Теория химических процессов, протекающих в реакторах
Прежде чем перейти к общим закономерностям протекания химических процессов (термодинамике и прикладной кинетике химических процессов) необходимо вспомнить некоторые основные понятия и определения, характеризующие типы химических реакций, свойства компонентов реакционной смеси и безразмерные характеристики химических процессов, определяющие эффективность их протекания в реакторах.
Классификация химических реакций
В современной химии известно большое число различных химических реакций. Многие из них осуществляются в промышленных условиях и, следовательно, становятся объектом исследования химической технологии.
Имеется ряд способов классификации химических реакций, но мы рассмотрим наиболее общие.
Гомо- и гетерофазные процессы. Гомофазными называются процессы, все компоненты которых находятся в пределах одной фазы: газовой (газофазные процессы) или жидкой (жидкофазные процессы). Гетерофазные процессы – это процессы, компоненты, которых находятся в двух или более фазах (системы «газ – жидкость», «газ – твердое тело», две несмешивающиеся жидкости).
Гомо- и гетерогенные процессы. Гомо- и гетерогенные процессы различают по зоне протекания самой химической реакции: гомогенные процессы осуществляются в объеме какой-либо фазы, гетерогенные – на поверхности раздела фаз.
Понятия фазового состояния компонентов реакции и зоны ее протекания совсем неоднозначны. Так, существуют гомофазные гетерогенные процессы (например, газофазная реакция на твердом катализаторе), гетерофазные гомогенные реакции (например, сульфирование бензола, когда реагенты находятся в двух несмешивающихся фазах, а их взаимодействие идет в объеме одной из фаз).
Простые и сложные реакции. Простыми называются реакции, в которых не образуются измеримые или существенные для материального баланса количества других веществ, кроме тех, что фигурируют в стехиометрическом уравнении:
Простые реакции могут быть необратимыми и обратимыми.
Сложные реакции состоят из двух или более макростадий, они дают ряд макропродуктов и представляют собой совокупность простых реакций:
Причем реакции 1 и 2 называются последовательными, а реакции 1 и 3 – параллельными. Соединения А и В являются исходными веществами (реагентами), а остальные – продуктами, из которых R – промежуточный продукт, а С и D – конечные (целевые), если они не превращаются дальше в другие.
Элементарные и неэлементарные реакции. Простые реакции могут быть элементарными и неэлементарными. Элементарные реакции протекают при непосредственном взаимодействии исходных веществ, то есть при этом вообще отсутствуют (или их пока не удалось обнаружить) какие-либо микростадии, через которые идет такая реакция
А + В С + D
Неэлементарные реакции имеют ряд химических микростадий, в которых участвуют промежуточные комплексы или частицы, не фигурирующие в стехиометрическом уравнении
А A*
A* + B AB**
AB** C + D
A + B C + D
Каждая из промежуточных стадий, составляющих неэлементарную реакцию, является элементарной. При этом совокупность элементарных реакций, способов образования, природы и дальнейшего взаимодействия промежуточных комплексов и частиц составляет механизм реакции. Здесь следует отметить, что практическое значение механизма реакции определяется возможностью предсказания поиска путей оптимального осуществления химического процесса, выбора способов его ускорения на основе кинетики химических процессов.