5. Открытые системы

Открытыми называют такие системы, в которых процесс проводится в условиях непрерывного ввода в реакционное пространство исходных веществ при непрерывном выводе из реакционного пространства продуктов реакции и непрореагировавших исходных веществ.

Поскольку организованное перемещение вещества – это конвективный поток, поэтому первый член уравнения Дамкелера обязательно будет выражением конвективного потока. Изменение конвективной плотности потока будет являться отличительной особенностью открытой системы.

- уравнение Дамкелера для открытой системы.

Исходя из этого выражения и определения открытой системы следует, что определение открытой поточной системы полностью совпадает с определением непрерывного процесса без всяких ограничений.

Закрытые системы

Закрытыми называют системы, в которых процесс происходит при отсутствии обмена веществом, энергией или импульсом с окружающим пространством.

По определению закона сохранения, закрытыми системами называются такие системы, в которых отсутствует конвективный поток.

Уравнение Дамкелера для закрытой системы будет иметь вид.

Определение закрытой системы совпадает с определением периодического процесса без каких-либо ограничений.

Совместимые понятия

1. Стационарный процесс

непрерывный

открытый

2. Нестационарный процесс

периодический

закрытый

Несовместимые понятия

Стационарный

Периодический

Стационарный

Закрытый

Открытый

Периодический

Классификация систем по фазовому состоянию реагента

1. Характеристика гомогенных процессов

2. Методы увеличения скорости гомогенных процессов

3. Характеристика гетерогенных процессов

4. Понятие лимитирующей стадии в гетерогенном процессе

5. Математическое описание гетерогенных процессов

6. Способы увеличения скорости гетерогенных процессов.

1. Гомогенная система – система, в которой процессы протекают в одной фазе, чаще всего в газовой и жидкой фазах. Реже твердофазные процессы.

Газовая фаза:- окисление серы, сероводорода и др.

В органическом синтезе большой объем процессов, протекающих в газовой фазе:

Δ сжигание природного газа

Δ сжигание жидкого топлива

Δ процессы хлорирования

В жидкой фазе – как в органическом так и в неорганическом синтезе:

Δ Обменные реакции между кислотой и щелочью

Δ Получение адипиновой кислоты.

Исходя из определения гомогенного процесса или гомогенной системы, можно сказать, что гомогенные процессы могут быть охарактеризованы или описаны уравнениями Дамкелера, в которых будет отсутствовать выражение переходящего потока.

e*w*ΔΓ = 0

Для открытой гомогенной системы:

(1)

Для закрытой системы:

(2)

В условиях все возрастающей интенсификации химико-технологических процессов диффузионным переносом вещества, энергии или импульса можно пренебречь, поскольку концентрация вещества, поток теплоты и количество движения внутри фазы устанавливаются практически мгновенно.

gradГ→0

Для открытой системы:

(3)

Для закрытой системы:

(4)

В случае только потока компонента уравнение (4) можно выразить следующим образом:

(5)

Анализируя уравнение (5), которое описывает закрытую гомогенную систему для потока компонента, следует вывод: изменение концентрации реагирующих веществ происходит только в результате их расходования или образуется за счет протекающих химических реакций.

Гомогенные процессы протекают, как правило, в кинетической области, и общая скорость процесса будет определяться скоростью химической реакции.

A→R n=1

2A→R n=2

Запишем выражение скорости для уравнения 1-го порядка

для n=1

Для реакции 2-го порядка:

при n=2

Если эти уравнения проинтегрировать в пределах , получим:

Если х_А,0 = 0, эти выражения примут вид:

Эти выражения позволяют определить время, необходимое для достижения заданной степени превращения при протекании гомогенного процесса.