Влияние поверхности соприкосновения реагирующих фаз на общую скорость процесса

Чем больше площадь соприкосновения реагирующих фаз, тем выше скорость гетерогенного процесса. В промышленности поверхность соприкосновения реагирующих фаз увеличивают за счет различных конструкционных решений. Поверхность контакта фаз может быть увеличена главным образом за счет соответствующего аппаратурного оформления процесса, т.е. путем применения различных по устройству реакторов.

Например:

1) при контакте газа и жидкости процесс часто проводят в башнях с насадкой или в полых башнях. В первом случае насадка орошается жидкостью, которая, стекая вниз, смачивает насадку (рис. 4.8). Газ проходит через насадку и соприкасается с жидкостью, смачивающей насадку. Поверхность жидкости, т.е. поверхность контакта фаз (F), тем больше, чем больший объем насадки приходится на единицу объема пропускаемого газа, чем меньше размер насадки и чем более развита поверхность этой насадки.

Поверхность одного кубометра различных по размерам и устройству насадок приведена в справочной литературе. Так, например, суммарная поверхность правильно уложенных керамических колец размером 50 × 50 × 5 мм составляет 100 м² / м³, а колец размером 100 × 100 × 10 – 60 м² / м³.

Рис. 4.8 Реакторы для осуществления химических процессов г – ж:

а – башня с насадкой; б – полая башня;

1 – башня, 2 – холодильник; 3 – насос

В полых башнях поверхностью соприкосновения фаз служит поверхность капель, образующихся при разбрызгивании жидкости в башне с помощью различных устройств (рис. 4.8, б). Общая поверхность (поверхность контакта фаз F) определяется по формуле

где F – поверхность, приходящаяся на 1 кг разбрызгиваемой жидкости;

ρ – плотность жидкости, г/см³; R – радиус капель, см.

Так, если плотность жидкости ρ = 1 г/см3, из уравнения следует

В некоторых случаях в системах г – ж процесс осуществляется в барботажных и пенных аппаратах, в которых газ в виде отдельных пузырьков барботирует через слой жидкости. При этом поверхностью контакта служит внутренняя поверхность пузырьков: чем меньше размер пузырьков газа и чем выше слой жидкости, тем больше поверхность F.

Используют скрубберы с распылением жидкости в газовом потоке, пенные аппараты, ректификационные колонны с различными тарелками.

2) Для взаимодействия твердой фазы с жидкостью чаще всего используют реакторы с различными перемешивающими устройствами

3) Для системы г – т увеличение поверхности соприкосновения фаз достигается измельчением твердой фазы. Газообразное вещество приводят в соприкосновение с измельченным исходным веществом самыми разнообразными способами, например, твердые частицы вещества располагают на полках реактора, а поток газа движется над полками. В других случаях тонко измельченное твердое исходное вещество распыляют в потоке газообразного исходного вещества в полом объеме; таким образом сжигают пылевидное топливо в топках паровых котлов.

В реакторах с псевдоожиженным (кипящим) слоем поверхность соприкосновения фаз тем больше, чем мельче частицы зернистого материала и чем выше слой этого материала.

Наилучший способ взаимодействия Г-Т заключался в том, чтобы создавать кипящий слой твердого зернистого материала в потоке газа. Обжиг руд выгодно проводит не в полочных печах, а в аппаратах с кипящим слоем твердого зернистого материала.