аппараты, в которых проводят химические реакции, называют химическими реакторами. Их конструкции включают в себя известные элементы, используемые для выполнения технологических операций (мешалки, теплообменные элементы и др.). Сочетание таких элементов позволяет осуществить в реакторе химическое превращение компонентов. К конструкциям реакторов предъявляется ряд требований. Реактор должен быть изготовлен из материалов, способных противостоять агрессивной химической среде; в реакторе требуется организовать эффективный подвод (отвод) теплоты и интенсивное протекание массообменных процессов. Кроме того, необходимо, чтобы реактор был герметичным и исключалась возможность попадания агрессивных химических веществ в окружающую среду. Для того чтобы правильно выбрать конструкцию химического реактора и составить технологическую схему химического производства, необходимо изучить механизм химической реакции и выявить факторы, влияющие на максимальную скорость ее проведения. По фазовому состоянию, в котором находятся реагирующие вещества, химические реакции разделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции протекают только в однофазной системе (газ—газ или жидкость—жидкость). Реакции в системе газ—газ характеризуются высокой скоростью и проходят при высокой температуре (например, процесс горения горючего газа). Особенностью гетерогенных реакций является их протекание на границе раздела фаз. Такие реакции могут проходить только в неоднородных системах газ—жидкость (реакции окисления растворов кислородом воздуха) и газ—твердое тело (полимеризация в суспензиях), а также между двумя несмешивающимися жидкостями (полимеризация в эмульсиях). По участию в реакции веществ, способных влиять на скорость ее про т е к а ни я, реакции подразделяют на некаталитические и каталитические. Присутствие катализатора позволяет увеличить скорость реакции, изменить рабочие параметры процесса (температура, давление). В химической технологии можно встретить также реакции, протекающие в присутствии замедлителей (ингибиторов). Иногда один из продуктов, образующийся в ходе химического превращения, становится катализатором. В этом случае процесс называется автокаталитическим. Основные понятия химической кинетики Химическая кинетика изучает вопросы скорости химических превращений. Одни реакции протекают мгновенно, тогда как другие могут длиться часы и годы. Важно уметь влиять на скорость реакции. Увеличить скорость химической реакции можно, например, повысив температуру проведения процесса. От скорости реакции зависит выбор размера реактора и его производительность. Для гомогенной среды скоростью химической реакции
Для гетерогенной среды скоростью химической реакции называют количество вещества, израсходованного или получаемого в ходе реакции при единичной площади поверхности раздела фаз за единицу времени. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и присутствия катализатора. В химической кинетике часто используют формализованное описание химической реакции. Уравнение реакции записывают в виде стехиометрического уравнения, которое может выглядеть, например, следующим образом:
где а, b, с — стехиометрические коэффициенты соответствующих веществ. Константа скорости реакции | зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора и определяется по уравнению Аррениуса
где Скорость реакции определяется числом соударений реагирующих веществ, которое, в свою очередь, зависит от концентрации реагирующих веществ. Для реакции, протекающей в соответствии с уравнением (24.1), скорость по веществу А определяется c помощью уравнения
где 2NO + О2 = 2NО2 уравнение для скорости реакции имеет вид Мерой глубины химической реакции является степень превращения вещества Другой важной характеристикой эффективности проведения процесса является выход продукта — отношение реально полученного количества продукта к теоретически возможному. Поскольку в ходе проведения химической реакции кроме целевого продукта часто образуются и побочные продукты, в химической технологии используют такую характеристику процесса, как селективность — отношение количества исходного вещества израсходованного на получение необходимого продукта, к общему количеству исходного вещества, вступившего в химическое взаимодействие. Степень превращения вещества, выход продукта и селективность являются безразмерными характеристиками эффективности химических реакций и изменяются в интервале от нуля до единицы. Для того чтобы подойти к вопросу конструирования и выбора химического реактора, необходимо уметь правильно составлять уравнения материального и теплового балансов. Порядок составления таких уравнений рассмотрен в гл. 1. Здесь отметим, что для определения количества теплоты, образующейся в результате проведения химической реакции, можно воспользоваться уравнением
где Для поддержания скорости реакции на высоком уровне необходимо грамотно управлять химическим процессом. Выбор способа управления зависит от типа реакции. Различают следующие способы управления процессом: управление временем его проведения, концентрациями реагирующих веществ, температурным режимом процесса; создание развитой межфазной поверхности; поддержание требуемой активности катализатора (для каталитических реакций). Управлять временем проведения процесса можно, осуществляя его в периодическом, непрерывном, полупериодическом и сменно-циклическом режимах. Управление концентрациями реагирующих веществ достигается несколькими путями: рециркуляцией непревращенного сырья (подачей его на вход реактора), подводом сырья в разные точки реакционного объема и секционированием рабочего объема реактора. Управлять температурным режимом можно путем проведения химического процесса в адиабатическом, изотермическом или политропическом режиме. При осуществлении гетерогенных процессов важно создание развитой межфазной поверхности. Для реакций в системе газ— жидкость это может быть достигнуто путем интенсивного диспергирования газа в жидкости. При проведении каталитических реакций необходимо поддержание активности катализатора на высоком уровне, что достигается его циркуляцией или регенерацией, а если этого недостаточно, то полной или частичной заменой. Контрольные вопросы 1.Что изучает химическая кинетика? Что представляет собой химическая реакция? Какие бывают реакции? 2.От каких факторов зависит скорость химической реакции? 3.Какие требования предъявляют к конструкциям химических реакторов? 4.Приведите определения таких понятий, как степень превращения вещества, выход продукта и селективность. 5.Каким образом можно управлять химическим процессом в реакторе? Глава 25
|