Гомогенді изотермиялық реакция. Ағындағы гомогенді реакциялар

Дәріс с №. Гомогенді  изотермиялық реакция. Ағындағы гомогенді реакциялар.

Гомоге́нді реакциялар (грек тілінен «homogenes» — біртекті), бір фазада жүретін заттар арасындағы химиялық реакция. Гомогенді реакциялардың параметрлері бірдей мәнді болады немесе үздіксіз өзгереді. Олардың жылдамдығы бір заттың уақыт бірлігіне сай концентрация өзгерісімен анықталады және әрекеттесуші масса заңына бағынады. Гомогенді реакцияның мысалы ретінде азот оксидінің термиялық ыдырауы қарастырылады: 2N₂O₅ 4NO₂ + O₂.

Газды фазадағы гомогенді процестер органикалық заттардың технологиясында кең қолданылады және газды фазаға қарағанда сұйық фазада жоғары интенсивтілігімен сипатталады. Мұндай газды фазаға, мысалы, көмірсутектердің крекингі және пиролизі, олардың тотығуы, галогендеу, нитрлеу жатады. Сұйық – сұйық жүйесіндегі гетерогенді процесс мысалы сұйық қоспа мысаммиакты ерітіндіден диолефинді көмірсутектерді алу болып табылады. Газ-сұйық-қатты дене жүйесінде келесідей маңызды синтездеу жүреді, ол алкинольді (ацетиленді көмірсутектермен альдегидтердің конденсациясы), көпсатылы гидрлеу процесі. Сұйық фазадағы гомогенді процестерге, мысалы, нитрлеу және минералды тұздар технологиясында ауыспалы ыдырау реакциялары жатады.

Гомогенді процесс химиялық реакцияға басқа физикалық немесе физико-химиялық процестер кіріскенде макродеңгейде жүреді. Мысалы, екі сұйық бастапқы заттар немесе олардың ерітінділері әрекеттескенде гомогенді процесс жылдамдығы шарттармен сұйықтарды араластыру жылдамдығына тәуелді болады; егер химиялық әрекет қыздырғанда жүрсе, онда гомогенді процесс жылдамдығы жылу беру тәсіліне тәуелді болады. Олар периодты және үздіксіз болады.

Сұйық фазадағы гомогенді процестің  гетерогендік эмульсиялық процестерден басты айырмашылығы кинетикалық  сипаттамалары болып табылады. Олардың  технологиялық және аппаратуралық  безендірілуі бір-біріне ұқсас болады. Тек бірінші жағдайда жүйенің  тұрақтылығына көңіл бөлу қажет  емес, екіншіден ол қажетті. Екі жағдайда да қажетті жылу режимімен қамтамасыз ету және реакцияның көлемде біркелкі жүруі үшін міндетті түрде араластыру керек. Сондықтан эмульсияны гомогендеу сұрағы өздігінен шешіледі. 

Гомогенді жүйелер үшін химиялық реакциялар — көп жағдайда көлемдік аппараттар, араластырғыш құрылғылармен және жылуалмастырғыш элементтермен жабдықталған, сондай-ақ қуысденелі немесе көбіне жазық змеевикті насадкалы колонналарда жүреді. Гомогенді жүйедегі процестер периодты немесе үздіксіз жүреді. Гетерогенді процестер үшін химиялық реакциялар бірсатылы және секциялы, сирек көлемдік колонналы типте тиімді болады. Мұнда процестер реагенттерді периодты ауыспалы жүктеумен және реакция өнімдерін шығарумен жүреді; бірдей реагенттер процесс басында жүктелсе, ал басқалары (көбіне газды) химиялық реакция кезінде соңына дейін жіберілсе жартылай периодты болады; циклдық жүйеде әртүрлі процестердің (мысалы, каталитикалық реакция және катализаторды регенерациялау реакциясы ) химиялық реакциялары кезекпен жүргізіледі немесе үздіксіз, яғни реагенттер үздіксіз ағынмен қозғалып, олардың химиялық реакциядан өту уақытында әрекеттеседі, бұдан уақыт бойынша процесс сипаттамалары аз өзгереді. Периодты режим жағдайында гомогенді және гетерогенді жүйелер үшін көлемдік химиялық реакция жұмысы жылу- мен массаалмасуды жылдамдататын және химиялық реакция ішінде процестің біртекті шарты орындалатын араластырғыш құрылғылармен жабдықталады, ал үздіксіз режимді жұмыстар көбіне өндірісте қолданылады, барлық реакциялық көлемде толық араластыру қажет емес, яғни химиялық реакция өнімділігі және жұмыстық көлемде біреуі әрекеттесіп үлгермей өте тез өтеді, ал басқасы тоқтап тұруынан әрекеттесуші бөлшектердің болу уақытының көп шашыраңқы болу салдарынан   реакция талғамдылығы   төмендейді. Бұл эффектіні қарастырылған типтегі біріккен химиялық реакцияларға біртіндеп каскад орнатумен жоюға болады.

