6.3. Процеси і реактори у системі газ-тверде тіло (г–т)

Некаталітичні процеси у системі Г–Т широко застосовуються у хімічній промисловості. До них належать адсорбція і десорбція газів на твердих сорбентах, піроліз твердого палива, різні види випалювання твердих матеріалів. Найбільш характерні для системи Г–Т є випалювання твердих матеріалів і адсорбційні процеси. Випалювання – це високотемпературна обробка зернистих твердих матеріалів з метою отримання твердих і газоподібних продуктів, а також для придання твердим матеріалам механічної міцності (технологія силікатів). У процесі випалювання відбувається часткове плавлення твердих речовин з утворенням рідкої фази, яка взаємодіє з іншими фазами. Одне з основних перетворень при випалюванні – це термічна дисоціація твердих речовин.

Адсорбція – це процес поглинання газів поверхнею твердих сорбентів. Адсорбція газів застосовується для вловлювання цінних летких розчинників. Подальшою десорбцією проводять їх регенерацію (рекуперацію). Адсорбція застосовується для очищення повітря від токсичних газів і парів, для розділення складних газових сумішей на компоненти і т. д. Адсорбція і десорбція є важливими стадіями каталітичного перетворення речовин. Адсорбційні процеси відбуваються тільки на поверхні твердого сорбенту.

Для більшості високотемпературних процесів випалення і газифікації твердих речовин рівновага практично повністю зміщена у бік кінцевих продуктів і тому розглядаються тільки кінетичні закономірності.

Вплив механізму гетерогенного процесу на швидкість. При вивченні швидкості процесів у системі Г–Т, зокрема кінетики випалення твердих матеріалів, часто приймають за основу модель сферичної частинки з непрореагованим ядром. Згідно з цією моделлю хімічна реакція спершу відбувається на поверхні твердої частинки, а потім поступово проникає у середину частинки з утворенням шару твердих, пористих продуктів реакції ("золи"). Елементарні стадії процесу такі: дифузія газоподібного реагента з потоку газу до твердої поверхні; внутрішня дифузія газоподібного реагента через шар "золи"; хімічна реакція на поверхні твер­дого реагента; дифузія газоподібних продуктів реакції через шар "золи"; зов­нішня дифузія газоподібних продуктів в ядро газового потоку.

На рис. 6.6 показано зміну концентрації газоподібного реагента А при реакції А(г) + В(т)  Продукти (для моделі сферичної частинки з непрореагованим ядром). Оскільки всі елементарні стадії взаємодії Г–Т йдуть послідовно, загальна швидкість процесу визначається швидкістю найбільш повільної (лімітуючої) стадії.

Основні типи реакторів для процесів у системі Г–Т. Ці реактори показані на рис. 6.7. Деякі виробничі високотемпературні процеси проводяться в автоклавах, контактних апаратах, котлах, випарювальних апаратах і т. ін. Більшість некаталітичних процесів між твердими і газоподібними речовинами ґрунтується на хімічних реакціях і здійснюється при високих температурах. Хімічні реактори, що застосовуються для таких процесів, мають загальні характерні особливості і називаються печами.

Рис. 6.6. Зміна концентрації газоподібного реагента Сr у ході взаємодії зі сферичною твердою частинкою: 1 – газова ламінарна плівка; 2 – шар продуктів реакції; 3 – непро­реа­говане ядро. Лімітуючі стадії: а – зовнішня дифузія; б – внутрішня дифузія; в – хіміч­на реакція; r_ч – радіус частинки; r_я – радіус ядра

Промисловою піччю називається апарат, в якому за рахунок горіння палива і інших хімічних перетворень або застосування електричної енергії виробляється теплота, що використовується для теплової обробки різних речовин, які при цьому зазнають ряду фізичних і хімічних перетворень.

Рис. 6.7. Типи реакторів для процесів з участю газових і твердих реагентів (Г–Т) для політермічного (а-д) і ізотермічного (е) режимів: а – протитечійний (завантаження і вивантаження твердих матеріалів порціями); б – протитечійний з рухомою твердою фазою; в – поличковий з механічною мішалкою; г – барабанний з корпусом, що обертається; д-з транспортуванням твердої фази; е – з киплячим шаром

За способом нагрівання печі класифікують на:

• печі прямого нагрівання;

• печі непрямого нагрівання.

В печах прямого нагрівання джерело теплової енергії безпосередньо стикається з матеріалом, що нагрівається (цементні печі, печі киплячого шару, домни, конвертори, електродугові та шахтні печі, печі для випалювання сульфідних руд), або теплота передається до матеріалу через нагріте повітря чи топкові гази (печі для виплавляння металів, тунельні печі).

