Основы химической кинетики. Формальная кинетика простых и сложных реакций. Реакции в открытых системах. Механизм элементарного химического превращения, страница 5

Пусть B – короткоживущее вещество. Тогда

                                                                                     (3.8)

и

                                                                                                                (3.9)

Подставляя (3.9) в (3.7), получаем

                                          (3.10)

Таким образом, скорость всей реакции определяется самой медленной стадией. В промежуточном случае

                                                                                                              (3.12)

Данное выражение похоже на закон сложения последовательно соединенных сопротивлений в электрической цепи. Такие соотношения характерны для стационарных последовательных реакций и выражают закон сложения кинетических сопротивлений.

3.4. Реакции в сосуде переменного объема

Для описания реакций в случае используется определение скорости химической реакции:

 

Глава 4. Реакции в открытых системах

4.1. Реактор идеального перемешивания

Реактором идеального перемешивания называется реактор, в котором распределение концентраций всех частиц является однородным по объему реактора (быстрое перемешивание). Проточный реактор можно считать реактором идеального перемешивания, если время перемешивания намного меньше характерного времени протекания химической реакции.

Основные характеристики реактора и процесса таковы: V – объем реактора; T – температура; P – давление в реакторе; Q, Q’ – входной и выходной объемные потоки; F_i, F’_i – входные и выходные потоки веществ.

Для простоты будем считать, что перепад давлений на входе и выходе мал по сравнению с самим давлением (). Входной и выходной объемные потоки в общем случае не равны. Они равны только в том случае, если еакция идет без изменения числа частиц, или реакционная смесь сильно разбавлена инертным газом, а также для реакций в растворах.

Входные потоки задаются условиями эксперимента, выходные потоки (и концентрации веществ внутри потоков) являются искомыми величинами. Выходные потоки связаны с концентрациями веществ в реакторе и выходным потоком

                                                                                                                                     (4.1)

Изменение числа частиц в реакторе обусловлено двумя причинами – протеканием химической реакции и обменом с окружающей средой:

                                                  (4.2)

Рассмотрим простейший случай – необратимую реакцию первого порядка в реакторе идеального перемешивания:

Запишем уравнения для концентраций:

                                                                                         (4.3)

Входной объемный поток:

                                                                                                                       (4.4)

Решение этой системы уравнений:

                                                            (4.5)

где

          (стационарная концентрация вещества A)                            (4.6)

           (концентрация вещества A во входном патрубке)                        (4.7)

                   (время вымывания реактора, или пребывания в реакторе)       (4.8)

4.2. Реактор идеального вытеснения

Предполагается, что каждый объем потока реагирующей смеси перемещается без перемешивания и его можно рассматривать как замкнутую систему (в общем случае – переменного объема).

Для концентрации имеем:

                                                                                            (4.9)

В ламинарном потоке в пренебрежении диффузией (реактор идеального вытеснения):

                                                                                   (4.10)