Закономерности проведения гетерогенных процессов

При протекании большинства промышленных ХТП, реагенты находятся в разных фазах. Такие процессы называют гетерогенными. В химической технологии наиболее распространены гетерогенные процессы, когда реагирующие вещества находятся в следующих сочетаниях фазовых состояний: газ-жидкость (Г-Ж), газ-твердое вещество (Г-Т), жидкость-твердое вещество (Ж-Т), газ-жидкость-твердое вещество (Г-Ж-Т).

Как правило, при проведении гетерогенных ХТП химическая реакция протекает на поверхности контакта фаз, к которой предварительно должны быть подведены реагенты. На скорость гетерогенных процессов влияет не только скорость химической реакции, но и скорость подвода реагентов к поверхности контакта фаз и скорость отвода продуктов реакции от нее. Условная поверхность контакта фаз находится внутри одной из фаз, и она в общем случае не совпадает с поверхностью раздела фаз. Глубина проникновения реагентов внутрь одной из фаз к поверхности контакта зависит от соотношения скоростей диффузии и реакции. При очень низкой скорости реакции процесс может протекать во всем объеме одной из фаз. Влияние физических процессов переноса вещества тем больше, чем выше скорость химической реакции. Стадию, скорость которой существенно меньше возможных скоростей других стадий, называют лимитирующей.

При наличии лимитирующей стадии наиболее эффективны те воздействия на процесс, которые изменяют скорость именно лимитирующей стадии.

В свою очередь, массопередача сама может протекать в несколько последовательных стадий. Так, для гетерогенного процесса с участием пористого твердого вещества (например, кокса) и газа (например, кислорода) можно выделить несколько элементарных стадий: 1) подведение путем диффузии реагирующих веществ () из потока к внешней поверхности твердого тела; 2) диффузия газообразных реагентов () в порах зерна твердого тела к его внутренней поверхности; 3) собственно химическая реакция (с образованием оксидов углерода); 4) диффузия продуктов реакции (СО, ) из внутренних областей твердого вещества к внешней поверхности; 5) диффузия продуктов реакции с внешней поверхности в поток.

Любая из этих стадий при определенных условиях может оказаться лимитирующей. Скорость процесса в целом и закономерности его протекания определяются скоростью лимитирующей стадии. Если лимитирующей является стадия 1 или 5, то процесс протекает во внешнедиффузионной области, т.е. общая скорость ХТП определяется скоростью диффузии реагентов или продуктов через пограничный слой газа или жидкости к внешней поверхности твердого вещества. Если скорость ХТП лимитирует 2- или 4-я стадия – процесс протекает во внутридиффузионной области, когда лимитирующей стадией является химическая реакция, - в кинетической области. При несущественном различии скоростей смежных стадий процесс протекает в соответствующих переходных областях.

Лимитирование важно учитывать как при описании процессов, так и при выборе наиболее эффективных приемов, их интенсификации и управления ХТП. Для эффективного воздействия на процесс необходимо определить лимитирующую стадию, т.е. выяснить область протекания ХТП, а затем воздействовать именно на лимитирующую стадию.