План: Стадии гетерогенного хтп скорость гетерогенного хтп общие принципы интенсификации гетерогенных хтп

Скорость гетерогенного ХТП
Поскольку гетерогенный ХТП является сложным, многостадийным, то общая его скорость (ω) будет зависеть от скоростей каждой из стадий и будет выражаться уравнением
(2.108)
где к - коэффициент скорости процесса; F - площадь поверхности контакта фаз; ∆С -движущая сила процесса. По сути это выражение является уравнением масопередачи. В нем коэффициент скорости процесса является сложной величиной, которая учитывает диффузионные и кинетические явления, которые существуют в гетерогенном процессе. Величина, обратная к коэффициенту скорости - 1/к, характеризует сопротивление системы ходу гетерогенного процесса
(2.109)
где к_д - константа скорости диффузионных стадий процесса (константа масопередачи); 1/к_д - диффузионное сопротивление процесса; к_р - константа скорости химической реакции; 1/к_р - кинетическое сопротивление процесса.
Но диффузия может происходить как в передающей, так и в принимающей фазах, поэтому в общем случае
(2.110)
где к_д1 - константа скорости диффузии в передающей фазе; 1/к_д1 - диффузионное сопротивление передающей фазы; к_д2 - константа скорости диффузии в принимающей фазе; 1/к_д2 - диффузионное сопротивление принимающей фазы.
Итак, скорость гетерогенного ХТП описывается таким общим уравнением:
(2.111)
В реальных гетерогенных ХТП скорости отдельных стадий, преимущественно, существенным образом отличаются. Очевидно, что результирующая скорость всего процесса будет определяться ходом самой медленной стадии, которая называется лимитирующей стадией процесса.
Если самыми медленными являются диффузионные процессы (соответственно /, II, IV или V стадии гетерогенного ХТП), то он лимитируется диффузионными явлениями; поэтому говорят, что процесс происходит в диффузионной области. При этом, если медленнее всего происходит диффузия в передающей фазе (/ или V стадия), то процесс проходит во внешнедифузионной области. Если же медленными будет диффузия в объеме принимающей фазы (// или IV стадия), то процесс происходит во внутридиффузионной области.
В случае, когда самой медленной стадией является химическое взаимодействие (III стадия), процесс проходит в кинетической области, так как зависит от кинетических факторов. Бывает, что скорости всех стадий являются соизмеримыми, т.е. одного порядка. Тогда считают, что процесс происходит в переходной (смешанной) диффузионно-кинетической области. В этом случае общая скорость процесса равняется сумме скоростей всех стадий и для нее правильным является уравнение (2.111).
Определение области хода гетерогенного ХТП является очень важной технологической задачей, так как дает возможность выбрать средства его интенсификации и подобрать соответствующее технологическое оборудование. Область пртекания конкретного процесса чаще всего определяют экспериментально по характеру влияния разных факторов на скорость или коэффициент скорости процесса. К таким факторам относится температура, линейная скорость движения потока передающей фазы, размеры частичек принимающей фазы. Исследования выполняют, изменяя значение лишь одного параметра при постоянных значениях других.
Изменение температуры применяют для установления кинетической области протекания процесса. Следует заметить, что повышение температуры может одновременно влиять на разные по сути процессы: кинетические (химическое взаимодействие между веществами) и диффузионные. Влияние температуры на скорость химического взаимодействия можно оценить по уравнению Аррениуса (2.72).
В этом случае скорость процесса может возрастать вследствие увеличения константы скорости химической реакции. Константа скорости может увеличиваться вследствие роста скорости диффузионных стадий процесса, который, в свою очередь, объясняется уменьшением вязкости среды.
Именно по влиянию температуры на интенсивность кинетических или диффузионных явлений различают области протекания гетерогенного процесса.
Если проанализировать влияние температуры в очень широком диапазоне ее значений на скорость гетерогенного процесса, то можно выделить три характерных участка (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Зависимость скорости гетерогенного ХТП от температуры Области хода процесса: /- кинетическая; II- переходная; III- диффузная
На первой наблюдается резкий рост скорости процесса с повышением температуры: так как, процесс лимитируется химическим взаимодействием. При увеличении температуры на 10 град, коэффициент скорости процесса, который в этом случае отвечает константе скорости химической реакции, возрастает в 2.,.4 раза. Увеличение коэффициента скорости реакции вследствие интенсификаций диффузии сравнительно незначительно (на 10...30 %), итак, первый участок отвечает кинетической области процесса:
соответственно 
Третий участок отвечает температурному интервалу, в котором прирост температуры незначителен или и вообще не влияет на скорость процесса. В этой области скорость процесса зависит лишь от изменения физических параметров среды, прежде всего, вязкости. Уменьшение ее приводит к увеличению коэффициента диффузии компонентов системы. Поэтому эту область называют диффузионной. Температурный коэффициент в диффузионной области равняется 1,1. ..1,3, т.е.
(2.112)
На втором, промежуточном, участке влияние температуры на скорость гетерогенного ХТП наименьшая, увеличение температуры уже не составляет такого весомого прироста скорости, как в кинетической области. Объясняется это тем, что сопротивление всех факторов ходу процесса становится соизмеримым. Значение температурного коэффициента в этой области равняется 1,3. ..2.
Изменение скорости движения передающей фазы (скорости потока) относительно принимающей фазы применяют для выявления внешнедиффузионной области процесса. При увеличении скорости движения потока происходит его турбулизация, вследствие чего интенсифицируются диффузионные явления в этой фазе за счет уменьшения толщины ламинарной приграничной пленки со стороны более подвижной фазы. Соответственно константа скорости диффузии в передающей фазе, которая зависит от толщины приграничной пленки δ, возрастает (так как k_D1=D/δ). При этом как диффузия реагента в принимающей фазе, так и скорость химического взаимодействия остаются неизменными. Графическая зависимость скорости гетерогенного ХТП от линейной скорости потока приведена на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Зависимость скорости гетерогенного ХГП от линейной скорости движения передающей фазы. Области протекания процесса: I- внешнедиффузионная;II — переходная; III — кинетическая
Участок на кривой, где наблюдается наибольшее влияние скорости потока на скорость процесса, принадлежит внешнедиффузионной области. Именно здесь наблюдается резкое уменьшение толщины приграничной пленки. Во второй области влияние скорости потока меньше, так как толщина пленки становится все меньше - эта область отвечает переходной, а та, где увеличение значения аргумента при постоянной температуре почти не влияет на ход гетерогенного ХТП (изменения толщины ламинарного слоя практически нет), - кинетической. В третьей области скорость процесса можно увеличить лишь повышением температуры.
Конкретизировать, в какую диффузную область - внутреннюю или внешнюю -переходит гетерогенный ХТП при росте температуры (рис. 2.21), можно, увеличивая линейную скорость передающей фазы. Если при постепенном ее увеличении в диффузионной области наблюдается рост общей скорости процесса (рис. 2.22), то это является подтверждением того, что он происходит в внешнедиффузионной области. При этом температурные интервалы существования отдельных областей не изменяются.