Загальне рівняння теплопередачі для паливних печей прямого нагрівання має такий вигляд:

Q = Ft,

де: Q – кількість теплоти, що передається за одиницю часу; t – середня різниця температур теплоносія і матеріалу, що нагрівається; F – поверхня нагрівання матеріалу;  – коефіцієнт тепловіддачі, який залежить від природи матеріалу, конструкції печі, характеру роботи та ін.

Для інтенсифікації процесів теплопередачі у цих печах треба збільшувати рушійну силу теплопередачі, поверхню теплообміну та коефіцієнт тепловіддачі.

В печах непрямого нагрівання теплоти від джерела теплової енергії передається матеріалу, що нагрівається, через стінку (коксові, ретортні, муфельні, тигельні, трубчасті та інші печі).

Для паливних печей непрямого нагрівання

Q = K₁Ft,

де К₁ – коефіцієнт теплопередачі, який у загальному випадку дорівнює:

,

де: ₁ – коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія до стінки, що відділяє матеріал; ₂ – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до матеріалу;  – товщина стінки;  – теплопровідність стінки.

Шахтні печі – це печі прямого нагрівання. Твердий матеріал рухається вниз протипотоку газів, які реагують з твердим матеріалом на поверхні і у порах кусків. У шахтних печах виплавляють чавун, випалюють вапняк, сульфідні руди, газифікують тверде паливо та ін. Вони відзначаються великими розмірами і потужністю. Робота шахтних печей безперервна, повністю механізована і автоматизована. Прикладом шахтної печі може бути доменна піч, подана на рис. 6.8.

Для виробництва цементу, силікатних матеріалів, глинозему, кальцинованої соди застосовують барабанні печі прямого нагрівання. Довжина цих печей досягає 200 м, діаметр – 5 м, температура – до 1500 °С.

Для випалювання вогнетривких матеріалів, різних керамічних виробів, для напівкоксування сланців, сухої перегонки дерева, виплавляння сірки застосовують тунельні (канальні) печі.

Для коксування вугілля, випалення кераміки, у виробництві солей використовують камерні печі.

Для хімічної переробки палива і в органічному синтезі використовують трубчасті печі, в яких відбувається непрямий нагрів сировини, яка рухається по трубах з великою швидкістю.

Електричні печі застосовуються в електротермічних процесах, де потрібні високі температури – до 3500 °С. Їх використовують у металургійній і хімічній промисловості для виробництва спеціальних сталей, феросплавів, кольорових і рідкісних металів, карбідів металів, фосфору, сірковуглецю, озону, ацетилену, кварцового скла та ін.

Рис. 6.8. Схема доменної печі: 1 – засипний апарат; 2 – газовідводи; 3 – стальний кожух; 4, 5 – футеровка; 6 – холодильники; 7 – опорне кільце; 8 – кільцевий повітропровід; 9 – жолоб для чавуну; 10 – жолоб для шлаку

Електричні печі поділяються на печі опору, дугові, комбіновані та індукційні. У печах опору провідником струму є матеріал, який підлягає обробці і має великий опір (печі прямого нагрівання) або струм проходить через провідник з великим опором і виділена теплота передається матеріалу (печі непрямого нагрівання). У дугових печах електрична дуга утворюється між електродами у масі самого матеріалу, що нагрівається (пряме нагрівання) або матеріал нагрівається за рахунок теплоти випромінювання від дуги, що виникає між двома електродами. В індукційних печах нагрівають електропровідний матеріал струмом, індукованим у самому матеріалі або теплопередачею від нагрівача, в якому збуджується індукований струм.

Питання до розділу 6

1. Загальна характеристика гетерогенних процесів.

2. Дати визначення швидкості гетерогенних ХТП.

3. Які процеси належать до системи Г–Р?

4. Що таке абсорбація, десорбція, хемосорбція?

5. Записати формулу для визначення абсорбційної рівноваги.

6. Що називається коефіцієнтом виділення речовини?

7. Типи реакторів для гетерогенних процесів у системі Г–Р.

8. Що таке адсорбція?

9. Основні стадії процесу у системі Г–Т на прикладі випалювання твердих матеріалів.

10. Швидкість процесу у системі Г–Т.

11. Лімітуючі стадії процесу у системі Г–Т.

12. Основні типи реакторів для системи Г–Т.

Розділ 7. КАТАЛІТИЧНІ ПРОЦЕСИ І РЕАКТОРИ

Застосування каталізаторів дає змогу прискорювати хімічні реакції у тисячі і навіть у мільйони разів, тому каталіз дуже поширений у різних галузях хімічної промисловості. Близько 70 % хімічних виробництв включають каталітичні стадії. Ряд промислових процесів вдалося здійснити тільки завдяки застосуванню каталізаторів, зокрема, до них належать виробництва амоніаку, нітратної і сульфатної кислот, синтетичного каучуку.