Камера, г – печь

Расчет реакторных устройств заданной конструкции проводится с целью определения требуемого количества катализатора, расходов теплоносителя и реагирующих веществ, температуры и давления в аппарате, длительности проведения реакции, при которых будет достигнута наибольшая степень превращения исходных компонентов.

Основные понятия химической кинетики

Предметом химической кинетики является исследование закономерностей протекания химических процессов во времени (их скоростей в зависимости от ряда факторов – температуры, давления, концентраций и др.) и механизмов химических реакций (отдельных стадий и проме­жуточных веществ). Химическая кинетика позволяет рассчитывать время дости­жения заданных степеней превращения исходных веществ в про­цессах и минимизировать это время путем оптимального варьи­рования факторов, влияющих на скорость реакции [16].

По фазовому принципу химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

По термическим показателям реакции делятся на экзотермические, эндотермические, автотермические, изотермические и со смешанным циклом по теплоте реакции. Экзотермические реакции протекают с выделением тепла. Следовательно, в реакторах, в которых протекают такого рода реакции, необходимо предусматривать отвод тепла. Эндотермические реакции протекают с поглощением тепла, поэтому при осуществлении такого рода реакций в реакторах предусматривается подвод тепла. Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в результате химического процесса при постоянном давлении или объеме, равенстве температур исходных веществ или продуктов [13].

Скорость химической реакции r характеризует интенсивность протекания процесса. В общем случае под скоростью реакции понимают число актов (хи­мических превращений) в единицу времени в единице реакционного пространства. Для гомогенных процессов реакционное простран­ство является трехмерным и представляет собой объем реактора (V), для гетерогенных процессов оно двумерное (площадь поверх­ности границы раздела фаз S). На практике пользуются не числом актов реакции, поскольку эта величина очень большая, а пропор­циональными ей параметрами – количеством вещества n, моляр­ной концентрацией с, степенью превращения .

Для статических условий мгновенная скорость гомогенной химической реакции есть изменение количества вещества какого-либо компонента реакционной системы в единицу времени в единице объема:

, (4.2)

, (4.3)

где , – скорости по исходному веществу А и продукту (моль/(л∙с)); n, – количество исходного вещества и продукта (моль); V – реакцион­ный объем (л).

В ходе реакции количества исходных веществ во времени убывают , количества продуктов реакции увеличиваются . Скорость является положительной величиной, поэтому в уравнении (4.2) перед производной поставлен знак минус, а в выражении (4.3) плюс. При постоянстве объема системы

, ,

где с, – концентрации исходного вещества и продукта (моль/л). Тогда скорость реакции

,

.

Скорость реакции часто выражают через степень превращения. Из (4.1) следует . Тогда

.

Для гетерогенных процессов

,

где S – площадь поверхности границы раздела фаз (м²). В данном случае размерность скорости реакции – моль/(м²∙с).

Рис. 4.2. Кинетические кривые для исходных веществ (а) и продукта