Скорость гомогенного превращения в общем виде описывается выражением: U = k*v *DC, или U = k*DC,
где k – константа скорости процесса; DC – движущая сила процесса; v- реакционный объем. Константа скорости процесса представляет сложную величину. Она зависит не только от химических свойств реагирующих веществ, но и от их физических характеристик, конструкции аппарата, гидродинамических условий проведения процесса (скоростей потоков, степени перемешивания), диффузии реагирующих веществ и продуктов реакции.
Движущая сила процесса определяется для гомогенных реакций как произведение концентраций реагирующих веществ в данный момент. Для расчетов движущая сила выражается через начальные концентрации реагирующих веществ и степень их превращения. Конкретный вид формулы для определения движущей силы процесса также зависит от конструкции аппарата и от перемешивания реагентов.
Гомогенные процессы в большинстве случаев протекают в кинетической области, т.е. общая скорость процесса определяется скоростью химической реакции и подчиняется закономерностям, установ- ленным для процессов, протекающих на микроуровне. Скорости гомогенных процессов, в основе которых лежат простые необратимые реакции первого и второго порядков (A → R и 2A → R), выражаются уравнениями
,
из которых следует, что для повышения скорости необходимо увеличивать значения константы скорости (k) (путем повышения температуры или применения катализатора) и концентрацию исходного реагента (CA,0). Так как на практике в большинстве случаев гомогенные реакции являются сложными (параллельными или последовательными), то в зависимости от значения констант скоростей этих реакций концентрация продуктов реакций будет изменяться во времени различно. При этом, чем выше порядок реакции, тем большее влияние оказывает концентрация исходного реагента на скорость соответствующей реакции. Например, при наличии двух параллельных реакций первого и второго порядков увеличение CA,0 в два раза изменяет соотношение скоростей этих реакций в 4 раза.
Гомогенный процесс на макроуровне протекает в том случае, когда на химическую реакцию накладываются другие физические или физико-химические процессы. Например, при взаимодействии двух жидких исходных реагентов или их растворов скорость гомогенного процесса зависит от условий и скорости перемешивания жидкостей; если химическое взаимодействие протекает при подогреве то скорость гомогенного процесса будет зависеть также от способа подвода тепла.
Гетерогенные процессы
Большинство химико-технологических процессов относятся к гетерогенным, при этом огромное разнообразие гетерогенных процессов затрудняет их классификацию. Механизм гетерогенных процессов сложнее гомогенных, так как реагирующие вещества находятся в разных фазах, и подвод их к поверхности раздела фаз, где происходит химическое взаимодействие, а также массообмен между фазами осуществляются в результате молекулярной и конвективной диффузии, которые накладываются на основной химический процесс.
Усложнение вносят также процессы теплообмена и процессы, обусловленные особенностями гидродинамики потока. Только с учетом всех факторов, влияющих на технологический процесс, можно установить условия, обеспечивающие максимальную его интенсивность, и управлять этим процессом.
Примером гетерогенного процесса может служить процесс горения угля, который складывается из пяти стадий (рис.3.1):
• внешняя диффузия О2 (через пограничный газовый слой);
• внутренняя диффузия О2 (через слой золы);
• химическая реакция;
• внутренняя диффузия СО2 (через слой золы);
• внешняя диффузия СО2 (через пограничный слой газа).
Горение угля сравнительно простой пример; на практике обычно протекают более сложные процессы. Однако в любом гетерогенном химическом процессе можно выделить три основных одновременно протекающих процесса:
1) диффузия реагентов к границе раздела фаз;
2) химическая реакция;
3) диффузия продуктов реакции из зоны реакции.
Рис.3.1 Схема горения угля: 1 – уголь; 2 – зола; 3 – пограничный слой газа