Скорость химической реакции

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

Vгом= k*V*DC (8.1)

k - 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. = km*DС*F (8.2)

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=СAа* СВb (8.4)

Для обратимых гомогенных реакций:

аА+вВ= dD (8.5)

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

DС= (СА – САх) а - (СВ – СВх)в (8.6)

СА и СВ - концентрации вещества на выходе из реактора;

САх и СВх – 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 ( kМ ), 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.