Рис. 2.22. Зависимость скорости гетерогенного процесса от температуры и линейной скорости потока - Области хода процесса: 1- кинетическая;II - переходная; III – диффузионная
Иногда увеличение линейной скорости приводит к изменению характера кривой - кинетическая область существует и при высших значениях температуры (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Зависимость скорости гетерогенного процесса и температурных границ существования определенных областей его хода от температуры и скорости потока  Области протекания процесса: I- кинетическая; II - переходная; III - диффузионная
При этом видно, что все три области смещаются в сторону высших температур, а диапазон существования кинетической области расширяется. Это означает, что изменением скорости движения фаз процесс можно перевести из диффузионной в кинетическую область, т.е. создается возможность в дальнейшем интенсифицировать процесс повышением температуры.

Рис. 2.24. Зависимость скорости гетерогенного ХТП от размеров частичек принимающей фазы. Области протекания процесса: I- внутридиффузионная;II- переходная; III- кинетическая
По влиянию размеров частичек принимающей фазы на скорость процесса определяют наличие внутридиффузионной области. Очевидно, если самой медленной стадией гетерогенного ХТП есть диффузия реагента или продукта через слой принимающей фазы (твердой частички, капли жидкости), то с увеличением ее размеров (радиуса) процесс будет замедляться, так как время, необходимое для проникновения реагента вглубь частичек или для обратной диффузии продукта, будет возрастать. Исследование для определения внутри-диффузионной области осуществляют при тех же температурах и скоростях потока, когда дальнейшее их увеличение уже не влияет на скорость гетерогенного процесса. Результаты исследований представляют в виде графика зависимости скорости процесса от величины, обратной радиусу частички - 1/R (рис. 2.24).
Если на этой зависимости можно выделить участок, где наблюдается существенный прирост скорости процесса с уменьшением размеров частички, соответственно, с увеличением величины 1/R (рис. 2.24), то в системе лимитирующей стадией является внутренняя диффузия, т.е. процесс происходит во внутри-диффузионной области.