1.3 Равновесие в химико-технологических процессах

Всякая обратимая реакция, лежащая в основе химико-технологического процесса, при сохраняющихся условиях ее осуществления стре­мится к равновесию, т.е. к такому состоянию, когда скорости образо­вания и расходования веществ, участвующих в данной реакции, стано­вятся одинаковыми. Равновесие характеризуется вполне определенными концентрациями участвующих в реакции веществ и, следовательно, показывает, какое количество целевого продукта можно получить в дан­ном процессе из заданного количества сырья. Установившееся равнове­сие можно нарушить, изменив условия, при которых находится система (температуру, давление, концентрацию одного из веществ). Изменение условий повлечет за собой установление нового равновесия.

Направление смещения равновесия может быть оценено с помощью принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся при равновесии, будет оказано внешнее воздействие, выводящее ее из равновесия, то система самопроизвольно будет стремиться уменьшить оказываемое на нее внешнее воздействие.

Рассмотрим произвольную обратимую реакцию:

аА + вВ rR + Q (1)

где А, В и R - участвующие в реакции вещества;

а, в и r - стехиометрические коэффициенты;

Q - тепловой эффект реакции.

Принцип Ле Шателье утверждает, что равновесие реакции (1) можно сместить вправо одним из следующих способов: повышением температуры, если а < 0 или понижением температуры, если Q > О, увеличением концентрации А и В, или уменьшением концентрации R, увеличением давления, если объем образующегося вещества R меньше суммы объемов исходных веществ А и В, уменьшением давления, если объем образующегося вещества R больше суммы объемов исходных веществ А и В.

Всякое положение равновесия может быть количественно охаракте­ризовано величиной константы равновесия (К_р), которую определяют

из следующего соотношения:

(2)

где С_А, C_В и С_R - равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции (1),

а, в и r - стехиометрические коэффициенты в уравнении (1).

Зная величину константы равновесия (К_р), можно предсказать, какое количество целевого продукта (R) можно было бы получить из заданного количества исходных веществ А и В по реакции при определенных условиях, т.е. рассчитать равновесный (Х_р) или теоретический выход продукта

(3)

где Rp - теоретически возможное количество продукта, которое может быть получено из заданного количества исходных веществ при данных условиях;

R_M - максимальное количество продукта, которое можно полу­чить из заданного количества исходных веществ, если их полностью превратить в целевой продукт

Наряду с теоретическим выходом продукта пользуются понятием практического выхода (Х_п), который определяется отношением фактически полученного количества вещества R_ф к R_м, и всегда меньше теоретического для реальных технологических процессов.