ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основные факторы, влияющие на скорость химического превращения вещества из "Процессы и аппараты химической промышленности" В процессах химического превращения вещества, протекающих в реакторах, скорость собственно химической реакции не всегда определяет скорость превращения. Часто химической реакции сопутствуют теплообмен, перенос массы (диффузия),гидродинамические процессы (движение потоков, их взаимное перемешивание). Эти физические явления, как было уже сказано, в определенных условиях могут оказывать даже решающее влияние, и, следовательно, для правильного выбора технологических условий ведения процесса и его аппаратурного оформления необходимо знание основных факторов, влияющих на скорость химического превращения вещества. К таким факторам относятся прежде всего температура, давление и концентрация исходных продуктов. [c.465] Температура. Химические процессы всегда сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Тепловой эффект процесса химического превращения вещества в некоторых случаях может вызвать заметное изменение температуры реакционного объема аппарата. Это изменение влияет на условия равновесия химического процесса (равновесный выход), скорость процесса, степень превращения вещества и состав продуктов реакции. [c.465] Из уравнения (16.32) следует, что реакции с высокими энергиями активации значительно более чувствительны к изменениям температуры, чем реакции с низкими энергиями активации, и более чувствительны к изменению температуры в области малых ее значений. [c.465] Для процессов химического превращения вещества, протекающих в кинетической области, значение константы скорости реакции с повышением температуры обычно резко возрастает, следовательно, скорость процесса значительно увеличивается. Для процессов, протекающих в диффузионной области, превращение происходит медленнее, так как в данном случае скорость его зависит от коэффициента диффузии, изменяющегося с изменением температуры (рис. 16.2). [c.466] Таким образом, для гетерогенных химических процессов, общая скорость которых определяется как скоростью собственно химической реакции, так и скоростью массопереноса, зависимость от температуры оказывается достаточно сложной (рис. 16.3). [c.466] Характерные типы зависимостей скорости химической реакции от температуры, встречающиеся в процессах химической технологии, приведены на рис. 16.4. Наиболее простой характер этой зависимости у необратимых реакций, когда с увеличением температуры происходит быстрое возрастание скорости (рис. 16.4, а). [c.466] Для обратимых реакций характерно смещение равновесия с изменением температуры. Так, если реакция эндотермическая, то с увеличением температуры скорость образования продуктов реакции увеличивается (при экзотермической — уменьшается). [c.466] Для обратимых реакций максимальная скорость достигается при строго определенных температурах, которые часто являются оптимальными. В этих условиях с дальнейшим увеличением температуры общая скорость химического процесса уменьшается, так как скорость обратной реакции возрастает быстрее, чем скорость прямой реакции. [c.466] Такая зависимость скорости реакции от температуры характерна также для каталитических реакций, скорость которых определяется скоростью адсорбции реагентов на поверхности катализатора, и для реакций ферментации (рис. 16.4,г). [c.467] Многие гомогенные реакции в газовой фазе могут протекать в пламени (например, синтез соляной кислоты, парциальное окисление метана в ацетилен и т. д.). Эти реакции, имеющие цепной характер, возможны только при достижении температуры воспламенения (горения), когда наблюдается внезапное резкое увеличение (скачок) скорости химического превращения. Такая зависимость скорости реакции от температуры типична и для взрывных процессов (рис. 16.4, е). [c.467] Некоторые химические процессы (например, окисление углеводородов) сильно осложнены побочными реакциями, скорость протекания которых, особенно при высоких температурах, становится весьма значительной. В этом случае характер зависимости скорости химического процесса от температуры очень сложен (рис. 16.4,5). [c.467] Таким образом, влияние температуры на химическое превра-ш,ение имеет многообразный и сложный характер. [c.468] Давление — один из важнейших факторов, влияющих на скорость химических процессов, которые протекают с участием газов или паров. В основе большинства этих процессов лежат каталитические реакции. Для таких реакций с изменением давления могут изменяться степень адсорбции, константа скорости, а также время контакта. Например, повышение давления при постоянном массовом расходе ис одных веществ приводит к увеличению времени контакта м ду реагентами в аппарате. [c.468] Отсюда следует, что для реакций первого порядка давление не оказывает влияния на их скорость, для реакций второго порядка скорость пропорциональна давлению в реакционной системе, а для реакций третьего порядка — пропорциональна квадрату давления в системе. Если в ходе реакции общее число молекул реагирующих веществ уменьшается, то с повышением давления степень превращения увеличивается (например, при синтезе аммиака) возрастание же числа молекул реагирующих веществ приводит к снижению степени превращения при повышении давления. Наконец, если общее число молекул, участвующих в реакций, постоянно, то изменение давления не будет влиять на смещение химического равновесия, а следовательно, и на степень превращения. [c.468] Таким образом, применение давления на практике наиболее благоприятно для процессов, протекающих в газовой фазе с уменьшением объема. При этом повышение давления увеличивает выход продукта и дает возможность использовать реакторы меньших размеров. Увеличение давления может резко повысить выход. Однако очень высокое давление не вызывает существенного изменения скорости процесса в газовой фазе. [c.468] Повышение АС может быть достигнуто увеличением концентрации исходных взаимодействующих веществ, что является одним из наиболее распространенных путей интенсификации процессов химической технологии. [c.469] Однако следует учитывать, что выбор высоких начальных концентраций реагирующих веществ может вызвать чрезмерное увеличение скорости процесса и при высоком тепловом эффекте реакции создать технические трудности в осуществлении теплообмена в аппарате. Такое же ограничение наблюдается и в случае недостаточной растворимости реагентов в системе. [c.469] Важным фактором является также условие обратимости химической реакции, особенно в газовой фазе. В целом для обратимых реакций влияние начальных концентраций на скорость проявляется в большей степени, чем для необратимых. Для обратимых реакций, идущих с увеличением или уменьшением общего числа молей, термодинамические и кинетические факторы действуют различно. Так, для обратимых реакций, протекающих с возрастанием общего числа молей, повышение концентрации реагента увеличивает скорость прямой реакции, но одновременно уменьшается движущая сила процесса из-за снижения равновесной степени превращения. Следовательно, каждой степени превращения соответствует определенная начальная концентрация, при которой обеспечивается максимальная скорость превращения. [c.470] Влияние изменения начальной концентрации ка общую скорость процесса проявляется также при одновременном взаимодействии в реакции нескольких веществ. Так как при этом содержание каждого реагента влияет на скорость, то применение избытка одного из них (нестехиометрического соотношения) позволяет создать благоприятные условия для скорости процесса и более полного превращения (например, синтез хлористого винила, циклогексаноксима). [c.470] Перемешивание ускоряет физические процессы переноса теплоты и массы в системе. Поэтому перемешивание реагентов можно считать также одним из основных способов увеличения скорости химического процесса. В зависимости от агрегатного состояния взаимодействующих веществ влияние перемешивания на интенсификацию процесса может быть различно. Так, в гомогенных процессах основное значение усиления перемешивания состоит в быстром выравнивании концентрации и температуры реагирующих веществ в объеме и увеличении числа столкновений химически взаимодействующих молекул. В гетерогенных процессах, особенно протекающих в диффузионной области, основное значение перемешивания состоит в создании высокоразвитой поверхности контакта взаимодействующих фаз, в быстром обновлении этой поверхности, в ускорении процессов тепломассопереноса в реакционном объеме. [c.470] Вернуться к основной статье