چگونه ترمودینامیک واکنش را در یک راکتور هیدروژنه محاسبه کنیم؟

سلام! به عنوان تامین کنندهراکتور هیدروژناسیون، اغلب از من در مورد چگونگی محاسبه ترمودینامیک واکنش در یک راکتور هیدروژناسیون سؤال می شود. این یک جنبه حیاتی برای هر کسی است که به دنبال بهینه سازی فرآیندهای هیدروژناسیون خود است، بنابراین من اینجا هستم تا آن را به روشی ساده و آسان - قابل درک - برای شما شرح دهم.

آشنایی با اصول واکنش های هیدروژناسیون

ابتدا اجازه دهید به سرعت به این موضوع بپردازیم که واکنش هیدروژناسیون چیست. به طور خلاصه، هیدروژناسیون یک واکنش شیمیایی بین هیدروژن مولکولی (H2) و ترکیب یا عنصر دیگری است، معمولاً در حضور کاتالیزوری مانند نیکل، پالادیوم یا پلاتین. این واکنش به طور گسترده در صنایع غذایی برای تبدیل چربی های غیر اشباع به چربی های اشباع، در صنایع پتروشیمی برای حذف ترکیبات گوگرد و نیتروژن از سوخت و در بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر استفاده می شود.

معادله کلی واکنش هیدروژناسیون را می توان به صورت زیر نوشت:
[A + H_{2}\فلش راست B]
که در آن (A) ترکیب غیر اشباع و (B) محصول اشباع است.

چرا ترمودینامیک واکنش را محاسبه کنیم؟

محاسبه ترمودینامیک واکنش در یک راکتور هیدروژناسیون بسیار مهم است. این به ما کمک می کند تا بفهمیم که آیا یک واکنش در شرایط خاص امکان پذیر است، چه مقدار گرما در طول واکنش آزاد یا جذب می شود (که برای کنترل دما بسیار مهم است)، و موقعیت تعادلی واکنش چیست. همه این عوامل نقش بزرگی در طراحی و راه اندازی یک راکتور هیدروژناسیون کارآمد دارند.

پارامترهای کلیدی ترمودینامیکی

تغییر آنتالپی ((\Delta H))

تغییر آنتالپی، (\Delta H)، به ما می گوید که آیا یک واکنش گرمازا است (گرما آزاد می کند) یا گرماگیر (جذب گرما). برای واکنش های هیدروژناسیون، بیشتر آنها گرمازا هستند، به این معنی که گرما را آزاد می کنند. فرمول محاسبه (\Delta H) به صورت زیر است:
[\Delta H=\sum H_{محصولات}-\مجموع H_{واکنش‌ها}]
ما می توانیم آنتالپی های استاندارد تشکیل ((H_f^0)) را برای ترکیبات مختلف در جداول ترمودینامیکی پیدا کنیم. برای مثال، اگر یک واکنش هیدروژناسیون ساده اتن ((C_2H_4)) به اتان ((C_2H_6)) داشته باشیم:
[C_{2}H_{4}(g)+H_{2}(g)\arrow سمت راست C_{2}H_{6}(g)]
ما آنتالپی های استاندارد تشکیل (C_2H_4)، (H_2)، و (C_2H_6) را در یک جدول جستجو می کنیم. آنتالپی استاندارد تشکیل (H_2) (0) kJ/mol است (طبق تعریف، آنتالپی استاندارد تشکیل یک عنصر در پایدارترین شکل آن در شرایط استاندارد (0) است). فرض کنید (H_f^0(C_2H_4) = 52.4) kJ/mol و (H_f^0(C_2H_6)= - 84.7) kJ/mol.
[\ دلتا 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] کیلوژول بر مول
مقدار منفی (\Delta H) نشان می دهد که این واکنش گرمازا است.

تغییر آنتروپی ((\Delta S))

آنتروپی، (S)، اندازه گیری بی نظمی یا تصادفی بودن یک سیستم است. تغییر آنتروپی (\Delta S) برای یک واکنش به صورت زیر محاسبه می شود:
[\Delta S=\sum S_{products}-\sum S_{reactants}]
در واکنش هیدروژناسیون، تعداد مول های گاز معمولا کاهش می یابد (از آنجایی که ما هیدروژن را به یک ترکیب غیراشباع اضافه می کنیم)، که به طور کلی منجر به کاهش آنتروپی می شود. به عنوان مثال، در واکنش هیدروژناسیون اتن - اتان، واکنش دهنده ها (2) مول گاز ((1) مول (C_2H_4) و (1) مول (H_2)) دارند، در حالی که محصول فقط (1) مول گاز ((C_2H_6)) دارد. بنابراین، (\Delta S) برای این واکنش منفی است.

تغییر انرژی رایگان گیبس ((\Delta G))

تغییر انرژی آزاد گیبس، (\Delta G)، مهمترین پارامتر برای تعیین خودانگیختگی یک واکنش است. فرمول (\Delta G) به صورت زیر است:
[\Delta G=\Delta H - T\Delta S]
که در آن (T) دما بر حسب کلوین است. اگر (\Delta G<0)، واکنش خود به خود است. اگر (\Delta G = 0)، واکنش در حالت تعادل است. و اگر (\Delta G>0)، واکنش غیر خود به خودی است.

