Равновесие в технологических процессах - раздел Философия, Химическая технология, часть 1 Химические Реакции Делятся На Обратимые И Необратимые. Необратимые Процессы П...
Химические реакции делятся на обратимые и необратимые. Необратимые процессы протекают лишь в одном направлении. Например, реакция СО2 + Са(ОН)2®СаСО3 + Н2О практически необратима. Но гораздо большее количество химических реакций является обратимыми: наряду с химическим взаимодействием между исходными веществами (прямая реакция) протекает взаимодействие и между продуктами (обратная реакция). По мере протекания процесса скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции увеличивается; в какой-то момент времени скорости прямой и обратной реакции становятся равными – наступает состояние химического равновесия. К химическому равновесию применим второй закон термодинамики в его общем виде, т.е. одним из условий химического равновесия в изолированной системе является максимум энтропии S, а также при Т и р=const условие равновесия – это минимум энергии Гиббса (dG=0).
Положение равновесия всегда зависит от внешних условий. Качественно влияние основных параметров технологического режима на равновесие определяется принципом Ле-Шателье, согласно которому: в системе, выведенной внешним воздействием из состояния равновесия, происходят изменения, направленные к ослаблению воздействий, выводящих систему из равновесия.
Рассмотрим пример: промышленная каталитическая реакция окисления сернистого ангидрида до серного 2SO2 (г)+ O2 (г) « 2SO3(г) (*). Основные условия, влияющие на количество получаемого целевого продукта – температура, давление и концентрация реагирующих веществ (сернистого ангидрида, кислорода воздуха, серного ангидрида). Для сдвига равновесия данной реакции вправо, т.е. увеличения выхода целевого продукта, согласно принципа Ле-Шателье, необходимо:
- взять избыток одного из исходных веществ (целесообразнее брать избыток более доступного и дешёвого реагента - кислорода воздуха);
- отводить продукт реакции из зоны реакции;
- реакция эндотермична, т.е. протекает с поглощением тепла, поэтому для смещения равновесия вправо необходимо подводить тепло;
- влияние давления: чувствительность положения равновесия к изменениям давления тем больше, чем большим изменением объёма сопровождается тот или иной процесс. Значительные изменения объёма могут происходить только в реакциях, в которых участвуют газы, или в тех случаях, когда хотя бы один из компонентов находится в газообразном состоянии. В нашем примере число молей продукта (SO3) меньше, чем суммарное число молей исходных реагентов. Поэтому повышение6 давления смещает равновесие реакции в сторону образования продукта.
Итак, применяя принцип Ле-Шателье, можно, не выполняя термодинамических расчётов, предсказать направление химических реакций, т.е. качественно судить о состоянии их равновесия.
Количественный подход.
1) Зависимость положения равновесия от соотношения концентраций реагирующих веществ.
Впервые зависимость направления химических процессов от концентрации реагирующих веществ установил Бекетов. В математической форме закон действующих масс был выражен Гульдбергом и Ваге.
Формулировка закона действующих масс: скорость химической реакции в данный момент прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции aA + bB « rR + sS cкорость прямой реакции w1 = k1[A]a[B]b; скорость обратной реакции w2 = k2[R]r[S]s
Константа равновесия (К) вычисляется как отношение констант скоростей прямой и обратной реакций при равновесии, т.е. при равенстве w1 = w2: k1[A]a[B]b= k2[R]r[S]s;
К =
Константа равновесия не зависит от концентрации реагирующих веществ, т.к. изменение концентрации одного из веществ вызовет в состоянии равновесия изменение концентрации всех остальных веществ.
Для газов К можно выразить через парциальные давления реагирующих компонентов:
Кр =
Рассмотрим пример: гидролиз сложных эфиров, например,
При Т, Р = const K= const, поэтому при увеличении концентрации эфира и воды выход спирта увеличится, и при уменьшении концентрации серной кислоты выход спирта увеличится.
2) влияние температуры
Зависимость константы равновесия К от температуры выражается уравнением изобары Вант-Гоффа
(*)
Характер этой зависимости определяется знаком теплового эффекта реакции.
Определим, как влияет температура на положение равновесия в нашем примере:
Проинтегрируем (*):
Т.к. гидролиз сульфоэфира – реакция эндотермическая, т.е. ΔН>0, то с повышением температуры равновесие сдвигается в сторону образования продуктов реакции, т.е. увеличивается равновесная степень превращения.
Рассмотрим ещё один пример: прямая гидратация этилена
СН2=СН2 (г) + НОН (пар)↔ С2Н5ОН (пар) + Q
Качественный уровень (по принципу Ле-Шателье): равновесие сдвигается вправо при уменьшении температуры, отводе тепла, увеличении концентраций исходных веществ, уменьшении концентрации продукта реакции и увеличении давления.
Количественный уровень: , ΔН<0, поэтому , , значит, с уменьшением температуры константа равновесия увеличивается.
3) Влияние давления на количественном уровне.
Рассмотрим на примере прямой гидратации этилена. Т.К. все реагенты находятся в газообразном состоянии, то запишем К для данной реакции через парциальные давления
Кр = .
