Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов

В современной химии известно большое число различных химических реакций. Многие из них осуществляются в промышленных химиче­ских реакторах и, следовательно, становятся объектом изучения хи­мической технологии.

В зависимости от того, какие признаки взяты при этом за основу, существует несколь­ко видов классификации химических реакций. В химической технологии можно применять различные виды клас­сификации химических реакций.

Для выбора конструкции химического реактора и способов управ­ления проведением процесса существенное значение имеет фазо­вый состав реакционной системы. В зависимости от фазового состава реагентов и продуктов различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.

В случае гомогенных реакций реагенты и продукты находятся в одной фазе (жидкой или газообразной). Например, окисление оксида азота кислородом воздуха в производстве азотной кислоты — газофаз­ная реакция, а реакции этерификации (получение эфиров из органи­ческих кислот и спиртов) — жидкофазные.

При протекании гетерогенных реакций, по меньшей мере, один из реагентов или продуктов находится в фазовом состоянии, отличающем­ся от фазового состояния остальных участников реакции. Различают двухфазные системы «газ — жидкость», «газ — твердое вещество», «жидкость — твердое вещество», «жидкость — жидкость» (две несме­шивающиеся жидкости), «твердое — твердое» и различные варианты трехфазных реакционных систем.

Другим важным видом классификации является классификация по механизму осуществления реакции. Различают простые (одностадийные) и сложные (многостадийные) реакции, в частности параллельные, последовательные и последовательно-параллельные реакции.

Простыми называют реакции, для осуществления которых требуется прео­доление лишь одного энергетического барьера (одна стадия).

Сложные реакции включают в себя несколько параллельных или последо­вательных стадий (простых реакции).

Реальные одностадийные реакции встречаются чрезвычайно ред­ко. Однако некоторые сложные реакции, проходящие через ряд про­межуточных стадий, удобно считать формально простыми. Это воз­можно в тех случаях, когда промежуточные продукты реакции в усло­виях рассматриваемой задачи не обнаруживаются.

Классификация реакций по молекулярности учитывает, сколько молекул участвует в элементарном акте реакции; различают моно – би - и тримолекулярные реакции. Вид кинетического уравнения (зависимости скорости реакции от концентраций реагентов) позво­ляет классифицировать реакции по порядку. Порядком реакции называется сумма показателей степеней у концентраций реагентов

в кинетическом уравнении. Существуют реакции первого, второго, третьего, дробного порядков.

В зависимости от того, применяются или не применяются для изме­нения скорости реакции специальные вещества — катализаторы, раз­личают каталитические и некаталитические реакции и соответственно химико-технологические процессы. Подав­ляющее большинство химических реакций, на которых основаны промышленные химико-технологические процессы, — это каталити­ческие реакции.

Химические реакции различают также по тепловому эф­фекту. При протекании экзотермических реакций, сопровождающихся выделением теплоты (Q > 0), происходит умень­шение энтальпии реакционной системы ( ); при протекании эндотермических реакций, сопровождающихся поглощением тепло­ты (Q<0), происходит увеличение энтальпии, реакционной системы ( ).

3. Технологические критерии эффективности химического процесса: степень превращения, выход продукта, селективность, производительность, мощность, интенсивность, время контактирования, объемная скорость.

3. Степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.
Степень превращения реагента показывает, насколько полно в ХТП используется сырье.
Возьмем произвольно в качестве участника реакции вещество Ј, следовательно, степень превращения:
n_J,0 – количество реагента J в исходной реакционной смеси;
n_J – количество реагента J в исходной реакционной смеси, выходящей из реактора;
n_J – изменение количества реагента J в ходе химической реакции.
Чаще всего в химической реакции участвуют несколько реагентов, следовательно, для каждого из них можно определить степень превращения. Рассмотрим простую необратимую реакцию aA + bB = = rR + sS.
Степень превращения реагентов А и В:
; .
Если , т.е. реагент А взят в избытке по отношению к реагенту В, то Х_А < Х_В.
Если , т.е. реагент B взят в избытке по отношению к реагенту A, то Х_А > Х_В.
Выход продукта – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях проведения химической реакции. , Из определения следует, что .Выход продукта зависит от типа реакции.
Рассмотрим простую необратимую реакцию aA + bB = rR + sS.
Максимально возможное количество продукта R в такой реакции будет получено, если весь реагент А (n_A,0) вступит в реакцию n_Rmax = r/a n_A,0. Следовательно, ; ,т.е. выход продукта и степень превращения совпадают.
Рассмотрим простую обратимую реакцию aA + bB rR + sS
Для такой реакции максимально возможное количество продукта R определяется как равновесное количество продукта R при данных условиях осуществления реакции (температура, давление, соотношение начальных концентраций реагентов). Отсюда
; .
Таким образом, для обратимых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигаемая степень превращения от равновесной для данных условий проведения реакции
Рассмотрим параллельные и последовательные реакции:
a₁A + b₁B = rR + sS (целевая реакция);a₂A + b₂B = xX + yY (побочная реакция).
Максимально возможное количество продукта R будет получено в том случае, если весь исходный реагент А будет расходоваться на целевую реакцию . Таким образом, для сложных реакций .
Полная или интегральная селективность φ – это отношение количества исходного реагента, пошедшего на целевую реакцию, к количеству реагента, пошедшего на целевую реакцию и побочное взаимодействие: ,
– количество реагента А, пошедшего на целевую реакцию
– количество реагента А, пошедшего на целевую реакцию и побочное взаимодействие.
По определению .
Для необратимой реакции выход продукта будет равен : .
А для обратимой реакции: .
Мгновенная, или дифференциальная, селективность φ^' – это отношение скорости расходования реагента на целевую реакцию к скорости расходования реагента на целевую реакцию и побочное взаимодействие ,
– скорость расходования реагента А на целевую реакциюя
– скорость расходования реагента А (на целевую реакцию и побочное взаимодействие).По определению 0 .эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.
Производительность – это количество продукции, полученное в единицу времени:
; ,
С_R – концентрация продукта;
υ – объемный расход реакционной смеси.
Мощность – максимальная производительность аппарата, машины, ХТС: P = П_max
Интенсивность – это производительность аппарата, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата (объему, площади поперечного сечения и т.д.): I = П/А .
А – «живое» сечение аппарата.
Интенсивность позволяет сравнивать различные аппараты для проведения одного и того же ХТП.
Время контактирования (соприкосновения) – отношение свободного объема катализатора к объемному расходу реакционной смеси:
, – свободный объем катализатора; υ – объемный расход реакционной смеси.
На практике чаще всего пользуются фиктивным временем контактирования: , V_кат – объем слоя катализатора.
Объемная скорость – это величина, обратная , и представляет собой . Объемная скорость – это объемный расход, приходящийся на единицу объема катализатора.Влияние времени контактирования (объемной скорости) однотипно для многих каталитических реакций. С увеличением времени выход продукта простой каталитической реакции растет.

4. Равновесие химических реакций. Способы смещения равновесия химических реакций.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: