5.6. Интенсификация гомогенных процессов

В гомогенных системах реакция протекает во всем объеме реактора. Скорость реакции в таких процессах можно интенсифицировать изменением состава реакционной среды, температуры и давления.

Влияние состава реакционной среды зависит от величины концентрации реагентов и их физико-химических свойств.

Согласно закону действующих масс, уравнение скорости для гомогенной реакции (5.29) можно записать в виде формулы (5.30):

aA + bB  dD, (5.29)

, (5.30)

где w – скорость химической реакции;

С_А, С_В – молярные концентрации реагентов А и В;

a, b – порядок реакции по реагентам А и В;

k – константа скорости реакции.

Таким образом, скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов, взятых в степенях, равных порядку реакции, на основе чего следуют выводы:

– чем выше значение концентраций, тем больше скорость реакции;

– скорость реакции в большей степени зависит от реагента, входящего в уравнение скорости с большей степенью;

– если одновременно протекают реакции с разными порядками, то изменение концентрации значительнее скажется на скорости реакции с более высоким порядком.

Данные закономерности лежат в основе технологического приема – избытка одного из реагентов. При этом выгоднее в избытке брать реагент, входящий в уравнение реакции с более высоким стехиометрическим коэффициентом. Но существует ряд причин, по которым во многих газофазных и жидкофазных процессах реагенты разбавляют растворителем, то есть понижая их концентрацию. Этому есть несколько причин:

– возможность перегрева реакционной массы при проведении сильно экзотермической реакции с большой скоростью;

– использование низких концентраций – требование селективного течения сложных реакций, если побочная реакция более высокого порядка;

– улучшение условий протекания сопровождающих реакцию физических процессов, так как разбавление позволяет понизить вязкость, облегчить равномерное перемешивание реакционной массы и ее транспорт, обеспечить более интенсивный и равномерный теплообмен.

Влияние температуры на скорость реакции описывается уравнением Аррениуса (5.31):

, (5.31)

где k – константа скорости;

А – предэкспоненциальный множитель;

Е – энергия активации, кДж/моль;

R – газовая постоянная, кДж/моль;

Т – температура, К.

Из уравнения следует, что поскольку температура входит в показатель степени, то она оказывает очень большое влияние на скорость реакции. По этой же причине существенно влияние на скорость и значения энергии активации, но с другим знаком.

Применяемый в химической технологии диапазон давлений очень широк. Имеется несколько причин, по которым повышенное давление, несмотря на высокие энергозатраты, широко применяется в химической технологии:

– существенно повышает скорость газофазных процессов, так как в этом случае резко повышается концентрация реагентов;

– влияет на положение химического равновесия для обратимых реакций, при этом повышение давления смещает равновесие в сторону прямой реакции, если процесс протекает с уменьшением объема;

– повышает температуры кипения и плавления. Этот эффект используется для проведения процессов в жидкой фазе для веществ, которые при стандартном давлении находятся в газообразном состоянии;

– во многих случаях позволяет снизить температуру синтеза, что важно в системах с низкой термостабильностью реагентов или продуктов процесса.