5.4. Интенсификация гетерогенных процессов

Гетерогенные системы состоят из непрерывной (сплошной) среды и дис­кретной фазы, включающей один или более компонентов. Примеры та­ких си­стем приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Дисперсная фаза – дисперсионная среда	Тип систем	Примеры
Т–Ж	Золи, суспензии, взвеси	Золи металлов, гидровзвеси
Ж–Ж	Эмульсии	Технологические эмульсии, смазки
Г–Ж	Пены, газовые эмульсии	Пены, барботажный слой, кипящая и кавитирующая жидкость
Т–Т	Твердые коллоиды	Сплавы
Ж–Т	Пористые тела, капиллярные системы	Адсорбенты, влажные тела, иониты, фильтрующие слои
Г–Т	Пористые и капиллярные системы	Силикагель, активные угли, цеолиты, катализаторы, мембраны, фильтры
Т–Г	Аэрозоли, взвеси	Дымы, псевдоожиженный слой
Ж–Г	Аэрозоли	Туманы, капельные выбросы
Г–Г	Неоднородные газы	Расслаивающиеся газы, флуктуации плотности в газах

В таблице обозначено: Г – газ; Ж – жидкость; Т – твердое тело.

В гетерогенной системе областью химического взаимодействия являют­ся поверхности раздела фаз.

Скорость гетерогенной реакции является сложной функцией пара­мет­ров нескольких процессов, протекающих параллельно: массопере­да­чи извне в реакционную среду, собственно химической реакции и выведе­ния продук­тов процесса из реакционного пространства.

Элементарные стадии химической реакции протекают с разной ско­ро-стью. При этом в условиях стационарного процесса скорости всех стадий бу­дут одинаковы и равны скорости самой медленной стадии. Эту стадию на­зы­вают лимитирующей. Поэтому их интенсификация связана с ускорением лимитирующей стадии.

Для решения данной проблемы в теорию гетерогенных процессов введе­но понятие области протекания реакции. По этой теории гетерогенная реак­ция может протекать в кинетической, диффузионной или переходной (диффу-зионно-кинетической) областях. Название этих областей связано непосредст-венно с лимитирующей стадией. Если лимитирующей стадией является химическое превращение, то говорят о кинетической области протекания процесса. К числу кинетических факторов относят температуру, давление, концентрацию реагентов и катали­затора, природу и активность последнего и др. Если лимитирующей стадией является скорость массопередачи, то реа­кция протекает в диффузионной области. Известно, что для процессов, про­текающих в этой области, скорость пропорциональна площади границы раз­дела фаз и движущей силе процесса (изменению концентрации), под дей­ствием которой происходит массопередача:

V = k · S · C, (5.4)

где k – коэффициент пропорциональности;

S – площадь поверхности раздела фаз;

C – градиент концентрации.

Из уравнения (5.4) следует, что скорость процесса можно повысить, увеличив площадь соприкосновения фаз. Эта цель достигается измельчением твердого катализатора и развития его внутренней структуры (пористости). В системах с участием жидких продуктов для увеличения поверхности кон­так­та применяют такие приемы, как использование насадочных устройств, бар­ботаж, пенный слой и т. д. Значение константы скорости определяется следующим соотношением:

k = D/ , (5.5)

где D – коэффициент диффузии;

– толщина диффузионного пограничного слоя.

С повышением температуры коэффициент диффузии возрастает, но в значительно меньшей степени, чем скорость химической реакции. Тем не менее, температурный фактор часто используется для повышения скорости диффузионных процессов. Более эффективным является прием интенсифи­ка­ции путём перемешивания контактирующих фаз. Этим достигается уменьшение тол­щины диффузионного слоя, что приводит к резкому увеличению константы скорости процесса массопередачи.

Для увеличения движущей силы процессов массопередачи С, которая является градиентом концентраций: С = С – С^*, (где С и С^*– соот­вет­ственно действительная и равновесная концентрации компонента в пере­даю­щей фазе) используют следующие приемы:

– повышение концентрации компонентов сырья;

– удаление продуктов процесса из реакционной зоны;

– смещение равновесия в направлении, повышающем градиент кон­цен­­т­ра­ции С.

Таким образом, к диффузионным факторам, определяющим интенсив­ность процессов массопередачи, можно отнести линейные скорости движе­ния фаз, число оборотов перемешивающих устройств, характеристики грани­цы раздела фаз и др. Поскольку диффузионные факторы во многом определяются гидродинамикой потоков, то их часто называют гидродинамическими. Если скорости массопередачи и реакции соизмеримы, то говорят, что процесс протекает в переходной области.

Проведение реакции в кинетической области (отсутствует диффузион­ное торможение) наиболее предпочтительно с точки зрения кинетики, однако ряд промышленных процессов реально осуществляют в диффузионной обла­сти. Это касается прежде всего высокотемпературных процессов, когда трудно избежать диффузионных торможений по причине высоких скоростей химических реакций.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

– скорость гетерогенной реакции определяется скоростью лимитирую­щей стадии;

– в качестве лимитирующих могут быть как процессы химического пре­в­ращения, так и процессы массопередачи;

– для интенсификации гетерогенной реакции следует использовать как кинетические, так и диффузионные факторы;

– для интенсификации процессов, протекающих в кинетической обла­сти, следует применять кинетические факторы, а в диффузионной – диффу­зи­онные.