Скорость химической реакции

Скорость химической реакции является важнейшей количественной характеристикой динамики химического процесса. Под скоростью гомогенной гомофазной реакции по i -веществу понимают изменение количества i -вещества (в молях, кмолях) в результате химической реакции в единицу времени в единице реакционного объема:

При изменении реакционного объема в ходе химической реакции выражение скорости образования i -вещества принимает вид:

В гетерофазных и гетерогенно-каталитических процессах химическая реакция может протекать на границе раздела фаз. В этом случае выражение скорости реакции по i -веществу следует записать в виде:

где S – поверхность раздела фаз, на которой протекает реакция.

В гетерогенно-каталитических реакциях активную поверхность, на которой протекает реакция, определить, как правило, чрезвычайно трудно. Поэтому скорость гетерогенно-каталитического превращения (образования) i-вещества обычно относят к массе катализатора:

При проведении химической реакции в потоке (реактор идеального смешения или идеального вытеснения) (слайд 6) при стационарных условиях скорость реакции по i -веществу определяется как производная молярного потока i -вещества (F_i) по реакционному объему (для гомофазных реакций) или по массе катализатора (для гетерогенно-каталитических реакций) при химическом превращении:

Если принять во внимание, что в реактор идеального вытеснения в единицу времени поступает молей и на расстоянии l от начала реактора степень его превращения (конверсия) составляет, топри условии стационарности процесса уравнение скорости по i -веществу имеет вид:

где S – площадь поперечного сечения реактора; V – реакционный объем.

В реакторе идеального смешения при стационарных условиях скорость гомофазной реакции по i -веществу равна

где и – молярный поток на входе и выходе из реактора соответственно; и – объемный поток в единицу времени; – степень превращения (конверсия).

Важно отметить, что при проведении реакции в реакторе идеального смешения при стационарных условиях скорость реакции находится из прямого эксперимента по значениям,, V или,,объемной скорости, представляющей отношение объемного потока в единицу времени к реакционному объему, т. е. u/V.

При проведении реакции в периодическом реакторе или реакторе идеального вытеснения для вычисления скорости реакции необходимо определить производную или,,соответственно, что может быть связано со значительными погрешностями.

При описании химического процесса одним стехиометрическим уравнением (1.1)

выражение скорости гомофазной реакции (r) можно получить из дифференциальных соотношений материального баланса:

путем деления на или:

В результате проведенных преобразований получается соотношение скорости реакции по i -веществу и стехиометрическому уравнению:

или

(3.9)

Величина скорости реакции по стехиометрическому уравнению всегда положительна.

Выражение (3.9) применимо к элементарным реакциям и сложным по механизму реакциям, описываемым одним стехиометрическим уравнением и не содержащим промежуточных активных частиц (концентрации лабильных частиц пренебрежимо малы по сравнению с концентрациями стабильных продуктов).

При стехиометрически сложных реакциях i -вещество может образовываться и расходоваться по нескольким стехиометрически простым реакциям. В этом случае скорость по i -веществу связана со скоростями по стехиометрически простым реакциям, в которых участвует i -вещество, соотношением

(3.10)

где – скорость реакции по S -стехиометрически простому уравнению с участием i -вещества; – стехиометрический коэффициент при веществе в S -уравнении.

Для описания дифференциального баланса реакционной системы достаточно иметь уравнения скоростей реакций только для ключевых веществ, однако в правой части уравнения (3.10) необходимо учитывать все реакции химического процесса, а не только базисные.