Здравейте! Като доставчик наРеактор за хидрогениране, често ме питат как да изчисля термодинамиката на реакцията в реактор за хидрогениране. Това е ключов аспект за всеки, който иска да оптимизира своите процеси на хидрогениране, така че аз съм тук, за да го разбия за вас по прост и лесен за разбиране начин.
Разбиране на основите на реакциите на хидрогениране
Първо, нека бързо да разгледаме какво представлява реакцията на хидрогениране. Накратко, хидрогенирането е химическа реакция между молекулярен водород (H₂) и друго съединение или елемент, обикновено в присъствието на катализатор като никел, паладий или платина. Тази реакция се използва широко в хранително-вкусовата промишленост за превръщане на ненаситени мазнини в наситени мазнини, в нефтохимическата промишленост за отстраняване на серни и азотни съединения от горива и в много други индустриални приложения.
Общото уравнение за реакция на хидрогениране може да бъде написано като:
[A + H_{2}\rightarrow B]
където (A) е ненаситеното съединение и (B) е наситеният продукт.
Защо да изчисляваме термодинамиката на реакцията?
Изчисляването на термодинамиката на реакцията в реактор за хидрогениране е изключително важно. Помага ни да разберем дали дадена реакция е осъществима при определени условия, колко топлина се отделя или абсорбира по време на реакцията (което е от решаващо значение за контрола на температурата) и какво е равновесното положение на реакцията. Всички тези фактори играят огромна роля за ефективното проектиране и експлоатация на реактор за хидрогениране.
Ключови термодинамични параметри
Промяна на енталпията ((\Delta H))
Промяната на енталпията (\Delta H) ни казва дали реакцията е екзотермична (освобождава топлина) или ендотермична (поглъща топлина). За реакциите на хидрогениране повечето от тях са екзотермични, което означава, че отделят топлина. Формулата за изчисляване (\Delta H) е:
[\Delta H=\sum H_{продукти}-\sum H_{реагенти}]
Можем да намерим стандартните енталпии на образуване ((H_f^0)) за различни съединения в термодинамичните таблици. Например, ако имаме проста реакция на хидрогениране на етен ((C_2H_4)) до етан ((C_2H_6)):
[C_{2}H_{4}(g)+H_{2}(g)\rightarrow C_{2}H_{6}(g)]
Ние търсим стандартните енталпии на образуване на (C_2H_4), (H_2) и (C_2H_6) в таблица. Стандартната енталпия на образуване на (H_2) е (0) kJ/mol (по дефиниция стандартната енталпия на образуване на елемент в неговата най-стабилна форма при стандартни условия е (0)). Да кажем (H_f^0(C_2H_4) = 52,4) kJ/mol и (H_f^0(C_2H_6)= - 84,7) kJ/mol.
[\Делта H = H_f^0(C_2H_6)-[H_f^0(C_2H_4)+H_f^0(H_2)]=-84,7-(52,4 + 0)=-137,1] kJ/mol
Отрицателната стойност на (\Delta H) показва, че тази реакция е екзотермична.
Промяна на ентропията ((\Delta S))
Ентропията (S) е мярка за безпорядъка или случайността на дадена система. Промяната на ентропията (\Delta S) за реакция се изчислява като:
[\Делта S=\сума S_{продукти}-\сума S_{реагенти}]
При реакция на хидрогениране броят на моловете газ обикновено намалява (тъй като добавяме водород към ненаситено съединение), което обикновено води до намаляване на ентропията. Например, в реакцията на хидрогениране на етен - етан, реагентите имат (2) мола газ ((1) мол (C_2H_4) и (1) мол (H_2)), докато продуктът има само (1) мол газ ((C_2H_6)). Така че (\Delta S) е отрицателен за тази реакция.
