Реакторы для гомогенных процессов

Ре а кторы хим и ческие, аппараты для проведения реакций химических. Конструкция и режим работы реакторов химических определяются как агрегатным состоянием взаимодействующих веществ, так и условиями (температурой, давлением, концентрациями реагентов и др.), обеспечивающими протекание реакции в нужном направлении и с достаточной скоростью. По первому признаку различают реакторы химические для реакций в гомогенных системах (однофазных газовых или жидких) и в гетерогенных системах (двух- или трёхфазных, например газ — жидкость — твёрдое тело). По второму признаку различают реакторы химические низкого, среднего и высокого давления, низко- и высокотемпературные, периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

В гомогенных реакторах процесс протекает в одной фазе и не сопровождается фазовыми переходами. Отсутствие переноса вещества или энергии через границу раздела фаз является основным признаком гомогенных процессов. При этом совсем не обязательно, чтобы реактор содержал только одну фазу. Он может быть заполнен инертной твердой насадкой для уменьшения продольного перемешивания или в него может подаваться инертная жидкость или газ для реализации барботажного или газлифтного перемешивания. Однако если в реакторе не происходит обмен веществом или энергией между фазами, то он должен быть отнесен к гомогенным. Реакционная масса при этом может быть неоднородной по составу, в ней могут иметь место градиенты температуры и концентрации. Более того, реакционная масса может обмениваться энергией со стенками реактора и встроенными теплообменными устройствами. Гомогенные реакторы могут быть жидкофазными и газофазными.

Реакторы химические для гомогенных систем — обычно ёмкостные аппараты, снабженные перемешивающими устройствами и теплообменными элементами, а также пустотелые или насадочные колонны часто с плоскими змеевиками. Процессы в гомогенных системах могут протекать периодически или непрерывно.

Равновесия гетерогенных процессов

В гетерогенных системах вещества находятся различных фазах. Если вещества химически не взаимодействуют, то такую систему называют химически нереагирующей системой. В гетерогенных химически реагирующих системах вещества чаще всего взаимодействуют на границе раздела фаз. Равновесие, устанавливающееся в таких системах, называют гетерогенным химическим равновесием.
Для гетерогенных процессов:
- конденсированные фазы (жидкие и твердые), не улетучивающиеся в ходе реакции и не переходящие полностью в раствор и их количества не оказывают влияния на равновесие;
-в выражение константы равновесия обратимых гетерогенных реакций входят только парциальные равновесные давления газообразных веществ, взятых в степенях стехиометрических коэффициентов. Для уравнения: Ст + СО2 г «2СОг Кр = р2равнСО/ рравнСО2
-константы равновесия Кр и Кр0 и Кс и Кс0 зависят от свойств всех веществ, реагирующих в гетерогенной реакции, а не только газов.
-для обратимых гетерогенных реакций введение дополнительного количества жидких или твердых компонентов (реагентов, продуктов) в реакционную смесь или их выведение из нее не влечет за собой изменения состава и, следовательно, не нарушает состояния равновесия, т.е. не смещает его положения;
-смещение положения равновесия в обратимых гетерогенных реакциях при изменении температуры вне зависимости от агрегатного состояния реагентов и продуктов подчиняется общим закономерностям.
Правило фаз (уравнение) Гиббса, известное также как закон фазового равновесия, было сформулировано в 1876 г. Оно относится к одному из общих законов физики и химии и является выражением второго закона термодинамики применительно к фазовым равновесиям. С его помощью можно описать и гомогенные и гетерогенные химические равновесия, а именно:
-термодинамически установить (предсказать) возможность или невозможность существования данной гомогенной или гетерогенной системы;
-вычислить максимальное число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии при данных условиях;
-априори характеризовать фазовый состав сколь угодно сложной многокомпонентной системы при заданном числе независимых переменных, определяющих равновесие;
-предсказать по числу степеней свободы поведение исследуемой системы, т.е. установить варианты возможных фазовых превращений при изменении одного, двух и более внешних условий (при сохранении остальных параметров состояния системы постоянными). В общем виде правило фаз Гиббса формулируется следующим образом: число термодинамических степеней свободы, или вариантность равновесной термодинамической системы С, определяется как разность числа независимых компонентов системы К и числа сосуществующих фаз Ф плюс число внешних факторов n, влияющих на равновесие. Его математическое выражение записывается в виде простого соотношения: С = К – Ф + n. Анализируя это выражение можно сделать следующие выводы:
-число степеней свободы равновесной системы возрастает с увеличением числа независимых компонентов и понижается с увеличением числа сосуществующих фаз;
- число степеней свободы может быть равно либо нулю, либо целому положительному числу, т.е. С³0;
- так как число степеней свободы не может быть отрицательным, то число сосуществующих фаз в равновесной термодинамической системе в общем случае не может превышать суммы К + n.