3.4.5. Задание к лабораторной работе

1. Исследовать влияние соотношения исходных компонентов на степень и скорость взаимодействия в изотермических условиях.

2. Исследовать влияние температуры на степень и скорость каустификации.

3. Исследовать влияние наличия или отсутствия флюса (NaCl) на степень и скорость взаимодействия.

4. Исследовать влияние размера зерен Fe₂O₃ на степень и скорость взаимодействия.

5. На основании проведенных исследований сделать вывод о лимитирующей стадии процесса и дать рекомендации по интенсификации процесса.

4. Гетерогенные процессы в системе газ - жидкость

4.1. Общие положения

Газожидкостные реакции – это гетерогенные процессы, включающие химическое взаимодействие между реагентами, один из которых находится в газовой фазе, а другой – в жидкой. Жидкость может представлять собой раствор вещества, химически взаимодействующего с газообразным реагентом; в ряде случаев происходит взаимодействие растворяющегося газа с самим растворителем.

Газожидкостные реакции широко используют в химической технологии. Примеры их применения:

• получение целевых продуктов: кислот (H₂SO₄, HNO₃ абсорбцией SO₃, NO₂ соответственно), удобрений (абсорбцией NH₃ растворами азотной кислоты в производстве аммонийной селитры или серной кислоты в производстве сульфата аммония), органических веществ (хлорирование жидких ароматических углеводородов;

• очистка газов от вредных примесей (абсорбция H₂S с целью очистки нефтяных и коксовых газов; абсорбция СО, СО₂ растворами моноэтаноламина или карбоната с целью очистки синтез-газа в производстве аммиака; абсорбция SO₂ растворами сульфита и гидросульфита аммония при санитарной очистке газов);

• разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси (абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа; абсорбция бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п.)

Газожидкостные реакции принято рассматривать как процессы абсорбции, сопровождающиеся химическим взаимодействием. Такой подход позволяет применить к этой группе химических процессов закономерности массопередачи. При этом считают, что протекание химической реакции на границе раздела газовой и жидкой фаз или в глубине жидкой фазы приводит к ускорению процесса абсорбции.

Возможность таким образом ускорить процесс массопередачи широко используется в практике. Добавляя к растворителю реагенты, вступающие в быстрые химические реакции с компонентами, извлекаемыми из газовой фазы, удается существенно интенсифицировать процесс абсорбции. Например, диоксид углерода СО₂ можно извлечь из газовой смеси путем абсорбции водой под давлением. Применение вместо воды растворов этаноламинов или карбонатов, вступающих в химическое взаимодействие с СО₂, позволяет во много раз повысить интенсивность абсорбции.

Равновесие в системе газ – жидкость, как и для других гетерогенных систем, определяется с помощью правила фаз, закона распределения и константы равновесия химических реакций в жидкой фазе. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления. При абсорбции равновесие можно сместить в сторону увеличения растворимости газа, уменьшая температуру, что снижает равновесное давление газа над раствором (р_Г^* или с_Г^*), увеличивая начальную концентрацию поглощаемого компонента в газе (с_ГН) или общее давление Р, что также увеличивает с_ГН. Для понижения температуры охлаждают исходные газ и жидкость, отводят теплоту абсорбции с помощью встроенных или наружных теплообменников. Иногда отвод теплоты абсорбции осуществляют без охлаждения, используя эту теплоту для концентрирования раствора в самом абсорбере. При десорбции газов из жидкостей равновесие смещают обратными приемами, т. е. повышением температуры и понижением давления; для этого обогревают десорбер с помощью теплообменников или острого пара. Кинетика абсорбции (т. е. скорость процессов массопереноса) определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя и поглощаемых компонентов, устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы, а также способом контакта фаз:

• барботаж (диспергированный газ в виде пузырей поднимается в слое жидкости);

• орошение (диспергированная в виде капель жидкость пролетает через газ);

• пленочное течение (жидкость пленкой стекает по поверхности, поток газа проходит вдоль нее);

• контакт в насадочной колонне (близок к пленочному течению: жидкость стекает по насадке в виде нерегулярной, возмущенной пленки, газ проходит в свободном пространстве);

• газожидкостный поток (возмущенные потоки газа и жидкости движутся в одном направлении).