21. Гомогенные пpоцессы. Изменение основных технологических показателей хтп во вpемени.

Продолжительность протекания ХТП – один из важных факторов, от которых зависит показатели работы реакторов такие, как производительность и экономические показатели.

В течение реакционного процесса (одного цикла) происходит изменение некоторых показателей. При проведении необратимых реакций эти показатели можно количественно рассчитать для любого отрезка и времени, исходя из анализа кинетических уравнений.  Изменение показателей отражены на графическом материале.

Рис. Характер изменения концентраций реагентов С, степени превращения Х  в зависимости от продолжительности τ его протекания для реакции А-→В       

 

Рис. Характер изменения скорости процесса U в зависимости от продолжительности τ его протекания для реакции А-→В       

 

.          

Отличие характера изменения этих зависимостей для обратимых реакций заключается в том, что концентрации реагентов и степень превращения при больших τ стремятся к своим равновесным значениям, что отражено на графиках.  

 Рис. Характер изменения концентраций реагентов С, степени превращения Х в зависимости от продолжительности τ его протекания для реакции А ⇄ В       

        

Рис. Характер изменения скорости процесса U в зависимости от продолжительности τ его протекания для реакции А ⇄ В                    

 

          

Из приведенных 4-х графиков видно, что для того, чтобы довести реакции до конца (Х=1 для необратимых реакций и Х=Х_А' для обратимых реакций) , требуется очень большое время (теоретически  

τ = ∞ ). При таком времени скорость процесса практически равна 0.

На практике целесообразно процесс не доводить до конца, и технологи находят рациональную продолжительность проведения процесса τ_{рац ,} при которой обеспечивается оптимальная степень превращения, а процесс проходит с достаточно высокой скоростью. Выбор τ_рац, главным образом, проводят на основе экономических расчетов.

При проведении параллельных реакций  характер изменения концентраций исходных веществ во времени принципиально не отличается от вышеописанных графиков. Но в данном случае образуются два и более продуктов, скорость изменения концентраций которых различна и зависит от соотношения констант скоростей основной  kосн  и побочной kпоб реакций и их порядка, что отражено на графике.

Рис. Изменение концентрации исходных реагентов и продуктов параллельных необратимых реакций первого порядка

_{k 1                                k 2}

 А----→ В и  А----→ D ( k1 > k2 ).

 

 

Для реакций одинакового порядка избирательность по мере увеличения продолжительности проведения процесса остается постоянной, а ее численное значение определяется соотношением

-а = kосн/ kпоб

Если основная реакция описывается уравнением более низкого порядка, чем побочная, то избирательность растет по мере увеличения продолжительности процесса, что представлено на нижеприведенном графике.

Рис. Характер изменения избирательности во времени при протекании параллельных реакций разного порядка: 1 – порядок основной реакции ниже, чем побочной. 2 - порядок основной реакции выше, чем побочной. При условии, что В-целевой продукт.

 

Изменение показателей ХТП при протекании последовательных реакций.                                                         _{k 1     k 2}

Рассмотрим на примере уравнения А----→ В----→ D , если обе необратимые реакции 1-го порядка и объем реакционной системы постоянен, то скорости расходования исходного вещества А и образования целевого продукта В и побочного продукта D можно описать следующими уравнениями:

 

-   = k1 ·С_А ;

 

    = k1 ·С_А -   k2 · С   ;

 = k2·С   ;            При этом 

С_А = С_А,0 - С    - С_D

После преобразования и решения системы последних 4 –х уравнений, можно получить выражения, описывающие изменения концентраций реагентов во времени, оптимальное время τ опт , за которое концентрация целевого продукта достигает максимального значения, и само значение максимальной концентрации вещества В, С   . Изменение концентраций во времени показано графически.

Рис. Характер изменения концентраций реагентов во времени при протекании последовательных реакций А----→ В----→ D

На представленном графике значенияС   ,макс, τ опт и соотношение скоростей изменения концентраций зависят от начальной концентрации С_А,0 и от констант скоростей k1 и   k2, но вид кривых сохраняется для широкого диапазона изменения указанных параметров.

Степень превращения вещества А увеличивается во времени согласно следующего графика. На графике видно, что избирательность, которая пропорциональна отношению скоростей образования продукта В и расходования исходного реагента А, будет максимальна в первый момент времени от начала реакции, а затем падает. Выход целевого продукта В и его концентрация описывается кривой, имеющей максимум при τ= τ опт.

Рис. Изменение степени превращения Х_А , избирательности     _В, выхода продукта Ф _В во времени при протекании последовательных реакций

 А----→ В----→ D