Скорость химической реакции

Основная задача при разработке химико-технологического про­цесса — определение времени, необходимого для осуществления химического превращения, так как от него зависят геометрические размеры реактора. Решение этой задачи связано с определением скорости химического превращения.

Наука, которая занимается изучением скоростей химических реакций, называется химической кинетикой. Химическая кинетика позволяет установить скорость взаимодействия исходных веществ в зависимости от влияния различных факторов. Учитывая кинети­ку процесса, можно выбрать такие условия, при которых реакция будет протекать не только с высоким выходом продукта, но и с большой скоростью. Знание кинетических закономерностей позво­ляет оптимизировать процесс по основным технологическим пара­метрам.

Скорость химической реакции [кмоль/(м³-с)]г=—------- ,где

218

М — масса вещества, участвующего в реакции, к/моль; V — объем реагирующих веществ, м³; т — время реакции, с.

Большая часть реакций в процессах химической технологии имеет сложные механизмы образования целевых продуктов [(20.2), (20.3), (20.4)]. Скорость таких процессов зависит от ско­рости не только прямой реакции, но и обратной и побочной реак­ций, а гетерогенных процессов — также от скорости подвода ис­ходных веществ в зону реакции и скорости отвода продуктов из зоны реакции.

Процессы химического превращения вещества, сопровожда­ющиеся массобменом, протекают через ряд последовательных стадий. Скорость таких процессов определяется наиболее медлен­ной стадией, которая называется лимитирующей. Если лимитиру­ющей стадией всего процесса является химическое взаимодейст­вие, а скорость подвода исходных веществ и отвода продуктов ре­акции не влияет на скорость процесса, то говорят, что процесс проте'кает в кинетической области. В этом случае скорость про­цесса определяется законами химической кинетики.

Во многих гетерогенных процессах лимитирующей стадией яв­ляется не химическое взаимодействие, а скорость подвода реаги­рующего вещества в зону реакции. В этом случае лимитирующей стадией процесса является массообмен и процесс протекает в диф­фузионной области. Скорость такого процесса определяется зако­нами диффузии, т. е. переноса вещества.

Нередко в процессах .химического превращения вещества ско­рости химической реакции и диффузии соизмеримы. Тогда ско­рость всего процесса является сложной функцией химических и диффузионных явлений и процесс протекает в переходной диффу­зионно-кинетической области.

Влияние различных факторов на скорость химической реакции. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, т. е. от их химических и физических свойств. Кроме того, на скорость реакции существенно влияют такие факторы, как концентрация реагирующих веществ, температура, давление, ката­лизатор, интенсивность перемешивания веществ. При проектиро­вании технологического процесса эти параметры выбирают таки­ми, чтобы процесс протекал с максимальной скоростью.

Влияние концентрации. Молекулы взаимодействующих ве­ществ, находящихся в зоне реакции, движутся с различными ско­ростями. Химическое взаимодействие между исходными вещест­вами происходит в результате столкновения молекул этих ве­ществ. Число таких столкновений зависит от общего числа моле­кул, находящихся в объеме. Поэтому вероятность столкновения молекул возрастает с увеличением числа молекул в единице объ­ема, т. е. с увеличением концентрации реагирующих веществ. От­сюда следует пропорциональная зависимость скорости химической реакции от концентраций взаимодействующих веществ.

Зависимость скорости реакции от различных параметров про­цесса называется кинетическим уравнением. Для необратимой ре-

8*

219

акции (20.1) взаимодействия ДЁух реагентов А я В кинетическое уравнение записывается так:

r_D = Kx_Ax_B ,                                      (20.5)

где r_D— скорость реакции, т. е. скорость образования вещества D ; х_А, х_в— концентрации исходных веществ А и В; К — констан­та скорости реакции.

Влияние температуры. Столкновение молекул, находящихся в реакционном объеме, не всегда приводит к химическому взаимо­действию. В реакцию могут вступить только такие молекулы, ко­торые обладают достаточной энергией для этого, т. е. имеют более высокую скорость движения по сравнению с другими молекулами. Нагревание реакционной смеси приводит к увеличению скорости движения молекул, а следовательно, и к увеличению числа актив­ных молекул в зоне реакции. Поэтому с повышением температу­ры возрастает скорость.химической реакции.

Скорость химических процессов очень чувствительна к измене­нию температуры. Для большинства реакций повышение темпера­туры на 10° С приводит к увеличению химической реакции при­мерно в 2—4 раза. Определить фактическое изменение скорости реакции при изменении температуры позволяет уравнение кине­тики, в котором влияние температуры учитывается константой ско­рости реакции. Для значительной части химических реакций зави­симость константы скорости К от температуры реакции Т выра­жается уравнением Аррениуса

ЛТ=/С₀е-^я/(/гГ),                                 (20.6)

где /Со — постоянный множитель; е — основание натурального логарифма; Е — энергия активации; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура реакции.

В уравнении Аррениуса температура Т входит в показатель степени, поэтому с повышением температуры константа скорости резко возрастает и скорость химической реакции значительно уве­личивается. Это справедливо для процессов, протекающих в кине­тической области.

Для процессов, протекающих в диффузионной области, ско­рость реакции изменяется значительно медленнее, так как влияние температуры проявляется только через изменение коэффициента диффузии. Скорость гетерогенных процессов, которая зависит как от скорости диффузии, так и от химической кинетики, также изме­няется с изменением температуры, однако по более сложному за­кону. Наконец, сложный характер зависимости скорости от тем­пературы имеют химические процессы, осложненные побочными реакциями. При повышении температуры скорость побочных ре­акций может расти быстрее, чем скорость основной реакции. В этом случае повышать температуру процесса невыгодно, так как выход целевого продукта уменьшается. В противном случае про­цесс предпочтительнее вести при более высокой температуре, по-

220

скольку это приводит к повышению скорости взаимодействия ре­агентов и увеличению выхода целевого продукта.

Влияние давления. Давление оказывает влияние только на ско­рость реакций, протекающих с участием газообразной фазы. В газообразном состоянии концентрация вещества с увеличением давления увеличивается. Поэтому в необратимых-реакциях с газо­образными веществами увеличение давления равнозначно увели­чению концентрации и приводит к повышению скорости реакции. Для определения зависимости скорости реакции от давления дос­таточно заменить в уравнении кинетики (20.5) концентрации иа парциальные давления газообразных компонентов.

Влияние катализатора. Многие химические реакции способны протекать только в присутствии катализатора, без применения ка­тализатора их скорость практически равна нулю. Следует пом­нить, что катализатор не входит в состав конечного продукта и остается в реакционной среде без изменения.

Влияние интенсивности перемешивания. В зависимости от агре­гатного состояния взаимодействующих веществ влияние интенсив­ности перемешивания может быть различным. В гомогенных про­цессах основная роль перемешивания заключается в быстром вы­равнивании температуры и концентраций реагирующих веществ в объеме и увеличении числа столкновений химически взаимодейст­вующих молекул. В гетерогенных процессах, особенно протека­ющих в диффузионной области, основное значение перемешива­ния состоит в создании развитой поверхности контакта взаимодей­ствующих фаз. Кроме того, перемешивание ускоряет обновление поверхности взаимодействия и увеличивает скорость процессов пе­реноса теплоты и массы. Таким образом, в гетерогенных процес­сах перемешивание служит одним из основных способов увеличе­ния скорости химического процесса.

⇐ Предыдущая37383940414243444546Следующая ⇒

Поделиться: