Классификация процессов по типу химических реакций

В перечне основных процессов химического производства хи­мические процессы занимают особое место и являются их важной составной частью. В основе химического процесса лежит химиче­ская реакция.

Что же такое химическая реакция? Если при определенных условиях взаимодействующие вещества изменились и создали но­вое химическое соединение, причем это превращение было свя­зано с перегруппировкой или перераспределением атомов и об­разованием новых молекул, то произошла химическая реакция.

Все химические реакции можно классифицировать по несколь­ким признакам. По механизму химического превраще­ния различают реакции простые и сложные. Для простых необра­тимых реакций характерно однократное преодоление энергетиче­ского барьера. Эти реакции не осложнены получением побочных продуктов. В ходе простой обратимой реакции продукты могут сно­ва превратиться в исходные вещества. Такой переход может осу­ществляться до тех пор, пока не установится динамическое рав­новесие, которое достигается при определенных значениях пара­метров процесса (температура, давление). Сместить равновесие в сторону получения продукта можно, воздействуя на внешние ус­ловия: температуру, давление и концентрацию вещества.

Сложные реакции представляют собой совокупность несколь­ких простых. Различают последовательные, параллельные и по­следовательно-параллельные реакции. Они часто сопровождаются получением промежуточных продуктов, которые, вступая во вза­имодействие с другими компонентами, образуют продукт.

По термическим уел о в иям реакции подразделяются на экзотермические, эндотермические и сменно-циклические. Эк­зотермические реакции протекают с выделением теплоты, что при­водит к повышению температуры реакционного объема. При осу­ществлении таких реакций следует соблюдать заданный темпера­турный режим (например, обеспечивать интенсивный отвод теп­лоты от системы). Примером экзотермической реакции является окисление диоксида серы. Эндотермические реакции сопровожда-

ются поглощением теплоты и снижением температуры реакцион­ного объема. Такая реакция протекает при крекинге нефтепродук­тов.

Химический процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, которые часто сопровождаются тепло- и массообменными явлениями. Для каждого химического превра­щения требуется свой технологический режим — совокупность зна­чений параметров (давление, температура, состав смеси и др.)_, при которых необходимо его осуществлять.

Аппараты, в которых проводят химические реакции, называ­ют химическими реакторами. Их конструкции включают в себя из­вестные элементы, используемые для выполнения технологичес­ких операций (мешалки, теплообменные элементы и др.). Сочета­ние таких элементов позволяет осуществить в реакторе химиче­ское превращение компонентов.

К конструкциям реакторов предъявляется ряд требований. Ре­актор должен быть изготовлен из материалов, способных проти­востоять агрессивной химической среде; в реакторе требуется орга­низовать эффективный подвод (отвод) теплоты и интенсивное протекание массообменных процессов. Кроме того, необходимо, чтобы реактор был герметичным и исключалась возможность по­падания агрессивных химических веществ в окружающую среду.

Для того чтобы правильно выбрать конструкцию химического реактора и составить технологическую схему химического производ­ства, необходимо изучить механизм химической реакции и выявить факторы, влияющие на максимальную скорость ее проведения.

По фазовому состоянию, в котором находятся реагиру­ющие вещества, химические реакции разделяют на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции протекают только в однофазной системе (газ—газ или жидкость—жидкость). Реакции в системе газ—газ характеризуются высокой скоростью и проходят при высокой тем­пературе (например, процесс горения горючего газа).

Особенностью гетерогенных реакций является их протекание на границе раздела фаз. Такие реакции могут проходить только в не­однородных системах газ—жидкость (реакции окисления раство­ров кислородом воздуха) и газ—твердое тело (полимеризация в суспензиях), а также между двумя несмешивающимися жидко­стями (полимеризация в эмульсиях).

По участию в реакции веществ, способных вли­ять на скорость ее про т е к а ни я, реакции подразделяют на некаталитические и каталитические.

Присутствие катализатора позволяет увеличить скорость реак­ции, изменить рабочие параметры процесса (температура, давле­ние). В химической технологии можно встретить также реакции, протекающие в присутствии замедлителей (ингибиторов). Иногда

один из продуктов, образующийся в ходе химического превраще­ния, становится катализатором. В этом случае процесс называется автокаталитическим.

Основные понятия химической кинетики

Химическая кинетика изучает вопросы скорости химических превращений. Одни реакции протекают мгновенно, тогда как дру­гие могут длиться часы и годы. Важно уметь влиять на скорость реакции. Увеличить скорость химической реакции можно, напри­мер, повысив температуру проведения процесса. От скорости ре­акции зависит выбор размера реактора и его производительность.

