 |
Гомогенные химические процессы
|
|
|
|
Глава 2. СОСТАВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (МАКРОКИНЕТИКА)
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
На следующем уровне изучения химических реакторов рассматривается химический процесс – совокупность взаимодействующих и взаимосвязанных явлений химического превращения и сопутствующих им физических явлений молекулярного переноса. Из трех видов переноса – массы, энергии и импульса – в химических процессах наиболее существенное значение имеет тепломассоперенос. В большинстве процессов перенос импульса не учитывается, поскольку перепадом давления можно пренебречь.
Взаимосвязь и взаимодействие химического превращения и тепломассопереноса возникают следующим образом. В процессе протекания химической реакции изменяются концентрации веществ и температура в зоне реакции. В результате этого между зоной реакции и остальным реакционным пространством создается градиент концентраций и температур, вызывающий перенос массы и теплоты. Таким образом, тепломассоперенос является результатом протекания химической реакции. Перенос массы вызывает поток реагентов из реакционного пространства в зону реакции (подвод реагентов в зону реакции) и поток продуктов в обратном направлении (отвод продуктов из зоны реакции). Очевидно, что интенсивностью этих потоков в значительной степени определяются концентрации веществ и температура в зоне реакции, что, в свою очередь, влияет на протекание самой химической реакции, осуществляя обратную связь в исследуемой системе.
На основании этого механизма в химическом процессе в общем случае можно выделить три последовательные стадии протекания: 1) подвод реагентов в зону реакции; 2) химическая реакция; 3) отвод продуктов из зоны реакции.
|
|
|
Таким образом, химический процесс – многостадийный, последовательные стадии его имеют как химическую, так и физическую природу.
Химические процессы изучаются макрокинетикой, рассматривающей совместное протекание химической реакции и тепломассопереноса. Указанные выше стадии протекания химического процесса называются макростадиями. Определяемую макрокинетикой скорость химического процесса обычно называют наблюдаемой скоростью химического превращения.
Макрокинетика изучает влияние процессов переноса рецептов, продуктов и процессов распределения теплоты на скорость химических реакций.
Поскольку химический процесс является многостадийным, то к составлению его математического описания применим подход, использованный при описании многостадийных реакций.
Математическое описание химического процесса обычно определяет его кинетику и в общем случае включает: 1) модель протекания процесса; 2) уравнения скоростей отдельных стадий; 3) количественные характеристики – константы, коэффициенты; 4) дополнительные упрощающие положения о роли отдельных стадий
Модель процесса, на основе которой составляется его математическое описание, должна с достаточной точностью отражать реальную картину протекания процесса и не использовать сложный математический аппарат. Создается такая модель в результате детального всестороннего анализа процесса, направленного на определение основных явлений, раскрытие их механизма, взаимодействия и взаимосвязи между ними.
Математическое описание кинетики химического процесса должно содержать уравнения скорости химических реакций, переноса веществ (реагентов и продуктов) и переноса теплоты. Исследование такого математического описания для нестационарного случая является сложной и трудноразрешимой задачей. Ситуация упрощается лишь при условии, что химический процесс является стационарным или квазистационарным и можно принять предположение о наличии лимитирующей стадии.
|
|
|
Характер лимитирующей стадии определяет область протекания процесса. Если лимитирующей стадией является транспортирование веществ (подвод или отвод), то процесс протекает в диффузионной области, поскольку перенос вещества осуществляется вследствие диффузии. Если лимитирующая стадия – химическая реакция, то процесс протекает в кинетической области.
Существует много признаков классификации химических процессов; для составления математического описания разделим их, прежде всего, по фазовому признаку на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный процесс протекает в гомогенной системе, и все участвующие в нем вещества находятся в одной фазе. Гетерогенный процесс протекает в гетерогенной системе; участвующие в нем вещества находятся в различных фазах, между которыми существует граница раздела.
ГОМОГЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Чисто однофазные системы, абсолютно не содержащие компонентов в другой фазе, в промышленности встречаются сравнительно редко, поскольку в любом веществе есть следы различных примесей, находящихся в другой фазе. Поэтому к гомогенным условно относят химические процессы, протекающие в газовой или жидкой фазе.
Особенно многочисленны и разнообразны гомогенные процессы в газовой фазе, которые широко применяются в технологии органических веществ. При осуществлении большинства этих процессов газообразные органические вещества или пары, полученные при испарении жидких органических веществ, обрабатывают тем или иным газообразным веществом – хлором, оксидом серы (IV), оксидами азота, кислородом воздуха и т.п. Гомогенными процессами в газовой фазе являются также парофазный пиролиз, сжигание газообразных топлив и т.п. В технологии неорганических веществ к гомогенным газофазным процессам относятся окисление сероводорода и паров серы кислородом воздуха (производство серной кислоты)
2H2S + 3О2 = 2SО2 + 2Н2О;
S + О2 = SО2;
окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) кислородом воздуха (производство азотной кислоты)
2NO + О2 = 2NО2
и многие другие.
|
|
|
Гомогенными процессами в жидкой фазе, например, являются:
1) процессы нейтрализации водных растворов кислот водными растворами щелочей в технологии минеральных солей (в начальный период их взаимодействия до образования твердой соли):
2NH4OH + H2SО4 = (NH4)2SО4 + 2H2О;
2) обменные реакции в растворах:
КСl + NaNО3 = NaCl + KNО3;
3) получение простых и смешанных эфиров из спиртов:
C2H6OSО2OH + CH3OH = С2Н5ОСН3 + H2SО4.
Гомогенные процессы, как правило, протекают в кинетической области; лимитирующей стадией является химическая реакция. Следовательно, скорость гомогенного химического процесса определяется скоростью протекания химической реакции. В соответствии с этим математическое описание кинетики гомогенных процессов представляет собой кинетическую модель протекающей в нем химической реакции. Тогда кинетические модели реакций А → R, А € R, А S RS и А → R → S, рассмотренных в предыдущей главе, результаты их решения и анализа применимы к гомогенным процессам, где протекают те же реакции при тex же условиях.
В соответствии с этим такие гомогенные процессы можно интенсифицировать повышением начальной концентрации реагента, реализацией оптимального температурного режима и поддержанием оптимального давления.
При осуществлении мгновенных реакций в жидкой фазе гомогенные процессы могут протекать в диффузионной области. Тогда наиболее эффективным путем их интенсификации будет перемешивание, обеспечивающее быстрый конвективный перенос веществ.
|
|
|
