Кинетические закономерности гетерогенных некаталитических процессов. Пути интенсификации гетерогенных процессов.

Механизм гетерогенных процессов сложнее, чем механизм гомогенных процессов. Особенностью гетерогенных процессов является то, что прежде чем произойдёт химическая реакция, должен осуществиться перенос реагентов из одной фазы к поверхности раздела фаз или в объём другой фазы. Перенос вещества происходит в результате диффузии, абсорбции, адсорбции, испарения и т.п. Гетерогенные процессы протекают на поверхности соприкосновения реагирующих фаз.

При анализе гетерогенных процессов выделяют два случая. В первом случае скорость химической реакции больше скорости диффузии, следовательно, диффузия будет лимитирующей стадией, и процесс протекает в диффузионной области. Во втором случае скорость химической реакции мала по сравнению со скоростью диффузионных процессов, и лимитирующей стадией будет химическая реакция. Такие гетерогенные процессы протекают в кинетической области.

Итак, гетерогенные процессы протекают в несколько стадий. Скорости отдельных стадий могут существенно различаться и по-разному зависеть от изменения параметров технологического режима. Например, температура неодинаково влияет на скорости химической реакции и диффузии.

Под скоростью гетерогенного химического процесса понимают количество одного из реагентов или продуктов реакции, которое прореагирует или образуется в единицу времени на единице поверхности раздела фаз:

где i – стехиометрический коэффициент i -го реагента или продукта; F – реакционная поверхность.

Уравнение скорости гетерогенного ХТП можно записать и следующим образом:

где К – коэффициент массопередачи (зависит от химической природы и физических характеристик реагентов, их агрегатного состояния, гидродинамики процессов, конструкции реактора и др.); F _уд – удельная поверхность контакта фаз, приходящаяся на единицу объёма или массы; ΔС – движущая сила процесса (разность концентраций, давлений).

Для увеличения скорости гетерогенных процессов необходимо:

· увеличивать поверхность контакта фаз (независимо от области протекания процесса);

· увеличивать движущую силу процесса (независимо от области протекания процесса);

· увеличивать коэффициент массопередачи.

11. Гетерогенные некаталитические процессы в системе «газ-твердое тело»: модель с фронтальным перемещением зоны реакции, ее характеристика.

Согласно этой модели химическая реакция протекает на внешней поверхности частицы. Зона реакции постепенно продвигается внутрь частицы с образованием твердых и газообразных продуктов реакции. В произвольный момент времени твердая частица представляет собой внутреннее ядро, окружённое внешней оболочкой.

Гетерогенный процесс, описываемый моделью с фронтальным перемещением зоны реакции, можно разделить на пять элементарных стадий:

1) внешняя диффузия – подвод газообразного реагента А из потока газа к поверхности твёрдой частицы;

2) внутренняя диффузия – проникновение газообразного реагента через поры твёрдого продукта реакции (золы) к ядру твёрдого реагента;

3) собственно химическая реакция на поверхности непрореагировавшего ядра;

4) внутренняя диффузия газообразных продуктов реакции через слой твёрдых продуктов (золы) обратно к поверхности частицы;

5) внешняя диффузия газообразных продуктов реакции через пограничный слой газа в основную массу газового потока.

Любая из этих стадий при определённых условиях может оказаться лимитирующей. Если лимитирующей является внешняя диффузия, то процесс протекает во внешнедиффузионной области. Если лимитирующей является внутренняя диффузия, то процесс протекает во внутридиффузионной области. Если лимитирующей является химическая реакция, то процесс протекает в кинетической области. Если скорости диффузии и химической реакции соизмеримы, то процесс протекает в переходной области.