Модель простого необратимого химического процесса

Характеристика модели:

1) Простой процесс можно описать одним стехиометрическим уравнением
                        аА + bВ → cС + dD, где С – целевой продукт;

Так как весь реагент превращается только в целевой продукт, выход продукта равен конверсии реагента β = α.

2) В необратимых процессах максимальная конверсия (αmax) равна 100%.

3) Фактическая величина конверсии реагента изменяется во времени, стремясь к максимальной величине 100%, так как текущая концентрация реагента «С» уменьшается во времени, стремясь к нулю.














Чем меньше время достижения 100%-ной конверсии, тем эффективнее протекает процесс. Таким образом, эффективность простого необратимого процесса зависит только от его скорости, то есть объектом управления в данном случае является скорость процесса - rпроцесса.

Любой химический процесс состоит из ряда последовательных стадий: сначала молекулы реагентов движутся навстречу друг другу (стадия диффузии), затем сталкиваются и происходит собственно химическая реакция - разрушение одних связей и образование новых. В случае гомогенного процесса движение молекул реагентов происходит внутри одной фазы, при гетерогенном процессе происходит переход молекул одного реагента из одной фазы в другую через границу раздела фаз (ГРФ).


Общая скорость химического процесса - rпроцесса - равна скорости самой медленной стадии. Эта стадия называется лимитирующей стадией.

В случае гомогенного процесса, как правило, лимитирующей стадией является химическая реакция, поэтому rпроцесса = rхим.р.

В случае гетерогенного процесса лимитирующей может быть как химическая, так и диффузионная стадия, и, соответственно rпроцесса  может быть равна как скорости химической реакции - rхим.р., так и скорости диффузии - rдиф.

В зависимости от природы лимитирующей стадии различают три области протекания гетерогенного процесса: кинетическую, диффузионную и переходную. От области протекания гетерогенного процесса зависит выбор инструментов управления этим процессом.

Область протекания Лимитирующая стадия Признаки Инструменты управления процессом
Кинетическая химическая реакция 1. Скорость процесса сильно зависит от температуры: температурный коэффициент Вант-Гоффа равен 2-4, энергия активации процесса Еа > 40 кДж/моль.
2. Скорость процесса не зависит от гидродинамических параметров.
кинетические параметры:
С - концентрация реагента,
Т- температура,
р - давление,
 катализатор (kat)
Диффузионная диффузия 1. Скорость процесса сильно зависит от гидродинамических параметров.
2. Скорость процесса незначительно завист от температуры: температурный коэффициент Вант-Гоффа равен 1.2 - 1,7, энергия активации процесса Еа< 25 кДж/моль.
гидродинамические параметры:
ω - скорость перемешивания,
W - линейная скорость подачи сырья,
f - удельная поверхность контакта фаз и др.
Переходная
Скорости химической и диффузионной стадий близки, при небольшом изменении параметров процесс легко переходит из диффузионной области в кинетическую и обратно.


Один и тот же процесс в зависимости от условий проведения может протекать в разных областях. Если изобразить на графике зависимость скорости процесса от гидродинамических факторов, то та область, где скорость сильно возрастает при увеличении ω, W, f, является диффузионной. Далее зависимость становится менее выраженной – это переходная область. В кинетической области гидродинамические факторы перестают оказывать влияние на скорость процесса. Увеличение скорости в этой области требует использования кинетических факторов управления процессом (Т, p, C, kat). Однако и в этом случае постепенно степень влияния выбранных инструментов управления снижается, процесс переходит опять в диффузионную область.