10. Физико-химические основы технологических процессов.

Классификация химических процессов

Цель классификации – выделить такие характеристики составляющих процесса, комбинация которых определяет те или иные свойства химического процесса в целом, его закономерности и особенности. Поскольку химический процесс - система взаимосвязанных явлений, то классификацию проводят по разным признакам, и она имеет разветвленную структуру:

Классификация химических процессов

А. Физико-химические признаки

Тип химической реакции:

– прямое химическое взаимодействие

– с химическим воздействием (каталитическая реакция)с физическим воздействием.

Термодинамические показатели:

– тепловой эффект

– экзотермический процесс

– эндотермический процесс

– обратимость

– необратимая реакция

– обратимая реакция

Кинетические характеристики:

– схема превращения

– простая реакция

– сложная реакция

– параллельная схема

– последовательная схема

– общий случай

– кинетическая модель

Б. Физические признаки

Фазовый состав реагентов:

– число участвующих фаз с реагентами

– однофазный процесс

– многофазный процесс

– состояние фаз

– газ

– жидкость

– твердое.

В химическом процессе происходят химическая реакция и явления переноса между фазами, обеспечивающие транспорт реагентов к месту их взаимодействия. Поэтому выделяются дв_е группы признаков классификации – физико-химические, характеризующие протекающую реакцию, и физические, характеризующие фазовый состав среды с реагентами.

Физико-химические признаки классификации Если достаточен только контакт реагентов, т.е. собственной энергии молекул достаточно для их превращения, то это прямое химическое взаимодействие. Реакции типа "с химическим воздействием" протекают с участием катализаторов. Катализатор не только ускоряет реакцию, но и открывает новые реакционные пути. Реакции типа "с физическим воздействием" протекают при инициировании электрическим током, излучением разной природы, механическим воздействием (электро-, фото-, радиационно-, механохимические реакции).

Термодинамические признаки включают энергетику процесса (тепловой эффект) и обратимость реакции. Кинетические признаки характеризуют динамику развития реакции и определяют направленность превращений и характер влияния условий (концентрации, температуры) на протекание (кинетику) реакции.

Физические признаки классификации включают фазовый состав химического процесса. По числу фаз различают гомогенные (однофазные) и гетерогенные (многофазные) процессы. В гетерогенном процессе реагенты находятся в разных фазах, хотя реакция может протекать в одной из них.

11.Основные показатели химических процессов: степень превращения, выход продукта, селективность, скорость химической реакции.

Под химическим процессом в реакторе понимают химическую реакцию или совокупность нескольких реакций и сопутствующие ей явления массо - и - теплопереноса.

Скорость химической реакции, протекающей в реакторе, описывается общим уравнением:

V = K* L *ΔC

L-параметр, характеризующий состояние реагирующей системы;

К- константа;

ΔС-градиент концентраций, представляющий частный случай движущей силы реакции.

Движущей силой процесса (ДС) называется разность между предельным значением данного

параметра процесса (температура, давление, концентрация) и его действительным значением в данный

момент времени, т.е.ΔТ, ΔР, ΔС. Чем больше ДС процесса при постоянстве других параметров, тем

выше скорость характеризуемого этим параметром процесса. К и α - различны для гетерогенных и

гомогенных систем. Для реакций, протекающих в гомогенной системе, скорость определяется

количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема системы

Vгом= κ*V*ΔC (8.1)

κ - константа скорости химической реакции,

V –реакционный объем, величина которого обратно пропорциональна времени контактирования.

Для реакций, протекающих в гетерогенной системе, количество получаемого целевого продукта в

единицу времени относят к единице поверхности соприкосновения фаз, на которой протекает реакция:

V гет. = κm*ΔС*F (8.2)

κ - коэффициент массопередачи, представляющий количества вещества в кг, передаваемого из

одной фазы в другую через поверхность раздела фаз равную 1 м2 при градиенте концентрации равном 1 кг/м2 в течение одного часа, м/ч.

F – поверхность раздела фаз м2

Выход целевого продукта химического процесса в реакторе определяется степенью приближения реакционной системы к состоянию устойчивого равновесия. Устойчивое равновесие отвечает следующим условиям:

– неизменность равновесного состояния системы во времени при постоянстве внешних условий;

– подвижность, т.е. самопроизвольное восстановление равновесия после снятия внешнего воздействия;

– динамический характер, т. е. устойчивое сохранение равновесия вследствие равенства

скоростей прямого и обратного процесса;

– возможность воздействия на состояние равновесия как со стороны прямой, так и со стороны обратной реакции;

– минимальное значение энергии Гиббса в изобарно – изотермических процессах и энергии Гельмгольца в изохорно- изотермических процессах.

Степень превращения определяют по основному исходному веществу. Основным исходным называют в-во, по которому ведется расчет, как правило, это наиболее дорогое из в-в, присутсвующее в исходной смеси в недостатке против стехиометрии.

аА+вВ→dD

(н-р, для окисления диоксида серы по реакции 2SO₂+O₂→2SO₃ основным будет SO₂, а дешевые-кислород воздуха обычно присутствует в большом избытке).

Общую степень превращения χ определяют как отношение массы превративщегося в-ва к общей массе его в исходной смеси.

Χ=G_Aпр/ G_Ан

Для газофазных процессов общую(действительную) степень превращения (конверсии) обычно определяют по замеренным в опыте объемным концентрациям исходного вещества на входе в реактор с_Ан и на выходе из него с_Ак с поправкой β на изменение объема смеси вследствие реакции

Χ=( с_Ан- с_Ак)/ с_Ан

Избирательностью(селективностью) процесса называют отношение кол-ва основного исходного в-ва, превратившегося в целевой продукт, к общему кол-ву превратившегося в-ва.