§ 3 Классификация химических реакций применяемых в промышленности.

В современной химии известно огромное количество различных химических реакций. Многие из них осуществляются в промышленных условиях и становятся объектом исследования инженерной химии.

Рассмотрим наиболее общую классификацию.

Классификация химических реакций:

1) Гомо и гетерофазные процессы.

Гомофазными – называются процессы, все компоненты которых находятся в пределах одной фазы: газовые (газофазные), жидкие (жидкофазные).

Гетерофазные процессы - это реакции, компоненты которой находятся в двух или более фазах.

Г – Ж (газ-жидкость); Ж – Ж (жидкость-жидкость); Г – ТТ – Ж (газ-твердое тело-жидкость).

2) Гомо и гетерогенные процессы.

Эти процессы различают по зоне протекания химических реакций.

Гомогенные процессы осуществляются в объеме какой-либо фазы, гетерогенные на поверхности раздела фаз. Понятие фазового состояния компонентов реакции и зоны ее протекания не однозначны. Существуют гомофазные гетерогенные процессы.

Например: гомофазная реакция на твердом катализаторе.

Гетерофазная гомогенная реакция. Сульфирование бензола серной кислотой, когда реагенты находятся в двух не смешивающихся фазах, а их взаимодействие идет в объеме одной из фаз.

3) Простые и сложные реакции.

Простыми называются реакции в которых не образуется измеримые или существенные для материального баланса количество других веществ, кроме тех, что записаны в стехеометрическом уравнении.

Простые реакции бывают необратимые (→) и обратимые ( ).

Сложные реакции состоят из двух или более макростадий. Они дают ряд макропродуктов и представляют собой совокупность простых реакций.

Простые реакции 1 и 2 называют последовательными, а реакции 1 и 3 параллельными. Вещества А и В – реагенты; остальные продукты; С – целевой продукт; Д, F – побочные продукты; R – промежуточный продукт.

4) Элементарные и неэлементарные реакции.

Простые реакции могут быть элементарными и неэлементарными. Элементарные реакции протекают непосредственном взаимодействии исходных реагентов, то есть отсутствии, или их пока не удалось обнаружить, в каких либо микростадий, через которые протекает реакция.

А+В → С+Д

Не элементарные реакции имеют ряд химических микростадий, в которых участвуют промежуточные комплексы или частицы не фигурирующие в стехеометрическом уравнении.

1)

2)

3)

Из всего следует что А+В→С+Д

Каждая из промежуточных стадий составляют не элементарную реакцию, является элементарной. Совокупность элементарных реакций, способов образование природы и дальнейших взаимодействий промежуточных комплексов и частиц составляют механизмы реакции. В зависимости от числа молекул комплексов и частиц, участвующих в элементарной реакции. Последнее бывают моно- ; би- ; и тримолекулярные.

§ 4 Безразмерные характеристики материального баланса.

Для оценки эффективности ХТП в инженерной химии применяют ряд критериев. В качестве таких критериев используют производительность, интенсивность, степень превращения (конверсия) реагента.

Выход продукта, селективность.

Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени.

Максимальновозможная для данного реактора (агрегата, отделения, производства) производительность называется мощностью.

Интенсивность – это производительность, отнесенная какой-либо величине, характеризующей размеры реактора, его объему (V) к сечению (S). . Интенсивность используют для сравнения работы ректоров различного устройства, в которых протекают одни и те же химические процессы. Степень превращения реагента – это доля реагента использованного на химическую реакцию. Степень превращения реагента показывает на сколько полно в химическом процессе используется исходное сырье. . x_i – степень превращения реагента; Y_i,0 – количество i-ого реагента в исходной реакционной цепи. Y_i – количество i-ого реагента в конце процесса.

Для обратимых реакций предельным состоянием является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует предельно-достижимое равновесная степень превращения. , x_i ^* - равновесная степень превращения, Y_i – количество i-ого реагента в условиях равновесия.

Когда реакция протекает без изменения объема, степень превращения реагента может быть выражена через концентрацию этого реагента:

n_i - количество молей i-ого реагента; V – объем реакционной массы в которой это все находится. Если объем реакционной массы изменяется во время протекания химической реакции и это изменение можно считать линейными, то можно записать: ; Vi – объем реакционной массы в конце; V_i,0 – в конце. ε – коэффициент относительно изменения объема. , где объем при Vx=1 и V при x = 0, это мольные объемы реакционной массы при степени превращения равной 1 или 0. Vx=1 – нет реагентов, только продукты, Vx=0 – только реагенты.

С учетом уравнения (6) текущую концентрацию реагента в реакционной массе можно представить:

, а степень превращения xi может быть найдено:

Выход продукта – это отношение, фактически полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое может быть получено в соответствии со стехиометрией химической реакции. . Следует отметь, что величина Y_max – зависит от типа химической реакции: 1) Рассмотрим необратимую химическую реакцию.

Для простых необратимых реакций выход продукта равен степени превращения реагента.

; 2) Для обратимой химической реакции:

. 3) Для сложных параллельных и последовательных необратимых реакций. . 4) Для сложных параллельных и последовательных обратимых реакций.

Селективность – это доля превращения реагента, израсходованного на образование целевого продукта. Различают интегральную и дифференциальную селективность.

1) Дифференциальная (φ) – это отношение скорости превращения реагента в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходного реагента, то есть доля исходного реагента претерпевшая за некоторый промежуток времени превращения в целевой продукт. 2) Интегральная (Фс) - это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию к общему количеству реагента пошедшего на реакцию, то есть доля реагента превратившегося в целевой продукт. . Связь между выходом продукта и селективностью: . Для обратимых реакций: