Основные понятия химической кинетики. Химическая кинетика изучает вопросы скорости химических превращений

Химическая кинетика изучает вопросы скорости химических превращений. Одни реакции протекают мгновенно, тогда как дру­гие могут длиться часы и годы. Важно уметь влиять на скорость реакции. Увеличить скорость химической реакции можно, напри­мер, повысив температуру проведения процесса. От скорости ре­акции зависит выбор размера реактора и его производительность.

Для гомогенной среды скоростью химической реакции называ­ют количество вещества, израсходованного или получаемого в ходе реакции в единице объема за единицу времени. В этом случае ско­рость реакции пропорциональна изменению концентрации С ве­щества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени:

.

Для гетерогенной среды скоростью химической реакции называют количество вещества, израсходованного или получаемого в ходе реакции при единичной площади поверхности раздела фаз за еди­ницу времени. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и присут­ствия катализатора.

В химической кинетике часто используют формализованное описание химической реакции. Уравнение реакции записывают в виде стехиометрического уравнения, которое может выглядеть, например, следующим образом:

, (24.1)

где а, b, с — стехиометрические коэффициенты соответствующих веществ.

Константа скорости реакции | зависит от природы реагирую­щих веществ, температуры и присутствия катализатора и опреде­ляется по уравнению Аррениуса

, (24.2)

где — коэффициент; Е — энергия активации, Дж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, R = 8310 Дж/(кмоль • К); Т — температура, К.

Скорость реакции определяется числом соударений реагирую­щих веществ, которое, в свою очередь, зависит от концентрации реагирующих веществ. Для реакции, протекающей в соответствии

с уравнением (24.1), скорость по веществу А определяется c помощью уравнения

,

где — показатели, называемые порядком реакции и равные, стехиометрическим коэффициентам а и b в уравнении (24.1). На пример, для реакции окисления оксида азота

2NO + О₂ = 2NО₂

уравнение для скорости реакции имеет вид

Мерой глубины химической реакции является степень превра­щения вещества , которая показывает долю исходных веществ прореагировавших в данной реакции. В случае если в реакции уча­ствует не один, а несколько реагентов, степень превращения оп­ределяют по каждому реагенту.

Другой важной характеристикой эффективности проведения процесса является выход продукта — отношение реально полу­ченного количества продукта к теоретически возможному.

Поскольку в ходе проведения химической реакции кроме це­левого продукта часто образуются и побочные продукты, в хими­ческой технологии используют такую характеристику процесса, как селективность — отношение количества исходного вещества израсходованного на получение необходимого продукта, к обще­му количеству исходного вещества, вступившего в химическое взаимодействие.

Степень превращения вещества, выход продукта и селективность являются безразмерными характеристиками эффективности хими­ческих реакций и изменяются в интервале от нуля до единицы.

Для того чтобы подойти к вопросу конструирования и выбора химического реактора, необходимо уметь правильно составлять уравнения материального и теплового балансов.

Порядок составления таких уравнений рассмотрен в гл. 1. Здесь отметим, что для определения количества теплоты, образующей­ся в результате проведения химической реакции, можно восполь­зоваться уравнением

,

где — массовый расход вещества, участвующего в химической реакции; — тепловой эффект реакции, значение которого зави­сит от конкретной реакции и находится из справочной литерату­ры; — степень превращения вещества А.

Для поддержания скорости реакции на высоком уровне необ­ходимо грамотно управлять химическим процессом. Выбор спосо­ба управления зависит от типа реакции.

Различают следующие способы управления процессом: управ­ление временем его проведения, концентрациями реагирующих веществ, температурным режимом процесса; создание развитой межфазной поверхности; поддержание требуемой активности ка­тализатора (для каталитических реакций).

Управлять временем проведения процесса можно, осуществляя его в периодическом, непрерывном, полупериодическом и смен­но-циклическом режимах.

Управление концентрациями реагирующих веществ достигается несколькими путями: рециркуляцией непревращенного сырья (по­дачей его на вход реактора), подводом сырья в разные точки ре­акционного объема и секционированием рабочего объема реактора.

Управлять температурным режимом можно путем проведения химического процесса в адиабатическом, изотермическом или политропическом режиме.

При осуществлении гетерогенных процессов важно создание развитой межфазной поверхности. Для реакций в системе газ— жидкость это может быть достигнуто путем интенсивного диспер­гирования газа в жидкости.

При проведении каталитических реакций необходимо поддер­жание активности катализатора на высоком уровне, что достига­ется его циркуляцией или регенерацией, а если этого недостато­чно, то полной или частичной заменой.

Контрольные вопросы

1.Что изучает химическая кинетика? Что представляет собой хими­ческая реакция? Какие бывают реакции?

2.От каких факторов зависит скорость химической реакции?

3.Какие требования предъявляют к конструкциям химических реакторов?

4.Приведите определения таких понятий, как степень превращения вещества, выход продукта и селективность.

5.Каким образом можно управлять химическим процессом в реакторе?

Глава 25