论文指导

深入探究化工生产中的动力学

  化学反应所以能够发生,是因为组成反应物的分子中各原子间的化学键破裂,而重新组成生成物的分子中各原子间的化学键。这种键的破裂需要能量。因物质结构的不同,所以参加化学反应各物质的结构决定反应速率的重要原因。

  催化剂对反应速率的影响

  前已述及,要使反应速率加快,可以提高温度。但对某些反应来说,升高温度常会引起一些副反应发生或者使副反应也加快,甚至会使主反应的反应进程减慢。此外,有些反应即使在高温下反应速率也较慢。因此,在这些情况下使用升高温度的方法来提高反应速率,就受到了一定的限制。

  而催化剂则是提高反应速率的一种最常用、也是很有效的办法。例如在常温下,氢和氧化合成水的反应速率是非常小的,但当有钯粉或105催化剂(是以分子筛为载体的钯催化剂)存在时,常温、常压下氢气和氧气就可以迅速化合成水。又如在硫酸生产中由SO2氧化转化为SO3的反应SO2+1/2O2=SO3,只要加入少量的V2O5作催化剂,就可以使反应速率提高数万倍。

  在化工生产中,使用催化剂的目的就是加快主反应的速率,减少副反应的发生,从而使反应能定向进行,缓和反应条件,降低对设备的要求,提高设备的生产能力和降低产品的生产成本。而某些在理论上可以合成得到的化工产品,由于没有开发出有效的催化剂,以致长期以来不能实现工业化的生产。此时,只要研究出该化学反应适宜的催化剂,就能有效地加速化学反应速率,使该产品的工业化生产得以实现。

  浓度对反应速率的影响

  根据反应平衡移动原理,反应物浓度越高,越有利于平衡向产物方向移动。当有多种反应物参加反应时,往往使价廉易得的反应物过量,从而可以使价格高或难以得到的反应物更多地转化为产物,以提高其利用率。

  反应物浓度愈高,反应速率愈快。一般在反应初期,反应物浓度高,反应速率快,随着反应的进行,反应物逐渐消耗,反应速率逐渐下降。提高浓度的方法有:对于液相反应,采用能提高反应物溶解度的溶剂,或者在反应中蒸发或冷冻部分溶剂等;对于气相反应,可适当加压或降低惰性物的含量等。

  对于可逆反应,反应物浓度与其平衡浓度之差是反应的推动力,此推动力愈大则反应速率愈快。所以,在反应过程中不断从反应体系取出生成物,使反应远离平衡,既保持了高速率,又使平衡向产物方向移动,这对于受平衡限制时反应,是提高产率的有效方法之一。

  压力对反应速率的影响

  一般说来,压力对液相和固相反应的平衡影响较小,所以压力对液相和固相反应的影响不大。气体的体积受压力影响大,故压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大。压力对反应速率的影响是通过压力改变反应物的浓度而形成的。从反应动力学可知,除零级反应的反应速率与反应物浓度无关外,各级反应的速率都随反应物浓度增大而加快。

  因此,对于气相反应而言,也可以通过提高反应压力使气体的浓度增加,达到提高反应速率的目的。需要指出的是,在一定压力范围内,加压可减小气体反应体积,且对加快反应速率有一定好处,但效果有限,压力过高,能耗增大,对设备要求高,反而不经济。惰性气体的存在,可降低反应物的分压,对反应速率不利,但分子数的增加有利于反应平衡。

  以上涉及的反应主要是单相反应。对于多相反应来说,由于反应总是在相和相的界面上进行,因此多相反应的反应速率除了与上述几个因素有关外,还和彼此的相之间的接触面的大小有关。例如,在生产上常把固态物质破碎成小颗粒或磨成粉末,将液态系统淋洒成线流、滴流或喷成雾状的微小液滴,以增大相间的接触面,提高反应速率。

  此外,多相反应还受到扩散作用的影响,因为加强扩散可以使反应物不断地进入界面,并使已经产生的生成物不断地离开界面。例如煤燃烧时,鼓风比不鼓风烧得旺,加强搅拌可以加快反应速率。这都是由于扩散作用加强的结果。

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