4.2.7.1. Методы интенсификации гетерогенных процессов

Переписывая реакцию (4.7) в соответствии с основным требованием к любому ХТП: достижение максимальной производительности, получаем

(4.13)

где G – количество полученного продукта, кг или м³.

В соответствии с уравнением (4.13) для интенсификации ХТП (см. подраздел 2.2.) необходимо повышать С, увеличивать коэффициент массопередачи К и поверхность соприкосновения веществ F, находящихся в разных фазах.

Увеличение С. Для увеличения С, равной разности между действующей концентрацией вещества в передающей фазе С_д и равновесной концентрацией этого вещества на границе раздела фаз С_р, повышают С_д или старается снизить С_р.

Для увеличения С_д стараются применять более концентрированное сырье (обычно это достигается обогащением сырья), а если реакция идет с участием газовой фазы, то увеличивать давление, что равнозначно повышению концентрации вещества в газовой фазе. Так, уголь горит в чистом кислороде гораздо быстрее, чем на воздухе, который содержит только 21% кислорода.

Увеличение давления является эффективным способом повышения С, особенно для систем Г-Ж, т.к. в этом случае

где р_Г – парциальное давление исходного газообразного компонента в газовой фазе,

р^* - равновесное давление исходного реагента у поверхности жидкости.

При повышении давления процесса р_Г увеличивается, а р^* остается постоянным, следовательно растет также С.

Вывод продуктов из сферы реакции также является эффективным способом увеличения С и широко используется в самых разнообразных ХТП. При выводе продуктов реакции из зоны реакции уменьшается объем реакционной смеси, а С_Г (или р_Г) соответственно увеличивается. Так, например в реакции

СаСО₃⇄СаО+СО₂

вывод СО₂ из зоны реакции ведет к увеличению DС, и реакция становится практически необратимой.

Для уменьшения С_р нужно знать, как влияет температура на равновесие, и соответствующим образом ее менять: понижать при экзотерических и повышать при эндотермических реакциях. Этот прием широко применяется в абсорбционных процессах. Так для очистки азотоводородной смеси в производстве аммиака от примесей СО₂ и СО применяют реакции:

СО₂ + К₂СО₃ + Н₂ ⇄ 2КНСО₃ + Q

CO + NH₃ +[Cu(NH₃)₂]⁺Aц ^- ⇄ [Cu(NH₃)₂CO]⁺Ац ^- +Q,

где Ац = СН₃СОО

Увеличение давления и уменьшение температуры ведет к увеличению С (концентрация С_д возрастает, а С_р – падает) и повышению степени абсорбции СО₂ и СО. При нагревании полученных растворов и снижении давления происходит десорбция растворенных примесей, что позволяет легко регенерировать абсорбент и обеспечить цикличность процесса.

Рост С за счет снижения р* (при уменьшении температуры) н а практике осуществляется редко, т. к. при снижении температуры резко уменьшается константа скорости реакции (согласно уравнению Аррениуса) и общая скорость процесса.

_{По мере протекания реакции (Г – Ж) концентрация Сг (С = Сг – С*) уменьшается, соответственно снижается С, а также уменьшается общая скорость процесса, поэтому на практике в целях поддержания высокой скорости процесса его ведут при достаточно большом значении С, ограничивая время пребывания реакционной смеси в реакторе некоторым оптимальным значением опт. (см. рис.).}