По закону Дальтона: Рспирт + Рэтен + Рвода = Робщ,
При равновесии (Рспирт*/ Робщ) = const = xp, где Рспирт* - равновесное парциальное двление спирта; xp – равновесная степень превращения.
Рспирт* = xp· Робщ.
(Рэтен/ Робщ) + (Рвода/ Робщ) =1 - xp,
(Рэтен/ Робщ) = (Рвода/ Робщ) - т.к. стехиометрические коэффициенты равны.
2(Рэтен/ Робщ) =1 - xp,
Рэтен* = (1 - xp) Робщ, Рвода* = (1 - xp) Робщ.
Подставим найденные равновесные парциальные давления в выражение для Кр:
Кр = .
При синтезе спирта в промышленных условиях хр<<1, хр = 0,04, поэтому этой величиной в формуле для Кр можно пренебречь, следовательно (1 - хр)≈ 1, тогда Кр =, хр = (Кр · Робщ)/4, т.е. чем больше давление, тем больше равновесная степень превращения. Таким образом можно получить уравнения, связывающие хр и Кр для любой обратимой реакции.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ... ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ... БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Равновесие в технологических процессах
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Краткие сведения по истории развития химической технологии
История химической технологии неотделима от истории химической промышленности. Возникновение в Европе мануфактур и промыслов по получению основных химических продуктов следует отнести к 15 веку, ко
Виды и ресурсы сырья
Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции.
В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие мате
Гидростатика. Понятие давления
Гидростатика изучает жидкости в абсолютном и относительном покое. Кардинальная проблема этого раздела, лежащая в основе ряда конкретных задач – определение давления в произвольной точке технологиче
Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера
На жидкость, находящуюся в покое, действуют сила тяжести и сила гидростатического давления. Соотношение между силами, действующими на жидкость, которая находится в состоянии покоя, определяющее усл
Основное уравнение гидростатики
Для получения закона распределения давления во всём объёме покоящейся жидкости необходимо эту систему уравнений проинтегрировать.
После интегрирования уравнений (1) и (2) выясняется, что з
Приборы для измерения давления
В технике для измерения давления применяют манометры, вакуумметры, пьезометры. Простейшим прибором является пьезометр – открытая, обычно стеклянная трубка (рисунок 5а). Чтобы избежать влияни
Основные характеристики движения жидкости
Рассмотрим движение жидкости по трубе постоянного сечения.
Количество жидкости, протекающее через всё поперечное сечение трубопровода или аппарата в единицу времени, называется
Дифференциальные уравнения движения Эйлера
Выведем дифференциальные уравнения движения Эйлера для установившегося во времени потока идеальной жидкости,
Движение жидкости является установившимся или стационарным, если скорость части
Уравнение Бернулли для идеальных жидкостей
Для вывода уравнения Бернулли необходимо преобразовать и проинтегрировать дифференциальные уравнения движения Эйлера, чтобы перейти от элементарного объёма ко всему объёму жидкости.
Сначал
Уравнение Бернулли для реальных жидкостей
При движении реальной жидкости её гидродинамический напор Н (или сумма потенциальной и кинетической энергии потока) не остаётся постоянным, так как частицы жидкости встречают сопротивление, вызванн
Дифференциальное уравнение неразрывности потока
Рассмотрим жидкость, текущую без пустот и разрывов и при отсутствии источников массы. Выделим в объёме жидкости элементарный параллепипед объёмом dV = dxdydz, рёбра которого ориентированы па
Режимы движения жидкости
Рядом исследователей (Хеганом в 1869 г., Менделеевым в 1880 г., Рейнольдсом в 1883 г.) было замечено, что существует два принципиально разных режима движения жидкости. Наиболее полно этот вопрос бы
Распределение скоростей по сечению потока
В случае ламинарного движения вязкой жидкости в прямой трубе круглого сечения всю жидкость можно мысленно разбить на ряд кольцевых слоёв, соосных с трубой. Вследствие действия между слоями сил трен
С переменным перепадом давления
Принцип действия приборов с переменным перепадом давления основан на том, что на пути движения жидкости или газа ставят преграду с отверстием.
&nb
Приборами с постоянным перепадом
Действие этих приборов основано на уравновешивании силы тяжести поплавка силой, развиваемой давлением восходящего потока жидкости или газа. При этом удельный вес поп
Определение неоднородных систем
Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие по меньшей мере из двух фаз. При этом одна из фаз является дисперсионной (сплошной) средой, а другая
Скорость осаждения. Закон Стокса
Рассмотрим осаждение твёрдой шарообразной частицы в неподвижной среде под действием силы тяжести G.
G = mg.
Если отсутствует сопротивление среды, то скорость осажден
Центрифугирование
Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы.