Промяна на свободната енергия на Гибс ((\Delta G))
Промяната на свободната енергия на Гибс (\Delta G) е най-важният параметър, когато става въпрос за определяне на спонтанността на реакцията. Формулата за (\Delta G) е:
[\Делта G=\Делта H - T\Делта S]
където (T) е температурата в Келвин. Ако (\Delta G<0), реакцията е спонтанна; ако (\Delta G = 0), реакцията е в равновесие; и ако (\Delta G>0), реакцията не е спонтанна.
Нека отново използваме реакцията на хидрогениране на етен - етан. Да предположим, че температурата (T = 298) K, (\Delta H=-137.1) kJ/mol и (\Delta S=-120) J/(mol·K) (след изчисление от стойностите на ентропията). Първо, трябва да преобразуваме (\Delta S) в kJ/(mol·K), така че (\Delta S=-0,12) kJ/(mol·K).
[\Delta G=-137.1-(298\times(- 0.12))=-137.1 + 35.76=-101.34] kJ/mol
Тъй като (\Delta G<0), реакцията е спонтанна при (298) K.
Фактори, влияещи върху термодинамиката на реакцията в реактор за хидрогениране
температура
Температурата има значително влияние върху термодинамиката на реакцията. Както видяхме в уравнението (\Delta G=\Delta H - T\Delta S), промяната на температурата може да промени стойността на (\Delta G). За екзотермична реакция на хидрогениране ((\Delta H<0) и (\Delta S<0)), повишаването на температурата ще направи (\Delta G) по-малко отрицателна (по-малко спонтанна). От друга страна, за ендотермична реакция на хидрогениране ((\Delta H>0) и (\Delta S>0)), повишаването на температурата ще направи (\Delta G) по-отрицателна (по-спонтанна).
налягане
Налягането може също да повлияе на термодинамиката на реакцията, особено за реакции, включващи газове. Според принципа на Le Chatelier, увеличаването на налягането ще измести равновесието към страната с по-малко молове газ. При повечето реакции на хидрогениране, тъй като броят на моловете газ намалява по време на реакцията, увеличаването на налягането ще благоприятства образуването на продуктите.
Катализатор
Катализаторът не променя термодинамиката на реакцията. Не засяга (\Delta H), (\Delta S) или (\Delta G). Той обаче ускорява реакцията, като осигурява алтернативен реакционен път с по-ниска енергия на активиране. Това позволява реакцията да достигне равновесие по-бързо.
Използване на софтуер за термодинамични изчисления
В сценарии от реалния свят ръчното изчисляване на термодинамиката на реакцията може да отнеме много време и да доведе до грешки, особено при сложни реакции. Тук софтуерът идва на помощ. Има много софтуерни пакети, които могат да изчислят точно термодинамичните параметри на реакциите на хидрогениране. Този софтуер използва бази данни с термодинамични свойства и усъвършенствани алгоритми за извършване на изчисленията.
Други свързани реактори
Ако се интересувате от други видове реактори, ние също доставямеРеактор за полимеризацияиРеактор с разбъркване на кристализация. Полимеризационните реактори се използват за синтеза на полимери, а кристализационните реактори с разбъркване се използват за процеса на кристализация. Всеки тип реактор има свои собствени уникални термодинамични съображения, но основните принципи на термодинамиката остават същите.
Заключение и призив за действие
Изчисляването на термодинамиката на реакцията в реактор за хидрогениране е основна стъпка в оптимизирането на процеса на хидрогениране. Като разберете промяната на енталпията, промяната на ентропията и промяната на свободната енергия на Гибс и вземете предвид факторите, които ги влияят, можете да проектирате и управлявате вашия реактор за хидрогениране по-ефективно.
Ако сте на пазара за висококачествен реактор за хидрогениране или имате някакви въпроси относно термодинамиката на реакцията, не се колебайте да се свържете с нас. Ние сме тук, за да ви помогнем да извлечете максимума от вашите процеси на хидрогениране.
Референции
- Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Физическа химия за науките за живота. Oxford University Press.
- Smith, JM, Van Ness, HC, & Abbott, MM (2005). Въведение в термодинамиката на химическото инженерство. Макгроу - Хил.
