Факторы, повышающие интенсивность химического процесса презентация

Факторы, повышающие интенсивность химического процесса

Интенсивность химического процесса оценивается удельной производительностью, под которой понимают съём целевого продукта в единицу времени с единицы реакционного объема. Интенсивность химического процесса оценивается удельной производительностью, под которой понимают съём целевого продукта в единицу времени с единицы реакционного объема. Определяющее значение имеет обеспечение максимальной скорости протекания химической реакции.

Уравнение скорости процесса в самом общем виде имеет вид: Уравнение скорости процесса в самом общем виде имеет вид: W = k ∙ ΔC ∙ Fуд , где k – константа скорости процесса; ΔC – средняя движущая сила процесса; Fуд - удельная поверхность раздела фаз.

Константа скорости процесса. Влияние температуры.

Константа скорости процесса является сложной величиной, зависящей от химических свойств реагирующих веществ, показателей тепло- и массообмена, гидродинамической ситуации. Константа скорости процесса является сложной величиной, зависящей от химических свойств реагирующих веществ, показателей тепло- и массообмена, гидродинамической ситуации. Увеличить это величину можно: Повышая температуру; Усилением перемешивания; Применив катализаторы.

Рассмотрим более подробно влияние температуры на скорость химического процесса Повышение температуры приводит к сильному увеличению констант скоростей реакций и в меньшей степени к увеличению коэффициентов диффузии. Также при увеличении температуры растут константы скорости обратной реакции или побочных реакций и т.д.

Если процесс протекает в кинетическом режиме, влияние температуры на константу скорости реакции определяется уравнением Аррениуса: Если процесс протекает в кинетическом режиме, влияние температуры на константу скорости реакции определяется уравнением Аррениуса: , где - предэкспоненциальный множитель, – энергия активации реакции, – абсолютная температура. С повышением температуры константа скорости реакции увеличивается по экспоненциальному закону.

Температурная зависимость константы скорости для реакций с различной энергии активации выглядит следующим образом: Температурная зависимость константы скорости для реакций с различной энергии активации выглядит следующим образом:

Согласно уравнению Аррениуса, при повышении температуры скорость реакции должна увеличиваться бесконечно. Однако на практике зависимость скорости от температуры выражается S-образной кривой: Согласно уравнению Аррениуса, при повышении температуры скорость реакции должна увеличиваться бесконечно. Однако на практике зависимость скорости от температуры выражается S-образной кривой:

При очень высоких температурах реагенты расходуются настолько быстро, что просто не успевают прийти в реакционную зону. В результате этого рост скорости замедляется из-за низкой концентрации реагентов. Процесс переходит в диффузионную область. Скорость процесса во многом определяется законами массообмена.

Влияние температуры на скорость процесса в диффузионной области меньше, чем в кинетической. Для газов температурная зависимость коэффициента диффузии можно выразить упрощенной формулой: Влияние температуры на скорость процесса в диффузионной области меньше, чем в кинетической. Для газов температурная зависимость коэффициента диффузии можно выразить упрощенной формулой: , где �� – коэффициент, зависящий от молекулярной массы диффундирующих веществ; �� – общее давление газа; �� = 1,5-2,0.

Диффузия в жидкостях протекает медленнее, чем в газах. Значения D для жидкостей на 4-5 порядков меньше, чем в газах. Для растворов , где - коэффициент; – динамическая вязкость растворителя.

В процессах с диффузионным режимом для ускорения массообмена используют интенсивное перемешивание. В результате этого молекулярная диффузия заменяется на турбулентную. В процессах с диффузионным режимом для ускорения массообмена используют интенсивное перемешивание. В результате этого молекулярная диффузия заменяется на турбулентную. При снятии диффузионного торможения, т.е. при переходе процесса в кинетическую увеличение перемешивания нецелесообразно и может привести к ухудшению гидродинамической ситуации в реакционной зоне.

Зависимость константы скорости реакции (1) и коэффициента диффузии (2) от температуры выглядит следующим образом: Зависимость константы скорости реакции (1) и коэффициента диффузии (2) от температуры выглядит следующим образом:

Влияние термодинамического фактора на скорость процесса Для всех обратимых экзотермических реакций с увеличением температуры уменьшается величина Kр и равновесный выход продукта. При некотором увеличении температуры кинетика вступает в противоречие с термодинамикой процесса. Несмотря на повышение скорости прямой реакции, выход ограничивается равновесием.

В этом случае зависимость r(T) носит экстремальный характер: В этом случае зависимость r(T) носит экстремальный характер:

Анализ графической зависимости: Высокая скорость процесса достигается при низкой конверсии; Большая степень превращения достигается при низкой скорости процесса. Для всех значений x существует оптимальная температура, при которой скорость процесса максимальна. Совокупность таких температур образует линию оптимальных температур Tопт(x).

Как интенсифицировать процесс? Для обратимой экзотермической реакции по мере протекания процесса ( увеличения x) непрерывно снижают температуру. В этом случае поддерживается оптимальная температура Tопт(x) , при которой скорость процесса при достигаемой степени конверсии максимальна.

Для эндотермических процессов высокие температуры более благоприятны. С повышением температуры растет и константа скорости и константа равновесия. Однако и в этом случае выход повышается по затухающей кривой. Беспредельное повышение температуры нецелесообразно.

Для эндотермических реакций температурная зависимость скорости реакции и конверсии имеет вид: Для эндотермических реакций температурная зависимость скорости реакции и конверсии имеет вид:

Влияние температуры на селективность В ряде процессов, особенно в технологии органических веществ, повышение температуры ограничивается возникновением побочных реакций с большим температурным коэффициентом, чем в основной реакции. В результате этого выход целевого продукта может сильно снижаться.

Рассмотрим сложнопараллельную реакцию: Рассмотрим сложнопараллельную реакцию: Выразим скорости образования продуктов: - скорость образования целевого продукта; - скорость образования побочного продукта

Выразим дифференциальные селективности продуктов реакции: Выразим дифференциальные селективности продуктов реакции: и Отношение селективностей равно: При

Если , то с повышением температуры скорость образования R больше, чем скорость образования S. Если , то с повышением температуры скорость образования R больше, чем скорость образования S. Если , то с повышением температуры скорость образования побочного продукта будет больше. В этом случае увеличению будет способствовать уменьшение температуры, а это в свою очередь снижает скорость процесса.

Остальные причины, ограничивающие температуру процесса Удаление реагирующих веществ за счет десорбции из жидкой среды; Спекание зерен катализатора в агломераты, приводящее к уменьшению поверхности контакта; Термостойкость материалов реакционных аппаратов; Энергозатраты на повышение температуры.

Заключение Регулирование температуры процессов необходимо для увеличения константы скорости процесса k и движущей силы ΔC. Оптимальные температуры процессов зависят от природы реагентов, их концентраций, требуемой конверсии, давления, поверхности соприкосновения фаз и интенсивности их перемешивания, от активности катализаторов.

Спасибо за внимание!