Для с
Фильтрация
- это процесс разделения суспензий, пылей или туманов путём пропускания их через пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В кач
Псевдоожижение
Псевдоожижение – процесс приведения твёрдого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны прин
Основы теплопередачи
Большинство процессов химической технологии протекает в заданном направлении только при определённой температуре, которая достигается путём подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы,
Виды распространения тепла
Перенос теплоты является сложным процессом, по этом при изучении тепловых процессов его расчленяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучени
Тепловые балансы
Тепловой поток Q обычно определяют из теплового баланса. При этом в общем случае (без учёта потери теплоты в окружающую среду)
Q = Q1 = Q2, или Q = G
Основное уравнение теплопередачи
Для расчёта теплообменных аппаратов широко используют кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Q и поверхностью F теплопередачи, называемого основным у
Различные способы переноса тепла
Теплопроводность. Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках, определяют
Теплоотдача
Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чащ
Теплопередача
В основе приближенных расчетов процессов теплообмена лежит уравнение переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку при условии постоянных и изменяющихся вдоль п
Источники тепла и методы нагревания. Нагревающие агенты
Нагревание является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии. Нагревание необходимо для ускорения многих химических реакций, а также для выпаривания, перегонки, сушки и
Теплообменные аппараты
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее нагретому. Теплообменники как самостоятельные агре
Виды массообменных процессов
Наибольшее распространение получили следующие процессы:
Абсорбция– избирательное поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорб
Способы выражения составов фаз
При изучении массообменных процессов приходится иметь дело со смесью различных компонентов, находящихся в жидкой или паровой фазе. Свойства такой смеси зависит от её состава, т.е. относительного со
Правило фаз Гиббса
При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией; такой массо- и теплообмен идет через поверхность раздела фаз, стремясь достигнуть состояния равновесия, при котором скорость пе
Фазовое равновесие, линия равновесия
Рассмотрим процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой.
Обозначим: Фх – жидка
Материальный баланс. Рабочая линия
Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений. Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого в
И направление переноса вещества из фазы в фазу
В общем случае: движущей силой массообменных процессов является отклонение данной системы от состояния равновесия.
Со стороны газовой фазы: движущей силой процесса является разность между
Фазовые диаграммы
Если система состоит из двух компонентов (К=2) и между ними не происходит химического взаимодействия, то при наличии жидкой и паровой фаз число фаз Ф=2. Согласно прави
Разновидности простой перегонки
Обычно процесс простой перегонки проводят периодически, хотя в принципе этот процесс можно организовать и непрерывным.
При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, и образую
Сущность ректификации
Ректификацией называют процесс переноса компонентов между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз.
Или другими словами, ре
Аппаратурное оформление процессов ректификации
Ректификация, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты для ректификации должны обеспечивать развитую поверхность контакта между паровой и жидкой ф
Анализ работы ректификационных колонн и их расчёт
Известно 2 основных метода анализа работы и расчёта ректификационных колонн: графоаналитический (графический) и аналитический. Графический метод проще и нагляднее, поэтому проведём анализ с его пом
Построение рабочих линий на диаграмме у—х
Для построения рабочих линий откладывают на оси абсцисс диаграммы (см. рис. ) заданные составы жидкостей хW, хF и хP. Учитывая принятые допущения о ра
Минимальнре и действительное (рабочее) флегмовое число
При заданном составе дистиллята хр величина отрезка В (см. рис. Х1-17), отсекаемого рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат, зависит только от флегмового числа
Графический метод определения числа теоретических тарелок
Одной из основных целей расчета колонны является определение числа тарелок, необходимых для разделения данной смеси, состава а на ректификат и остаток заданных качеств (ур и х
Периодическая ректификация бинарных смесей
В малотоннажных производствах используются ректификационные установки периодического действия. Исходную смесь загружают в куб 1, снабжённый нагревательным устройством. Смесь подогревается до
Химико-технологический процесс
Химико-технологический процесс (ХТП) – это тсочетание связанных друг с другом и проводимых в определённой последовательности химических, физико-химичесикх, физических и механических операций
Основные показатели ХТП
Основные показатели ХТП с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции.
Степень превращения (х) – это доля исходного ре
Пути увеличения скорости реакции
1. Для простых реакций увеличение концентрации исходных веществ практически всегда приводит к увеличению скорости. Если частные порядки по компонентам А и В отличаются (а>b), то наибольшее влиян
Основные требования к промышленным реакторам
1. Максимальная производительность и интенсивность работы.
2. Высокий выход и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальными параметрами режима: температурой, давлением
Технологические схемы
Производство химических продуктов складывается из целого ряда химических и физических процессов, которые могут происходить одновременно (параллельно) в одних и тех же аппаратах или последовательно.
Высокоэффективных химико-технологических процессов.
Научно-технический прогресс в области химической технологии должен полностью изменить ее лицо как самостоятельной области науки и как сферы материального производства. Многие химические производ
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
.
,
(*)
, ΔН<0, поэтому 
, 
, значит, с уменьшением температуры константа равновесия увеличивается.
.
(1 - xp) Робщ, Рвода* = 
.
, хр = (Кр · Робщ)/4, т.е. чем больше давление, тем больше равновесная степень превращения. Таким образом можно получить уравнения, связывающие хр и Кр для любой обратимой реакции.
Новости и инфо для студентов