Закономерности управления гетерогенными процессами

Большинство ХТП относятся к гетерогенным.

Гетерогенные процессы по механизму намного сложнее гомогенных. Гетерогенные процессы протекают в разных фазах Г-Ж, Г-Т, Ж-Т, Ж-Ж’.

Вещества находятся в разных фазах. Подвод реагентов к поверхности раздела фаз, где чаще всего протекает хим. взаимодействие осуществляется в результате молекулярной и конвективной диффузии и только затем происходит само химическое взаимодействие

A (г) A (г)

B (ж) B(ж)

Суммарная скорость гетерогенной реакции определяется суммой скоростей протекающих процессов

При протекании гетерогенных процессов можно выделить 3 основных одновременно протекающих процесса:

1. диффузия реагентов к границе раздела фаз, либо вглубь фазы;

2. химическая реакция;

3. диффузия продуктов реакции из зоны реакции.

Скорость гетерогенного процесса определяется количеством реагента или продукта прореагировавшего или образовавшегося в единице времени на единице раздела поверхности раздела фаз

, где

S- реакц. поверхность

dτ – время

j – стехиометрический коэф-т

С другой стороны скорость гетерогенного процесса зависит не только от скорости самой химической реакции, но и от многих других факторов (макроуровень). Для того чтобы гетерогенные процессы протекали с высокой скоростью необходимо увеличить поверхность F соприкосновения реагирующих фаз и движущую силу процесса ∆ С:

основное уравнение массопередачи

∆С= Сраб-Сравн

К-коэффициент скорости

w – Скорость гетерогенного процесса

Коэффициент скорости гетерогенного процесса имеет сложную природу и он не так прямо зависит от температуры, как коэффициент скорости гомогенного процесса. Коэффициент включает в себя многие факторы, влияющие на скорость гетерогенного процесса. В большинстве практических случаев влияние этих факторов неодинаково. Так, например, химический процесс обычно состоит из нескольких стадий, а его общая скорость определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Поэтому, для интенсификации процесса необходимо, прежде всего, определить, какая из стадий является наиболее медленной, и ускорить ее.

При протекании гетерогенного процесса могут быть следующие ситуации:

1. w_х.р.<< w _{диф.р-та}

2. w_х.р.>>w _{диф.р-та}

3. w_х.р. ~ w _{диф.р-та}

Для оптимального управления гетерогенным процессом необходимо выявить лимитирующую стадию гетерогенного процесса.

1. Если скорость химической реакции мала, то для ускорения реакции необходимо повысить температуру, давление и концентрацию реагента, то есть принципы управления те же, что и для гомогенных процессов (кинетическая область протекания гетерогенного процесса)

2. Если скорость диффузии мала (диффузионная область протекания гетерогенного процесса) необходимо повышать скорости подачи газового потока к поверхности раздела фаз, повысить степень перемешивания, увеличить степень измельчения твердого материала и т.д. то есть необходимо снять диффузионное торможение.

3. w_х.р. ~ w _{диф.р-та} переходная область протекания гетерогенного процесса

Лимитирующую стадию определяют следующими методами: путем увеличения температуры. Если скорость при повышении температуры на каждые 10 градусов увеличивается в 2-4 раза, то процесс находится в кинетической области и приемы интенсификации те же самые что для гомогенных процессов. Если при повышении температуры на 10 градусов скорость гетерогенного процесса практически не поднимается, то процесс находится в диффузионной области необходимо снять диффузионное торможение.

w

1 2 3

t, °C

1 – кинетическая область

2 – переходная область

3 – диффузионная область