Закономерности гомогенных процессов

Гомогенным называется процесс, в котором реагирующие вещества находятся в момент реакции в одной фазе. Гомогенные процессы в промышленности в основном осуществляются в газообразной или жидкой фазе. В технологии неорганических веществ к таковым можно отнести сжигание сероводорода или паров серы для производства оксида серы (4), окисление оксида азота (4) в производстве азотной кислоты. Также широко гомогенные процессы в газовой фазе используются в технологии органических веществ. Например, при высокотемпературном процессе хлорирования парафинов получают хлорорганические растворители.

В качестве гомогенных процессов в системе Ж – Ж в технологии неорганических веществ можно привести производство сульфата аммония путем взаимодействия аммиачной воды и серной кислоты:

2NH₄OH + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O.

По такому же принципу протекают многие обменные реакции в растворах солей. В технологии органических веществ гомогенно в системе

Ж – Ж проводят процессы полимеризации винилацетата, получают этиленгликоль, простые и смешанные эфиры из спиртов и др.

При проведении гомогенных процессов химические реакции протекают во всем объеме реакционной смеси, и если реагенты в исходной смеси достаточно хорошо перемешаны, то диффузионные процессы не лимитируют общей скорости процесса, которая определяется, как правило, кинетикой химического превращения.

Закономерности гомогенных процессов применимы и для  анализа гетерогенных процессов, протекающих в кинетической области.

 

Влияние концентрации на скорость реакции и степень превращения в гомогенных процессах

Математическую формулу, связывающую скорость с концентрациями, называют кинетическим уравнением реакции. Вид кинетического уравнения определяет порядок реакции, который равен сумме показателей степеней при концентрациях реагентов в уравнении. Влияние концентраций реагирующих веществ на скорость определяется законом действия масс. являющимся основным законом химической кинетики.

Для реакции: аА + bB + ……= продукты реакции

Кинетическое уравнение имеет вид:

U =   = k · С^а'_А·С^b'_B· …..                                                                  (7)

     К – коэффициент скорости процесса;

            U - скорость процесса

            С – концентрация

Порядок реакции m равен: m = а ' + b ' + …..

Порядок реакций в большинстве случаев не совпадает с молекулярностью реакций m ' = a + b + ….что объясняется сложным механизмом таких реакций. Показатель степени при концентрации какого – либо компонента в кинетическом уравнении (7) называют порядком реакции относительно этого компонента.

Простые необратимые и обратимые реакции.

Наиболее простые случаи гомогенных реакций описываются кинетическими уравнениями 2 – го и 2 –го порядков:

m = 1                -  = k · C  1 – порядок                                      (8)

m = 2                -  = k · C ² 2 – порядок                                    (8)

Как следует из уравнений, зависимость скорости реакции от концентрации значительно меняется при возрастании порядка реакции. Так, например, при увеличении текущей концентрации реагентов в 2 раза скорость реакции

1 – го порядка увеличивается в 2 раза, а для реакции 2 – го порядка увеличивается в 4 раза.

После интегрирования и последующих алгебраических преобразований кинетических уравнений получают формулы, описывающие взаимосвязь начальной и конечной концентраций исходных реагентов, времени, необходимого для достижения заданной степени превращения или выхода продукта. Для простых необратимых реакций 1 –го порядка эти формулы имеют вид: τ =(1/k) ·ln (С_А,_О / С_А) = (1/k) · ln [1/(1 – ) ]          (9)             

  С_А = С_А,_О · exp ^{(- k τ)}

ХА = 1 - exp ^{(- k τ)}

Для технологии важно знание влияния начальной концентрации реагентов на среднюю скорость процесса, так как эта зависимость определяет конечную производительность установки. На основании формулы (8) можно утверждать, что для реакции 1- го порядка:

 Ū = (С_А,_О - С_А)/ τ = k· С_А,_О· ХА / ln[1/(1 – ) ]                           (10)

На основании(9)можно утверждать, средняя скорость Ū линейно увеличивается с ростом С_А,_О при заданном постоянном значении степени окисления ХА.

Влияние концентрации на скорость обратимых реакций аналогично, хотя выражение движущей силы процесса  Δ С, в которую входит начальная концентрация, имеет более сложный вид.

Как известно, для простых необратимых и обратимых реакций выход целевого продукта по какому – либо веществу численно равен степени превращения этого вещества. Если в реакции участвуют два вещества А и В, то увеличение концентрации одного из них, (например, В) приводит к повышению выхода продукта (например, D) по другому веществу Ф _{D ( A ).}

Этот прием распространен в практике, когда необходимо более полно использовать дорогостоящее или вредное для окружающей среды

 вещество А. Увеличивая избыток другого (более дешевого или безвредного) вещества В путем увеличения его концентрации Св, повышают степень превращения дорогого вещества Х А и выход продукта по этому веществу ФD(A). При этом верхний предел выхода ФD(A) макс. Для необратимых реакций равен 1, а для обратимых реакций –равновесному выходу.

 

Рис. Влияние повышения концентрации Св и коэффициента избытка

Α в вещества В на степень превращения вещества А и выход продукта D по веществу А в реакции А + В ↔ D .

 

 

---

Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 303; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!