Особенности гетерогенного процесса

К особенностям гетерогенного процесса можно отнести:

1. имеется перенос вещества их фазы в фазу;

2. процесс состоит из ряда последовательных этапов (стадий);

3. из-за этих особенностей усложняется составление математического описания. Должна быть отражена макрокинетика процесса, т.е. должен быть отражен тот факт, что на общую скорость гетерогенного процесса влияют скорость отдельных стадий. Это учитывается в коэффициенте скорости (коэффициенте массопередачи) в уравнении скорости для гетерогенного процесса

где – поверхность контакта фаз, – движущая сила процесса.

В каждом конкретном случае уравнение (1) принимает вид в соответствии с характером движущей силой ,способами выражения , факторами влияющими на константу скорости . Увеличение движущей силы процесса достигается повышением концентрации реагирующих веществ, проведением его при оптимальной температуре и давлении и т.п. Развитие межфазной поверхности достигается совершенствованием конструкций реакторов, а также изменением гидродинамической структуры потоков в аппарате. Увеличение коэффициента достигается повышением турбулентности взаимодействующих фаз, в результате которого происходит уменьшение диффузионных сопротивлений и непрерывное обновление межфазной поверхности (это характерно для процессов в диффузионной области). Для процессов в кинетической области увеличение достигается повышением температуры до оптимального значения и применением катализатора.

Для гетерогенных процессов (для двухфазной системы) ,

где - константы диффузии реагентов и продуктов; скорости прямой, обратной и побочной реакций; - коэффициенты диффузии реагентов и продуктов; S – коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела фаз; - коэффициенты вязкости фаз; - плотности реагентов; - линейные скорости потоков; - геометрические характеристики аппарата или его основных деталей (соотношение диаметра и высоты аппарата, мешалки, насадки и т.п.)

Эта зависимость может быть упрощена в результате исключения ряда определяющих факторов для процессов в диффузионной и кинетической области.

Лимитирующую стадию процесса обычно определяют опытным путем. Так, например, если суммарная скорость процесса возрастает с повышением температуры в соответствии с законом Аррениуса () и температурный коэффициент , то определяющей стадией является реакция и процесс идет в кинетической области. Если же суммарная скорость процесса возрастает с увеличением скоростей потоков реагирующих фаз или с развитием межфазной поверхности, то определяющей стадией служит массообмен между фазами. В этом случае процесс идет в диффузионной области.

Если интенсивности отдельных этапов соизмеримы, то говорят, что процесс идет в переходной области.

Изучение конкретных гетерогенных процессов обычно проводят по следующей схеме:

1. Рассматривается общая схема процесса (физическая картина явления, её основные элементы);

2. Определяется структура процесса, т.е. выделяются составляющие процесса и устанавливается их взаимодействие, представляется распределение веществ в объеме;

3. Исходя из структуры процесса на основе уравнений материального и теплового баланса составляется математическая модель процесса - уравнения, необходимые для расчета процесса;

4. С помощью математической модели проводится анализ гетерогенного химического процесса, рассматриваются лимитирующие стадии, режимы процесса;

5. Определяются пути интенсификации процесса.