Простые необратимые реакции

Оптимальным называют такой температурный (тепловой) режим проведения химического процесса, который обеспечивает экономически целесообразную интенсивность реактора.

Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в реакторах для эндо- и экзотермических, обратимых и необратимых химических процессов.

Выбор оптимального температурного режима зависит от типа протекающей химической реакции. Очевидно, что максимально возможная интенсивность достигается при проведении процесса с максимально возможной скоростью. Рассмотрим, как влияет тип химической реакции на выбор оптимального температурного режима.

Уравнение скорости необратимых экзо- и эндотермических реакций можно записать в следующем виде:

Вставить из кутепова.

Скорость химических реакций является функцией температуры и степеней превращения реагентов (или концентрации). С ростом температуры константа скорости химической реакции в соответствии с уравнением Аррениуса возрастает. С ростом степени превращения реагентов скорость реакции падает. Для компенсации этого уменьшения целесообразно увеличивать температуру.

Эндотермические реакции.

Такие процессы проводятся в реакторах с подводом теплоты (изотермических или реакторах с промежуточным тепловым режимом), поддерживая температуру максимально допустиму по конструкционным соображениям. Необходимо также учитывать экономические показатели: увеличение прибыли за счет роста производительности реактора и увеличение расходов на поддержание высокой температуры. Проведение таких процессов в адиабатических условиях нецелесообразно, так как по мере протекания реакции ее скорость будет падать как за счет увеличения степени превращения так и за счет уменьшения температуры.

Для необратимых экзотермических реакций рост степени превращения сопровождается выделением теплоты, и, следовательно, в адиабатическом режиме это приведет к росту температуры реакционной смеси. Уменьшение скорости реакции вследствие увеличения степени превращения будет частично компенсироваться увеличением константы скорости с ростом температуры. Проводя такую реакцию в адиабатическом реакторе, можно обеспечить высокую скорость химических реакций и высоку производительность реактора в автотермическом режиме без использования посторонних источников теплоты. При этом теплота реакционной смеси, выходящей из реактора, служит для нагрева исходных реагентов на входе в реактор.

Обратимые химические реакции.

Проанализируем условия обеспечения оптимального температурного режима обратимых реакций на примере обратимой реакции первого порядка А↔R. Скорость такой реакции определяется уравнением:

из кутепова.

С одной стороны, как и скорость необратимой реакции (), она определяется константой скорости k₁ и глубиной химического превращения х, а с другой - определяется степенью приближения реакционной системы к состоянию химического равновесия и значением предельно достижимой степени превращения в равновесных условиях х*. Изменение скорости с ростом температуры для обратимых эндо- и экзотермических реакций будет различным.

Повышение температуры проведения обратимой эндотермической реакции приводит одновременно приводит и к росту k₁, и к увеличению равновесной степени превращения х*. Следовательно, при фиксированной степени х скорость обратимой эндотермической реакции с ростом температуры монотонно увеличивается. Поэтому подход к разработке оптимального температурного режима этих реакций будет таким же, как и для необратимых эндотермических процессов.

проведение процесса по линии оптимальных температур предполагает, что по мере увеличения степени превращения температуру в реакторе надо уменьшать, чтобы скорость реакции всегда оставалась максимально возможной.