11.6. Общие принципы интенсификации химико-технологических процессов.

Общие принципы интенсификации химико-технологи­ческих процессов сводятся к изменению основных факто­ров, влияющих на скорость процесса и выход продукта. Так, для интенсификации процессов, протекающих в ки­нетической области, целесообразно изменять температу­ру, давление, концентрации реагирующих веществ и ис­пользовать катализаторы.

Процессы, протекающие в диффузионной области, ин­тенсифицируются гомогенизацией, перемешиванием, турбулизацией и рациональным выбором направления дви­жения взаимодействующих потоков.

Для интенсификации процессов, протекающих в пере­ходной области, используются одновременно как кинети­ческие факторы (температура, давление, катализатор, по­вышение концентрации взаимодействующих веществ), так и диффузионные (гомогенизация, перемешивание, турбулизация, направление движения потоков).

Рациональный выбор основных факторов для ускорения наиболее медленных стадий производится в каждом конкретном случае на основании технико-экономических расчетов реальных условий и производственных возмож­ностей процесса.

Повышение температуры приводит к значи­тельному увеличению константы скорости реакций и в меньшей степени увеличению коэффициента диффузии.

Обычно при повышении температуры на 10°С скорость реакции увеличивается в 2 —4 раза.

Повышение температуры широко используется для интенсификации многих процессов. Однако из-за ограни­ченной термостойкости конструкционных материалов, реагентов и катализаторов рабочая температура многих процессов в ряде производств не всегда соответству­ет наивыгоднейшему максимально допустимому зна­чению.

Повышение константы скорости реак­ции с помощью катализаторов в химической промыш­ленности находит все более широкое применение. В каче­стве катализаторов используют химические вещества или их сложные смеси, которые участвуют в реакции и изме­няют ее скорость, но не расходуются в процессе этой ре­акции и остаются какое-то время после ее прохождения в неизменном виде.

Ускорение химических реакций положительными ка­тализаторами обеспечивается снижением энергии актива­ции молекул, необходимой для взаимодействия и хими­ческого превращения.

Повышение концентрации взаимодействую­щих компонентов достигается использованием обогащен­ного сырья или его концентратов, а также непрерывным отводом продуктов реакции из зоны взаимодействия. Для ускоренного отвода газообразных продуктов реак­ции используют вакуум, конденсацию, поглощение на твердом поглотителе и т. п., а для ускоренного отвода жидких смесей — кристаллизацию и испарение.

Повышение давления особенно благоприятно для ускорения газовых реакций, протекающих с уменьше­нием объема. При этом наряду с увеличением скорости процесса и выходом продукта значительно уменьшаются габариты аппаратов и диаметры трубопроводов.

Применение повышенного давления экономически не­целесообразно при использовании низкоконцентриро­ванных газов из-за высоких энергетических затрат на сжатие и перемещение не участвующих в реакции га­зовых фракций и потому являющихся балластом.

Повышение однородности взаимодействую­щих веществ в системах Т — Т — Ж, Ж — Ж, Г — Г — Т — Ж и других за счет гомогенизации исходных компонентов обеспечивает не только полноту протекания реакции, повышение выхода и качества продукта, но и значительно интенсифицирует процесс. В настоящее время однородность фракционного и химического соста­ва достигается гравитационным, центробежным, электро­статическим, электромагнитным, химическим и другими методами разделения неоднородных систем. А для гомо­генизации неоднородных жидких и твердых фракций тон­ким дроблением наряду с механическими измельчителями используются вибрация, ультразвук, высоковольтные электрические разряды в жидкой среде и т. д.

Перемешивание необходимо для выравнивания концентраций и температур взаимодействующих ве­ществ. Наибольшее значение оно имеет для жидкостей из-за небольшой скорости диффузии молекул в жидкой среде. Для перемешивания жидкостей используются ме­ханические, пневматические, электромагнитные и другие методы. Так, например, применение вращающихся мощных электромагнитных полей в металлургии обеспе­чивает получение высококачественного металла и значи­тельно интенсифицирует процесс.

Турбулизация позволяет заменить очень медлен­ную естественную диффузию молекул принудительным и более быстрым хаотичным движением за счет больших скоростей перемещения взаимодействующих потоков. Турбулизация сопровождается усиленным перемешива­нием масс при одновременном увеличении поверхности взаимодействия между ними. В системах Г-Ж, Ж — Т, Г — Т для этой цели используются более тонко измель­ченные взаимодействующие потоки и высокие скорости их движения в аппарате. Так, за счет турбулизации си­стемы и более тонкого измельчения твердой фазы, резко увеличивающей поверхность контакта, окислительный обжиг колчедана в печах кипящего слоя оказывается в 10 раз интенсивнее, чем в полочных печах.

Направление движения потоков реаги­рующих веществ определяет скорость и эффективность диффузионных процессов. При ограниченном использо­вании прямотока противоток отличается большей полно­той и равномерностью процессов по объему аппарата и большим выходом продукта. Аппараты с перекрестным током имеют более сложное устройство, но обеспечи­вают наивысшую интенсивность процесса по сравнению с противотоком.

В промышленной практике для увеличения скорости процесса используется одновременно большинство из указанных приемов.