Способы изменения скорости простых и сложных реакций
Цель всякого химического процесса состоит в том, чтобы получить целевой продукт из имеющегося сырья с возможно более низкой себестоимостью. Для этого необходимо обеспечить минимальные расходные коэффициенты электроэнергии, воды, сжатого воздуха и, прежде всего сырья, так как в большинстве случаев сырье является наиболее крупной статьей в себестоимости продукции.
Для снижения расходного коэффициента сырья технологический процесс необходимо вести так, чтобы степень превращения, выход целевого продукта и селективность (для сложных реакций) были возможно более высокими и достигались в возможно более короткое время., т.е. скорость процесса должна быть возможно более высокой. Это объясняется тем, что скорость характеризует интенсивность процесса, а интенсивность является одним из основных показателей, определяющих экономичность химического производства.
Ранее указывалось, что на практике чаще всего используется классификация химических реакций по фазовому признаку, соответственно различают гомогенные и гетерогенные реакции. По этому же признаку наиболее часто подразделяют химические процессы и реакторы, в которых эти процессы осуществляются.
В гомогенных системах все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой (г), жидкой (ж) или твердой (т). В гетерогенных системах реагирующие вещества находятся в разных фазах, газ-жидкость (г – ж), газ-твердое (г – т), жидкость-твердое (ж – т), две несмешивающиеся жидкости (ж – ж) и две твердые фазы (т – т). Наиболее часто в промышленных процессах встречаются системы г – ж, г – т и ж – т.
Иногда в промышленных процессах участвуют три или четыре фазы, например, г – ж – т, г – ж – ж, г – ж – т – т.
Обычно за отдельные фазы принимают только основные компоненты и не учитывают наличие малых количеств примесей. Так, например, в системах ж – ж и ж – т часто содержится газовая фаза, поскольку процессы проводятся в присутствии воздуха или других газов, или же в присутствии паров, так как жидкие компоненты частично испаряются. Но газовую фазу учитывают только в том случае, есл она оказывает существенное влияние на процесс.
Некоторые процессы начинаются в гомогенной среде, а затем в результате появления новой фазы система переходит в гетерогенную. Например, при получении полистирола к жидкому стиролу добавляют перекись бензоила и нагревают, при этом происходит полимеризация стирола с образованием новой фазы – твердого полистирола.
Скорость реакции в гомогенных системах более высокая, чем в гетерогенных, так как в первом случае реакции протекают на уровне отдельных молекул (так называемый микроуровень). Поэтому в практических условиях обычно стремятся перевести гетерогенный процесс в гомогенный (путем плавления или растворения твердых реагирующих веществ, абсорбции или конденсации газов).
Скорость гомогенных процессов
Строго гомогенные процессы, т.е. процессы, протекающие в одной фазе, встречаются в промышленности сравнительно редко, так как любое вещество содержит следы различных примесей, находящихся в другой фазе. Поскольку следы инородных примесей часто активно влияют на ход процесса как катализаторы или ингибиторы, большинство процессов лишь условно можно отнести к гомогенным.
Число таких условно гомогенных процессов велико в технологии и неорганических, и органических веществ.
Гомогенные процессы в большинстве случаев протекают в кинетической области, т.е. общая скорость процесса определяется скоростью химической реакции и подчиняется закономерностям, установленным для процессов, протекающих на микроуровне. Скорости гомогенных процессов, в основе которых лежат простые необратимые реакции первого и второго порядков (A → R и 2A → R), выражаются уравнениями
из которых следует, что для повышения скорости необходимо увеличивать значения k (путем повышения температуры или применения катализатора) и CA,0. Так как на практике в большинстве случаев гомогенные реакции являются сложными (параллельными или последовательными), то в зависимости от значения констант скоростей этих реакций концентрация продуктов реакций будет изменяться во времени различно. При этом, чем выше порядок реакции, тем большее влияние оказывает концентрация исходного реагента на скорость соответствующей реакции. Например, при наличии двух параллельных реакций первого и второго порядков увеличение CA,0 в два раза изменяет соотношение скоростей этих реакций в 4 раза.
После интегрирования приведенных выше уравнений в пределах изменения XA от 0 до XA находим
Полученные уравнения позволяют определить время τ , необходимое для достижения заданной конечной степени превращения XA. Из этих уравнений следует, что константа скорости реакции первого порядка измеряется в ч–1, а реакции второго порядка – в м3 ∙ кмоль–1 ∙ ч–1.