Үздіксіз идеалды ығыстыру реакторы көбінесе  үздіксіз әрекетті ығыстыру аппараттарында реакциялық масса ағын осьін бойлай келесі қабаттарды ығыстыры қозғалады. Мұндай аппараттың идеалды шарты реакциялық массаның әрбір элементі берілген көлденең қимада бірдей сызықтық жылдамдықпен ағын осьін бойлай қозғалады. Бұл ағынның насадкамен тежелуі немесе қабарғымен және диффузиондық құбылысы, яғни әсіресе маңызды қайтымды немесе ағын осьін бойлай бойлық араластырумен түсіндіреміз. 

Қазіргі уақытта көптеген ірі масштабты өндірісте сұйық-сұйық жүйесінде жүретін реакцияны қолданады, сондықтан экономикалық  тұрғыдан оларды мақсатты түрде үздіксіз процесте жүзеге асырады. С-с жүйесі үшін үздіксіз реакторларды жобалауда келесі процестерді таңдау қажет: тік ағынды, жартылай қарама-қарсы ағынды немесе қарсы ағында. Ертеректе с-с жүйесіндегі көптеген техникалық маңызды реакциялар кинетикалық аймақта жүреді және үздіксіз процестерді жобалау кезінде көбіне дәстүрлі жолды таңдаған, яғни араластырғышы бар үздіксіз ағынды реактор мен құбырлы реактор арасында таңдау жасаған. Олардың әрқайсысында тікағында байланыс қолданылады.

Үздіксіз әрекетті идеалды ығыстыру реакторында әрекеттесуші қоспа  ағын бағытына кері араластырусыз жүреді. Мұндай типті реактордағы анықталатын  фактор кешігу уақыты деп аталады.

Үздіксіз идеалды ығыстыру реакторындағы  оңтайландыру мәселесін шешу жалпы  алғанды идеалды араластыру реакторын  оңтайландыруға қарағанда күрделірек. Бұл бірінші кезекте ығыстыру реакторы жан-жақта таралған параметрлі обьект және оның математикалық түсінігі дифференциалды теңдеулерден тұрады, аналитикалық формада шешімі тек оқиғаның шектеулі сандарымен алынады. Динамикалық әдіс үздіксіз ығыстыру реакторларын қолдануға негізделген және гетерогенді-каталитикалық реакциялар тепе-теңдігін есептеу үшін ыңғайлы. Бұл жағдайда ол іс жүзінде тұрақта құрамға сәйкес келетін тепе-теңдікке жеткенше шығуға дейін реакциялық қоспаның аппаратта болу уақытын біртіндеп ұзартады.

 Изотермиялық реакциялар тәжірибеде тек үздіксіз реакторларда жүргізіледі, периодты әрекетті реакторда тұрақты температураны ұстап тұру үшін жылуды бұрып әкету уақыт бойынша өзгеріп тұру керек, олай болмаса өндірістік шартта жүзеге асыру қиын болады

Гомогенді реакциялар үшін үздіксіз әрекетті реакторлардың кең тараған  түрі салқындатқыш құбырлы ығыстыру реакторлары болып табылады.

Үздіксіз толық араластыру реакторлары ондағы реакциялық массаның интенсивті араласуымен ерекшеленеді. Оның идеалды болу шарты концентрация градиенті мен көлем бойынша температураның болмауында,

( dCi / dV О, dT / dV - Q), ал стационарлы режимде концентрация мен температура уақыт бойынша тұрақты. 

Негізгі әдебиеттер 2[411-420],4 [12-30]

Қосымша әдебиеттер 4[46-67]

Бақылау сұрақтары