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.

1 2 3

t, °C

1 – кинетическая область

2 – переходная область

3 – диффузионная область

Влияние скорости газового потока реагента на общую скорость потока

А(г)

В (ж) 1 2 3

w_{газового} _потока

1 – диффуз.область

2 – переходная

3 – кинетическая

Изменение скорости потока также может быть использовано для определения лимитирующей стадии процесса, поскольку она оказывает существенное влияние на скорость внешней диффузии.

Так, на кривой зависимости общей скорости процесса от скорости потока r = f (w) можно выделить три области: диффузионную, переходную и кинетическую.

В диффузионной области наблюдается значительное влияние скорости потока (область I); в переходной области влияние скорости потока невелико (область II) и в кинетической области скорость потока не влияет на скорость процесса (область III).

Если при повышении w газового потока одного из реагентов общая скорость начала значительно расти, то процесс находится в диффузионной области.

Температуру можно поднимать до тех пор, пока не будут ограничения по физико-химическим свойствам реагентов и продуктов, катализатора и конструкционных материалов реактора и соответственно этой температуре можно подобрать w газового потока.

⇐ Предыдущая 1 23