Химические процессы

Химический процесс (ХПр) – сложное явление, в котором химическое превращение сопровождается массо-теплопередачей.

Классификация процессов по способу взаимодействия реагентов, фазовому признаку и т.д.

Наблюдаемая скорость превращения W_н, ее отличие от скорости химической реакции.

Таким образом, наблюдаемая скорость превращения является результатом наложения на химическую реакцию всех перечисленных факторов нехимической природы (плотность, вязкость, интеисивность явлений переноса вещества и тепла, размер частиц, их форма, пористая структура и тд.). При этом в конечном выражении для наблюдаемой скорости превращения всегда появляется известная из исходных данных, так называемая «наблюдаемая» концентрация реагирующего вещества.

Гомогенный химический процесс.

Определение

Гомогенным химическим процессом называют процесс, в котором все реагенты (участники химического превращения) находятся в одной фазе (газовой или жидкой) и в этой же фазе протекают химические превращения.

Примеры: хлорирование, сульфохлорирование углеводородов, нейтрализация кислоты и щелочи без образования твёрдой соли, окисление оксида азота в производстве азотной кислоты

Аналитические и графические зависимости скорости превращения (или реакции) от концентрации, степени превращения и температуры для простых необратимых и обратимых реакций.

Оптимальная температура и линия оптимальных температур.

Влияние концентрации, порядка реакций и температуры на дифференциальную селективность в сложной реакции.

Способы управления интенсивностью и селективностью процесса.

Гетерогенный процесс “газ-твердое”. Модель “сжимающееся ядро”.

Схема и математическое описание процесса.

• Твердая частица В в форме сферы радиусом R₀, обтекается потоком газа А с концентрацией реагента в нем с₀.

• Частицу окружает пограничный слой газа.

• Реакция начинается на поверхности и фронтально продвигается вглубь частицы

• В какой-то момент времени частица будет состоять из ядра радиуса r, содержащего непрореагировавшее вещество В, и наружного слоя продукта или не реагирующего компонента (инерта).

• Реакция протекает на поверхности ядра. В результате ядро уменьшается, но размер частицы (R₀) сохраняется.

Лимитирующая стадия.

Наблюдаемая скорость и время полного превращения в кинетической, внутридиффузионной и внешнедиффузионной областях.

Способы интенсификации.

Каталитический процесс.

Определение катализа и катализатора.

Катализ – это явление ускорения химической реакции под влиянием веществ, называемых катализаторами.

Действие катализатора заключается в том, что он открывает новый реакционный путь. Не входя в стехиометрическое уравнение реакции, катализатор многократно вступает в химическое взаимодействие с участниками реакции с образованием промежуточных соединений. Образование любого из промежуточных соединений требует меньшей энергии активации, чем при проведении реакции в том же направлении в отсутствии катализатора. Катализатор восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных взаимодействий.

Химический процесс в пористом зерне катализатора.

С хема и структура гетерогенно-каталитического химического процесса:

К – катализатор

П – поры катализатора

Пс – пограничный слой

I, II, III – этапы процесса

Схема процесса и математическое описание.

Математическая модель процесса

• Допущения:

• Форма зерна – плоская пластинка толщиной 2R₀;

• Пластинка омывается с боковых сторон (площадь каждой S) газом с концентрацией реагента С₀;

• Пренебрегаем внешнедиффузионным торможением в связи с интенсивным внешним переносом;

• Перенос А в порах характеризуется эффективным коэффициентом диффузии D_эфф;

• Протекает реакция 1-го порядка А→R и W(С) = – kC;

• Условия процесса – изотермические и стационарные.

Общее решение дифференциального уравнения имеет вид:

Константы интегрирования А и В найдём из граничных условий

решение задачи  распределение концентрации по глубине зерна:

Наблюдаемая скорость превращения, возможные режимы.

Коэффициент эффективности (степень использования внутренней поверхности) зерна катализатора и его зависимость от модуля Тиле-Зельдовича.

 зависит только от

Зависимость степени использования внутренней поверхности катализатора  от параметра . Пунктиры – примерные границы режимов: кинетического (I), переходного (II), внутридиффузионного (III)