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.