1.2 Использование реагента в избытке (по отношению к теоретически необходимому количеству)
Для реакции типа:
аА + вВ рР.
Относительный избыток одного из исходных веществ в потоке питания можно определить следующим образом:
еВ = СВ0· (а/в) – СА0/СА0, (1.2)
где: еВ – относительный избыток исходного вещества В,
СА0 и СВ0 – мольные концентрации исходных веществ А и В в потоке питания,
а, в – стехиометрические коэффициенты реагентов А и В.
Избыток реагента может привести к выгодному смещению положения равновесия в соответствии с законом действия масс. Пример, применение избытка О2 в реакции окисления SO2 до SO3:
2SO2 + O2 2SO3
Константа равновесия этой реакции, отнесенная к парциальным давлениям, равна:
.
С повышением парциального давления кислорода в газах, поступающих на реакцию, возрастает значение знаменателя, а, следовательно, чтобы величина Кр осталась постоянной, необходимо одновременное увеличение числителя. Это означает, что состояние равновесия реакции смещается в направлении образования продукта.
1.3 Противоток вещества
Противоток является рациональным способом максимального использования исходных веществ в гетерогенных системах, когда фазы не очень измельчены и значительно отличаются по плотности, что способствует быстрому их разделению. Если эти условия соблюдены, можно перемещать в противоположных направлениях потоки различных веществ, между которыми происходит массообмен.
Когда какой-либо компонент находится в двух контактирующих фазах одновременно, концентрация его стремится к выравниванию. Таким образом, можно проводить многие единичные процессы, например, выщелачивание твердых тел, экстрагирование масел из семян и т. д.
В противотоке проводятся также реакции, когда реагенты содержатся в разных фазах. Примером могут служить процессы экстрагирования какого-либо компонента из твердой фазы или абсорбция газа жидкостью, осложненные одновременной химической реакцией.
1.4 Смещение равновесия при обратимых реакциях
Обратимую реакцию можно проводить почти до конца, если один из продуктов постоянно отводится из системы. Примером может служить реакция этерификации, проводимая между труднолетучими реагентами, во время которой отгоняется вода:
R1OH + R2COOH R1COOR2 + H2O.
Следовательно, одновременно достигается избыток обоих исходных веществ по отношению к количеству продукта в обратимой реакции.
а А + в В р Р + r R.
Поскольку постоянно отводится продукт R, понижается значение числителя в выражении:
Кс = (Срp · CRr)/(CA a · CB b),
а вследствие того, что КС постоянна при постоянной температуре, в той же степени должен уменьшится и знаменатель, т.е. исходные вещества переходят в целевой продукт.
1.5 Воздействие на нежелательные реакции
Если кроме главной реакции в системе одновременно проходит одна или несколько побочных реакций, в которых образуется нежелательный продукт, то следует так подобрать условия, чтобы достигалась, возможно, большая скорость основного процесса и не возрастала скорость побочных процессов. Примером может служить электролиз хлористого натрия с применением ртутного катода. Целевым продуктом является амальгама натрия, нежелательным процессом – разложение амальгамы водой. Скорость главной реакции зависит от катодной плотности тока, а скорость побочной реакции не зависит.
Процесс следует проводить при возможно большей катодной плотности тока, повышая, таким образом, скорость образования амальгамы. Тогда потери натрия в результате разложения амальгамы водой будут составлять лишь несколько процентов от его количества, получаемого с помощью электролиза.
Существует много способов регулирования скоростей реакций. Например, с этой целью можно использовать селективный катализатор, который будет ускорять только главный процесс. На ход процесса можно воздействовать и соответствующим выбора типа реактора.