3. Кинетика технологических процессов
Любой гетерогенный химико-технологический процесс состоит из трех стадий (см. подраздел 1.1).
Общая скорость процесса определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии. Поэтому для интенсификации процесса и его количественного описания необходимо определить, какая из стадий является лимитирующей, и принять меры к ее ускорению.
Если самым медленным звеном процесса является подвод реагирующих веществ к зоне реакции или отвод из нее продуктов реакции, то кинетика суммарного процесса будет лимитироваться диффузионным массопереносом. О таких процессах говорят как об идущих в «диффузионной области». В том случае, если самой медленной стадией процесса является химическое взаимодействие, скорость всего процесса определяется скоростью химической реакции, и тогда говорят, что процесс протекает в «кинетической области». Если скорости отдельных стадий соизмеримы, то процесс протекает в «переходной (смешанной) области».
Лимитирующую стадию гетерогенного процесса можно определить опытным путем, изучая влияние различных факторов технологического режима на общую скорость процесса. Например, если в системе газ – твердое вещество суммарная скорость процесса возрастает с повышением температуры в соответствии с экспоненциальным законом, характерным для константы скорости химической реакции, то определяющей стадией является химическая реакция и процесс протекает в кинетической области. Если же повышение температуры практически не сказывается на общей скорости процесса, то процесс протекает в диффузионной области, так как температурная зависимость скорости диффузии в газах определяется коэффициентом диффузии, зависимость которого от температуры намного меньше аналогичной зависимости константы скорости химической реакции. Как показывает опыт, во многих случаях при повышении температуры гетерогенный процесс может перейти из кинетической области в диффузионную. Один из таких случаев иллюстрируется рис. 1.4, где для одного и того же процесса представлены температурные зависимости скорости диффузии 1, скорости химической реакции 2, общей теоретической скорости процесса 3 и общей скорости процесса, установленной экспериментально 4.
Рис. 1.4. Влияние температуры на кинетику
гетерогенного процесса
Из рис. 1.4 видно, что в области I (кинетической) самой медленной стадией процесса является химическая реакция, скорость которой резко возрастает с температурой. В области II скорости химической реакции и диффузии становятся сопоставимы и процесс переходит в смешанную область. В области III (диффузионной) лимитирующей стадией процесса становится уже диффузионный массоперенос, так как скорость диффузии становится меньше скорости химической реакции.
Гетерогенные химико-технологические процессы чаще всего протекают в диффузионной области, однако применение интенсивных приемов перемешивания потоков и увеличения площади поверхности соприкосновения фаз может привести к переводу процесса из диффузионной области в кинетическую. Это также используется для определения лимитирующей стадии процесса. Например, на кривой зависимости общей скорости процесса от скорости потока u = f(ω) (рис.1.5) можно выделить три области: диффузионную, переходную и кинетическую.
Рис. 1.5. График зависимости общей скорости процесса
от скорости потока: I – диффузионная область; II – переходная область; III – кинетическая область
В диффузионной области I наблюдается значительное влияние скорости потока, так как поток интенсифицирует процесс массопереноса; в переходной области II влияние скорости потока невелико, и в кинетической области III скорость потока не влияет на скорость гетерогенного процесса.
Влияние скорости потока на общую скорость процесса можно проследить также на графике зависимости u = f(Т) при различных скоростях потока (рис. 1.6). Ход кривых u = f(ω) подтверждает тот факт, что область III является диффузионной (с увеличением ω скорость процесса возрастает), и указывает на путь дальнейшего повышения общей скорости процесса в рассматриваемом случае.
Рис. 1.6. График зависимости общей скорости процесса
от температуры и скорости потока (ω1 < ω2 < ω3):