Для гомогенной среды скоростью химической реакции называ­ют количество вещества, израсходованного или получаемого в ходе реакции в единице объема за единицу времени. В этом случае ско­рость реакции пропорциональна изменению концентрации С ве­щества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени:

.

Для гетерогенной среды скоростью химической реакции называют количество вещества, израсходованного или получаемого в ходе реакции при единичной площади поверхности раздела фаз за еди­ницу времени. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и присут­ствия катализатора.

В химической кинетике часто используют формализованное описание химической реакции. Уравнение реакции записывают в виде стехиометрического уравнения, которое может выглядеть, например, следующим образом:

, (24.1)

где а, b, с — стехиометрические коэффициенты соответствующих веществ.

Константа скорости реакции | зависит от природы реагирую­щих веществ, температуры и присутствия катализатора и опреде­ляется по уравнению Аррениуса

, (24.2)

где — коэффициент; Е — энергия активации, Дж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, R = 8310 Дж/(кмоль • К); Т — температура, К.

Скорость реакции определяется числом соударений реагирую­щих веществ, которое, в свою очередь, зависит от концентрации реагирующих веществ. Для реакции, протекающей в соответствии

с уравнением (24.1), скорость по веществу А определяется c помощью уравнения

,

где — показатели, называемые порядком реакции и равные, стехиометрическим коэффициентам а и b в уравнении (24.1). На пример, для реакции окисления оксида азота

2NO + О₂ = 2NО₂

уравнение для скорости реакции имеет вид

Мерой глубины химической реакции является степень превра­щения вещества , которая показывает долю исходных веществ прореагировавших в данной реакции. В случае если в реакции уча­ствует не один, а несколько реагентов, степень превращения оп­ределяют по каждому реагенту.

Другой важной характеристикой эффективности проведения процесса является выход продукта — отношение реально полу­ченного количества продукта к теоретически возможному.

Поскольку в ходе проведения химической реакции кроме це­левого продукта часто образуются и побочные продукты, в хими­ческой технологии используют такую характеристику процесса, как селективность — отношение количества исходного вещества израсходованного на получение необходимого продукта, к обще­му количеству исходного вещества, вступившего в химическое взаимодействие.

Степень превращения вещества, выход продукта и селективность являются безразмерными характеристиками эффективности хими­ческих реакций и изменяются в интервале от нуля до единицы.

Для того чтобы подойти к вопросу конструирования и выбора химического реактора, необходимо уметь правильно составлять уравнения материального и теплового балансов.

Порядок составления таких уравнений рассмотрен в гл. 1. Здесь отметим, что для определения количества теплоты, образующей­ся в результате проведения химической реакции, можно восполь­зоваться уравнением

,

где — массовый расход вещества, участвующего в химической реакции; — тепловой эффект реакции, значение которого зави­сит от конкретной реакции и находится из справочной литерату­ры; — степень превращения вещества А.

Для поддержания скорости реакции на высоком уровне необ­ходимо грамотно управлять химическим процессом. Выбор спосо­ба управления зависит от типа реакции.

Различают следующие способы управления процессом: управ­ление временем его проведения, концентрациями реагирующих веществ, температурным режимом процесса; создание развитой межфазной поверхности; поддержание требуемой активности ка­тализатора (для каталитических реакций).

Управлять временем проведения процесса можно, осуществляя его в периодическом, непрерывном, полупериодическом и смен­но-циклическом режимах.

Управление концентрациями реагирующих веществ достигается несколькими путями: рециркуляцией непревращенного сырья (по­дачей его на вход реактора), подводом сырья в разные точки ре­акционного объема и секционированием рабочего объема реактора.

Управлять температурным режимом можно путем проведения химического процесса в адиабатическом, изотермическом или политропическом режиме.

При осуществлении гетерогенных процессов важно создание развитой межфазной поверхности. Для реакций в системе газ— жидкость это может быть достигнуто путем интенсивного диспер­гирования газа в жидкости.

При проведении каталитических реакций необходимо поддер­жание активности катализатора на высоком уровне, что достига­ется его циркуляцией или регенерацией, а если этого недостато­чно, то полной или частичной заменой.

Контрольные вопросы

1.Что изучает химическая кинетика? Что представляет собой хими­ческая реакция? Какие бывают реакции?

2.От каких факторов зависит скорость химической реакции?

3.Какие требования предъявляют к конструкциям химических реакторов?

4.Приведите определения таких понятий, как степень превращения вещества, выход продукта и селективность.

5.Каким образом можно управлять химическим процессом в реакторе?

Глава 25