9. Кінетика хіміко-технологічних процесів

9.1. Вплив різних чинників на швидкість хімічних процесів, які перебігають на мікрорівні

Процеси, що перебігають в рідинах і в газах, звичайно розглядаються з двох точок зору: процес взаємодії окремих молекул-на мікрорівні і процес взаємодії агрегатів молекул-на макрорівні.

Мета всякого хімічного процесу полягає в тому, щоб одержати цільовий продукт з наявної сировини з можливо нижчою собівартістю. Для цього необхідно забезпечити мінімальні витратні коефіцієнти електроенергії, води, стисненого повітря і всієї сировини, оскільки в більшості випадків сировина є найбільш крупною статтею в собівартості продукції.

Для зниження витратного коефіцієнта сировини технологічний процес необхідно вести так, щоб ступінь перетворення X, вихід цільового продукту Ф і селективність φ (для складних реакцій) були можливо вищими і досягалися в можливо коротший час, тобто швидкість процесу повинна бути можливо вищою. Це пояснюється тим, що швидкість характеризує інтенсивність процесу, а інтенсивність являється одним з основних показників, що визначають економічність хімічного виробництва.

Швидкість хімічної реакції виражається рівнянням:

υ=dC/dτ=kCⁿ (9.1)

де n — порядок реакції.

Але константа швидкості реакції k виражається рівнянням Арреніуса:

k=k₀e ^–E/RT, (9.2

де k₀ — передекспоненційний множник; Е — енергія активації.

Підставивши значення k із рівняння (9.2) в рівняння (9.1), знаходимо:

υ=k₀e^-E/RTCⁿ (9.3)

З рівняння (9.3) виходить, що швидкість реакції залежить від температури і від концентрації реагуючих компонентів.

Для реакції в газовій фазі швидкість залежить від тиску, а для каталітичних процесів — і від активності каталізатора. Таким чином, в загальному випадку υ = f (С, Т, Р, Кат).

Розглянемо способи збільшення швидкості реакції для процесів, що перебігають на мікрорівні. При цьому у всіх випадках встановлюватимемо умови ведення процесу, при яких досягається найбільш високе значення протягом всього даного проміжку часу.

Температура робить сильний вплив на швидкість хімічної реакції, оскільки в рівнянні Арреніусу температура входить в показник ступеня, проте цей вплив неоднаковий для різних типів реакції.

Швидкість простої необоротної реакції А R ± Q описується рівнянням (8.3), з якого виходить, що за С= const і збільшенні температури Т швидкість реакції зростає за експоненціальним законом (рис. 9.1).

Залежність швидкості простої оборотної екзотермічної реакції типу А R + Q від температури виражається складнішим рівнянням, тому що в цьому випадку загальна швидкість реакції залежить від різниці між швидкостями прямої і зворотної реакцій:

υ= υ₁-υ₂=k₁c_A-k₂c_R (9.4)

де υ₁,υ₂;υ — швидкість відповідно прямої, зворотної і сумарної реакцій; k₁, k₂ — константи швидкості прямої і зворотних реакцій.

Для аналізу рівняння (9.4) підставимо в нього:

c_A=c_A (1-x_A), k₂=k₁/K_c , c_R= c_A X_A,

υ=k₁ c_A (1-x_A) c_A x_A,

υ=k₀΄ c_A . (9.5)

З рівняння (9.5) виходить, що для деякої сталої Х_А з підвищенням температури сумарна швидкість реакції з одного боку повинна зростати за рахунок збільшення е^–E/RT, а з іншого боку знижуватися, оскільки для екзотермічних реакцій константа рівноваги зменшується при підвищенні температури і, отже, зростає член 1/К_С і зменшується множник в квадратних дужках. У зв'язку з цим при підвищенні температури швидкість реакції спочатку збільшується (від = О, коли розпочинається реакція), досягає максимального значення, а потім знижується. Таким чином, залежність υ=f(T) проходить через максимум (рис. 9.2).

З рівняння (9.5) виходить також, що при збільшенні Х _А (за інших рівних умов) сумарна швидкість реакції знижується. Тому для випадку, коли Х ₂>X₁ крива залежності υ₂=φ(Т) розташується нижче кривої, відповідній X₁ (рис. 9.2), а крива залежності υ₃ = Ф(Т) (коли Х₃>Х₂>X₁) розташується ще нижче, і т. ін. Крива АВ, що сполучає максимуми отриманих таким чином кривих, являється лінією оптимальних температур (ЛОТ).

Рис. 9.1. Залежність швидкості реакції від температури Т для простої необоротної реакції

(А R ± Q).