Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf

Разберем случай, когда протекает простая реакция (ІѴ.З). Полагаем, что рассматривается либо замкнутая система, ли­ бо открытая система с неразветвленными входом и выходом. Отсюда следует

Теперь рассмотрим изменение массово-долевых содержа­ ний при протекании сложной реакции. Ограничимся случаем замкнутой системы или системы с неразветвленными входом и выходом реактора:

53

Если осуществляется сложная реакция, описываемая сис­ темой R независимых реакций, то, учитывая (IV.31), (IV.39) и (IV.40), получаем

R

( С о ; + 2 ѵ 0 Ь ) : Ф , і=і

тде ѣсі = Уі '• Vos — интенсивная полнота і-й реакции, соот­ ветствующая мольно-объемному содержанию компонентов.

§ IV.5. Диаграммы химических реакций

Графические методы имеют широкое распространение в химической технологии. Их характерной особенностью явля­ ется использование графиков, диаграмм и номограмм, по­ строенных в результате решения математических уравнений или же на основе экспериментальных данных.

Основную информацию о химических реакциях получают из данных экспериментального изучения зависимости кон­ центраций компонентов реакционной смеси от времени при проведении процесса в изотермических условиях. Если перво­

ции и перечисленные состояния изобразить в виде точек на

зывают траекторией или путем реакции в системе М<°>. Независимо от того, является ли реакция простой или

сложной, при известных начальном составе системы, темпера­ туре, давлении и других параметрах процесса путь реакции есть одна линия, повторяющаяся при воспроизведении всех физико-химических характеристик процесса.

Построение пути реакции основывается на эксперимен­ тальном определении концентрации веществ в ходе реакции и не требует знания стехиометрии реакций. Более того, ана­ лиз путей реакции дает информацию о стехиометрии проис­ ходящих реакций и степени полноты их протекания. Очевид­ но, графическое описание сложных реакций можно считать первой стадией их теоретического анализа. Плоскость или пространство, служащее для графического изображения пу­ тей реакции, называют диаграммой химической реакции.

Выбор типа диаграммы химической реакции определяется числом компонентов, содержание которых в ходе реакций ме­ няется, т. е. общим числом неинертных компонентов. Геомет­ рический метод применяют при числе компонентов "не менее 3.

54

Если число неинертных (реагирующих) компонентов рав­ но 3, то исходной диаграммой является треугольник и относи­

реакций с участием трех веществ пути реакций будут различ­ ны. Проанализируем следующие возможные случаи.

1.В системе А—В—С протекает простая реакция:

А+ В ->С.

2.В системе А—В—С протекает сложная реакция, состоя­ щая из двух параллельных реакций:

А-+В, А->С.

3. В системе А—В—С протекает сложная реакция, состоя­ щая из двух последовательных реакций:

А-+ В, В ~+ С.

Первый случай (рис. IV. 1, а) отличается следующей осо­ бенностью: если взять эквимольную смесь М0 исходных реа­ гентов А и В, то в последующие моменты времени количество

55

эквимольной смеси М0 убывает, а количество продукта реак­ ции С возрастает. На треугольных диаграммах смеси с пере­

ный компонент, и путь реакции по-прежнему есть прямая

такими, когда содержание продуктов реакции В и С не влияет на скорости параллельных реакций.

В случае «б» пути реакции изображаются кривыми ли­ ниями.

Теперь остается рассмотреть случай двух последователь­ ных реакций, когда А есть исходное вещество, В — проме­ жуточное и С — целевое. Путь реакции, начавшийся в точке Л, есть дуга, заканчивающаяся в точке С (рис. IV.1, г). Остальные пути также являются кривыми линиями, которые в зависимости от свойств вещества В могут либо все закан­ чиваться в точке С, если В полностью разлагается в ходе реакции (сплошные линии), либо не заканчиваться в С (пунктирные линии), если вещество В разлагается не пол­ ностью.

Задача 1. Найти базисные уравнения в следующей системе стехио­

56

к треугольному виду 3-ю строку матрицы (А). Поскольку только второй

Строка 6-я содержит третий ненулевой элемент и не может рас­ сматриваться как 3-я строка треугольной матрицы, умноженная на посто­ янное число. Поэтому комбинируем 6-ю строку с 5-й, чтобы избавиться

57