4.1. Равновесие в химической технологии

При разработке технологического процесса прежде всего необходимо установить, какие реакции будут протекать при переработке выбранного сырья и насколько глубоко проходит основная реакция, обеспечивающая получение заданного продукта, т. е. каков максимальный выход целевого продукта.

Химические реакции подразделяются на обратимые и необратимые.

Большинство химических реакций, как правило, обратимы: наряду с химическим взаимодействием между исходными веществами (прямая реакция) протекает взаимодействие и между продуктами (обратная реакция). По мере протекания процесса скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции- увеличивается. В какой-то момент времени скорости прямой и обратной реакций становятся равными- наступает состояние химического равновесия.

Однако в типичных производственных условиях некоторые химические реакции практически необратимы: СО₂ + Са(ОН)₂ → СаСО₃ + H₂O – Q

т. к. СаСО₃ практически нерастворим в воде;

или аналогичный процесс очистки от SО₂:

SО₂ + Са(ОН)₂ → СаSО₄ + H₂O – Q

гипс также очень плохо растворяется в воде.

Представление о том, насколько глубоко может протекать химическая реакция, можно получить на основании данных о равновесии этой реакции.

Условия достижения равновесия имеют большое практическое значение, поскольку ими определяется полнота использования сырья.

Все обратимые химико-технологические процессы стремятся к равновесию, при котором скорость прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение компонентов во взаимодействующей системе остается неизменным, пока не изменятся внешние условия. При изменении же температуры, давления или концентрации одного из компонентов равновесие нарушается и в системе самопроизвольно происходят диффузионные и химические процессы, ведущие к восстановлению равновесия в новых условиях.

Примеры обратимых реакций:

2SО₂ + О₂ ⇄ 2SО₃ + Q

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q

C₂H₄ + H₂O ⇄ C₂H₅OH + Q

Рассмотрим равновесный процесс в общем виде:

а

k₁

k₂

А + bВ ⇄ pR + qS  Q

, при

Состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакций равны между собой, а концентрации компонентов не изменяются с течением времени называется динамическим равновесием (рис. 4.1.).

С корость прямой реакции:

Скорость обратной реакции:

Поскольку выход продукта пропорционален степени превращения, мы можем в первом приближении считать, что .Тогда согласно зависимости х_А=f() можно записать (рис. 4.2).

1 .

2.

3. уменьшается, т. к. С_R и C_S возрастают

4. , ибо , соответствует состоянию равновесия, т. е.

отсюда следует ,

где К_С  константа равновесия.

В зависимости от того, в каких единицах выражаются концентрации реагирующих компонентов, константа равновесия принимает разное численное значение.

При взаимодействии газов константу равновесия обычно выражают через парциальные давления реагирующих газовых компонентов:

.

Константа равновесия, выраженная через отношение мольных долей N компонентов, обозначается К_N.

Для реальных систем константу равновесия часто выражают через летучести f или активности а.

С целью наиболее полного использования сырья желательно вести технологический процесс в таких условиях, чтобы получить наиболее высокую степень превращения исходного вещества. Поэтому большой практический интерес представляет установление влияния различных факторов на равновесие системы, т. е. равновесную степень превращения , а также разработка приемов, позволяющих сдвинуть равновесие в сторону образования целевых продуктов.

Основными параметрами, влияющими на равновесие химических реакций, являются температура, давление и концентрация реагирующих веществ. Эти параметры обычно используются на практике для сдвига равновесия в желаемую сторону, т. е. для регулирования равновесной степени превращения согласно зависимости

Ф_R или