СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Скорость химической реакции является важнейшей количественной характеристикой динамики химического процесса. Под скоростью гомогенной гомофазной реакции по i-веществу понимают изменение количества i-вещества (в молях, кмолях) в результате химической реакции в единицу времени в единице реакционного объема:

 

При изменении реакционного объема в ходе химической реакции выражение скорости образования i-вещества принимает вид:

 

В гетерофазных и гетерогенно-каталитических процессах химическая реакция может протекать на границе раздела фаз. В этом случае выражение скорости реакции по i-веществу следует записать в виде:

 

где S – поверхность раздела фаз, на которой протекает реакция.

В гетерогенно-каталитических реакциях активную поверхность, на которой протекает реакция, определить, как правило, чрезвычайно трудно. Поэтому скорость гетерогенно-каталитического превращения (образования) i-вещества обычно относят к массе катализатора :

 

При проведении химической реакции в потоке (реактор идеального смешения или идеального вытеснения) (слайд 6) при стационарных условиях скорость реакции по i-веществу определяется как производная молярного потока i-вещества (F_i) по реакционному объему (для гомофазных реакций) или по массе катализатора (для гетерогенно-каталитических реакций) при химическом превращении:

 

Если принять во внимание, что в реактор идеального вытеснения в единицу времени поступает молей и на расстоянии l от начала реактора степень его превращения (конверсия) составляет , топри условии стационарности процесса уравнение скорости по i-веществу имеет вид:

 

где S – площадь поперечного сечения реактора; V – реакционный объем.

В реакторе идеального смешения при стационарных условиях скорость гомофазной реакции по i-веществу равна

 

где и – молярный поток на входе и выходе из реактора соответственно; и – объемный поток в единицу времени; – степень превращения (конверсия) .

Важно отметить, что при проведении реакции в реакторе идеального смешения при стационарных условиях скорость реакции находится из прямого эксперимента по значениям , , V или , ,объемной скорости, представляющей отношение объемного потока в единицу времени к реакционному объему, т. е. u/V.

При проведении реакции в периодическом реакторе или реакторе идеального вытеснения для вычисления скорости реакции необходимо определить производную или , ,соответственно, что может быть связано со значительными погрешностями.

При описании химического процесса одним стехиометрическим уравнением (1.1)

 

выражение скорости гомофазной реакции (r) можно получить из дифференциальных соотношений материального баланса:

 

путем деления на или :

 

В результате проведенных преобразований получается соотношение скорости реакции по i-веществу и стехиометрическому уравнению:

 

или

(3.9)

Величина скорости реакции по стехиометрическому уравнению всегда положительна.

Выражение (3.9) применимо к элементарным реакциям и сложным по механизму реакциям, описываемым одним стехиометрическим уравнением и не содержащим промежуточных активных частиц (концентрации лабильных частиц пренебрежимо малы по сравнению с концентрациями стабильных продуктов).

При стехиометрически сложных реакциях i-вещество может образовываться и расходоваться по нескольким стехиометрически ьных продуктов).

При стехиометрически сложных реакциях i-вещество может образовываться и расходоваться по нескольким стехиометрически простым реакциям. В этом случае скорость по i-веществу связана со скоростями по стехиометрически простым реакциям, в которых участвует i-вещество, соотношением

(3.10)

где – скорость реакции по S-стехиометрически простому уравнению с участием i-вещества; – стехиометрический коэффициент при веществе в S-уравнении.

Для описания дифференциального баланса реакционной системы достаточно иметь уравнения скоростей реакций только для ключевых веществ, однако в правой части уравнения (3.10) необходимо учитывать все реакции химического процесса, а не только базисные.