بیایید دوباره از واکنش هیدروژناسیون اتن - اتان استفاده کنیم. دمای (T = 298) K، (\Delta H=-137.1) kJ/mol، و (\Delta S=-120) J/(mol·K) (پس از محاسبه از مقادیر آنتروپی) را فرض کنید. ابتدا باید (\Delta S) را به kJ/(mol·K) تبدیل کنیم، بنابراین (\Delta S=-0.12) kJ/(mol·K).
[\Delta G=-137.1-(298\times(- 0.12))=-137.1 + 35.76=-101.34] kJ/mol
از آنجایی که (\Delta G<0)، واکنش خود به خود در (298) K است.

عوامل موثر بر ترمودینامیک واکنش در یک راکتور هیدروژنه

دما

دما تأثیر قابل توجهی بر ترمودینامیک واکنش دارد. همانطور که در معادله (\Delta G=\Delta H - T\Delta S) دیدیم، تغییر دما می تواند مقدار (\Delta G) را تغییر دهد. برای یک واکنش هیدروژناسیون گرمازا ((\Delta H<0) و (\Delta S<0))، افزایش دما باعث می شود (\Delta G) کمتر منفی شود (کمتر خودبخودی). از سوی دیگر، برای یک واکنش هیدروژناسیون گرماگیر ((\Delta H>0) و (\Delta S>0))، افزایش دما (\Delta G) را منفی تر (خود به خودی تر) می کند.

فشار

فشار همچنین می‌تواند بر ترمودینامیک واکنش تأثیر بگذارد، به‌ویژه برای واکنش‌های مربوط به گازها. طبق اصل Le Chatelier، افزایش فشار باعث تغییر تعادل به سمت سمتی می شود که مول های گاز کمتری دارد. در اکثر واکنش‌های هیدروژناسیون، از آنجایی که تعداد مول‌های گاز در طول واکنش کاهش می‌یابد، افزایش فشار باعث تشکیل محصولات می‌شود.

کاتالیزور

یک کاتالیزور ترمودینامیک واکنش را تغییر نمی دهد. روی (\Delta H)، (\Delta S) یا (\Delta G) تأثیری ندارد. با این حال، با ارائه یک مسیر واکنش جایگزین با انرژی فعال سازی کمتر، واکنش را سرعت می بخشد. این باعث می شود واکنش سریعتر به تعادل برسد.

استفاده از نرم افزار محاسبات ترمودینامیکی

در سناریوهای دنیای واقعی، محاسبه ترمودینامیک واکنش با دست می‌تواند زمان‌بر و مستعد خطا باشد، به‌ویژه برای واکنش‌های پیچیده. اینجاست که نرم افزار به کمک شما می آید. بسته های نرم افزاری زیادی وجود دارد که می تواند پارامترهای ترمودینامیکی واکنش های هیدروژناسیون را به طور دقیق محاسبه کند. این نرم افزارها از پایگاه داده خواص ترمودینامیکی و الگوریتم های پیشرفته برای انجام محاسبات استفاده می کنند.

سایر راکتورهای مرتبط

اگر به انواع دیگر راکتورها علاقه دارید، ما نیز عرضه می کنیمراکتور پلیمریزاسیونوراکتور هم زده کریستالیزاسیون. راکتورهای پلیمریزاسیون برای سنتز پلیمرها و راکتورهای هم زده کریستالیزاسیون برای فرآیند کریستالیزاسیون استفاده می شوند. هر نوع راکتور ملاحظات ترمودینامیکی منحصر به فرد خود را دارد، اما اصول اساسی ترمودینامیک ثابت می ماند.

نتیجه گیری و فراخوان برای اقدام

محاسبه ترمودینامیک واکنش در یک راکتور هیدروژناسیون یک گام اساسی در بهینه سازی فرآیند هیدروژناسیون است. با درک تغییر آنتالپی، تغییر آنتروپی و تغییر انرژی آزاد گیبس و در نظر گرفتن عواملی که بر آن‌ها تأثیر می‌گذارند، می‌توانید راکتور هیدروژناسیون خود را کارآمدتر طراحی و راه‌اندازی کنید.

اگر در بازار یک راکتور هیدروژناسیون با کیفیت بالا هستید یا در مورد ترمودینامیک واکنش سؤالی دارید، با ما تماس بگیرید. ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم از فرآیندهای هیدروژناسیون خود نهایت استفاده را ببرید.

مراجع

• اتکینز، پی، و دی پائولا، جی (2014). شیمی فیزیک برای علوم زیستی. انتشارات دانشگاه آکسفورد
• اسمیت، جی ام، ون نس، اچ سی، و ابوت، ام ام (2005). مقدمه ای بر ترمودینامیک مهندسی شیمی. مک گراو - هیل.