3 Химические процессы: составление и анализ математического
advertisement
3 Химические процессы: составление и анализ математического описания. 1 Общие положения При изучении химических реакторов рассматривается химический процесс – совокупность взаимодействующих и взаимосвязанных явлений химического превращения и сопутствующих им физических явлений молекулярного переноса. Из трех видов переноса – массы, энергии и импульса – в химических процессах наиболее существенное значение имеет тепломассоперенос. В большинстве процессов перенос импульса не учитывается, поскольку перепадом давления можно пренебречь. Взаимосвязь и взаимодействие химического превращения и тепломассопереноса возникают следующим образом. В процессе протекания химической реакции изменяются концентрации веществ и температура в зоне реакции В результате этого между зоной реакции и остальным реакционным пространством создается градиент концентраций и температур, вызывающий перенос массы и теплоты Таким образом, тепломассоперенос является результатом протекания химической реакции Перенос массы вызывает поток реагентов из реакционного пространства в зону реакции (подвод реагентов в зону реакции) и поток продуктов в обратном направлении (отвод продуктов из зоны реакции) Очевидно, что интенсивностью этих потоков в значительной степени определяются концентрации веществ и температура в зоне реакции, что, в свою очередь, влияет на протекание самой химической реакции, осуществляя обратную связь в исследуемой системе. На основании этого механизма в химическом процессе в общем случае можно выделить три последовательные стадии протекания 1) подвод реагентов в зону реакции, 2) химическая реакция 3) отвод продуктов из зоны реакции Таким образом, химический процесс – многостадийный, последовательные стадии его имеют как химическую, так и физическую природу. Химические процессы изучаются макрокинетикой, рассматривающей совместное протекание химической реакции и тепломассопереноса. Указанные выше стадии протекания химического процесса называются макростадиями. 1 Определяемую макрокинетикой скорость химического процесса обычно называют наблюдаемой скоростью химического превращения. Макрокинетика изучает влияние процессов переноса веществ и процесса распределения теплоты на скорость химической реакции Поскольку химический процесс является многостадийным, к составлению его математического описания применим подход, использованный при описании многостадийных реакций Математическое описание химического процесса обычно определяет его кинетику и в общем случае включает 1) модель протекания процесса, 2) уравнения скоростей отдельных стадии, 3) количественные характеристики и константы, коэффициенты, 4) дополнительные упрощающие положения о роли отдельных стадий Модель процесса, на основе которой составляется его математическое описание, должна с достаточной точностью отражать реальную картину протекания процесса и не использовать сложный математический аппарат. Создается такая модель в результате детального всестороннего анализа процесса, направленного на определение основных явлений, раскрытие их механизма, взаимодействия и взаимосвязи между ними. Математическое описание кинетики химического процесса должно содержать уравнения скорости химических реакций, переноса веществ (реагентов и продуктов) и переноса теплоты. Исследование такого математического описания для нестационарного случая является сложной и трудноразрешимой задачей Ситуация упрощается лишь при условии, что химический процесс является стационарным или квазистационарным и можно принять предположение о наличии лимитирующей стадии Характер лимитирующей стадии определяет область протекания процесса. Если лимитирующей стадией является одна из стадий транспортирования веществ (подвод или отвод), то процесс протекает в диффузионной области, поскольку перенос вещества осуществляется вследствие диффузии. Если лимитирующая стадия – химическая реакция, то процесс протекает в кинетической области. Существует много признаков классификации химических процессов; для составления математического описания разделим их прежде всего по фазовому 2 признаку на гомогенные и гетерогенные При протекании гомогенною прогресса все участвующие в нем вещества находятся в одной фазе. В гетерогенном процессе участвующие в нем вещества находятся в различных фазах, между которыми существует граница раздела. 3
