12. 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.

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.