Способы увеличения скорости процесса

В ряде процессов, особенно в технологии органических веществ, повышение температуры ограничивается возникновением побочных реакций с большим температурным коэффициентом, чем в основной реакции. При этом выход продукта может сильно снижаться еще до приближения к состоянию равновесия. Такой характер имеют кривые синтеза метанола, высших спиртов и многих других продуктов органического синтеза.

Сильное повышение температуры во многих производственных процессах оказывается вредным, так как приводит к удалению реагирующих веществ из зоны реакции, например за счет десорбции компонентов, из жидкой реакционной среды, или к уменьшению поверхности соприкосновения газов с твердыми веществами вследствие спекания в агломераты твердых зернистых материалов. Повышение температуры часто ограничивается термостойкостью конструктивных материалов, из которых изготовлены реакционные аппараты, а также затратами энергии на повышение температуры, особенно в эндотермических процессах. Таким образом, регулирование температуры необходимо для увеличения константы скорости к и повышения движущей силы процесса Дс. Оптимальные температуры процессов зависят от природы реагентов и концентрации их, степени превращения исходных веществ в продукты реакции, давления, по­верхности соприкосновения реагирующих фаз и интенсивности их перемешивания, наконец, для многих процессов от активности применяемых катализаторов.

2. Применение катализаторов сильно повышает константу скорости реакции, не вызывая изменения движущей силы процесса Ас.

Катализаторы ускоряют химические реакции вследствие замены одностадийного процесса, требующего большой энергии активации Е, двух- или более стадийным процессом, в каждой последовательной стадии которого требуется энергия активации, значительно меньшая, чем энергия активации одностадийного процесса.

Энергию активации каталитических реакций можно вычислить из уравнения Аррениуса. Однако для твердых катализаторов получается не истинная, а кажущаяся энергия активации, которая больше истинной на величину теплоты адсорбции реагирующих веществ (вещества А) на катализаторе. Катализаторы не ускоряют диффузионные процессы, поэтому их применение целесообразно только для процессов, идущих в кинетической области. Применение катализаторов во многих производствах ог­раничивается их нестойкостью в условиях необходимого техноло­гического режима, т.е. потерей активности при повышенных или пониженных температурах, а также вследствие действия приме­сей, содержащихся в исходных материалах.

3. Перемешивание увеличивает коэффициент массопередачи или константу скорости процесса вследствие замены молекулярной диффузии конвективной, т.е. снижения диффузионных сопротивлений, препятствующих взаимодействию компонентов. Следовательно, усиление перемешивания взаимодействующих веществ. Целесообразно применять для процессов, идущих в диффузионной области до тех пор, пока общая константа скорости процесса k не перестанет зависеть от коэффициентов переноса D, т. е. вплоть до перехода процесса из диффузнойной области в кинетическую.

Дальнейшее усиление перемешивания в проточных аппаратах снижает движущую силу процесса и скорость реакции.

Из трех рассмотренных направлений увеличения константы скорости процесса используют, прежде всего, то, которое ускоряет наиболее медленную стадию процесса.

Увеличение поверхности соприкосновения фаз в гетерогенных системах производится различно в зависимости от вида системы: Г-Ж, Г-Т, Ж-Т, Ж-Ж (несмешивающиеся) и Т-Т, а также от необходимого режима процесса, т.е. применяемых давлений, температур, концентраций реагентов, катализаторов и т.п. Способ создания поверхности соприкосновения опре­деляет конструкцию аппарата для данной агрегатной системы.

Во всех случаях стремятся увеличить поверхность более тяжелой (плотной) фазы - твердой в системах Г-Т, Ж-Т и жидкой в системе Г-Ж; более же легкая фаза во всех типах аппаратов омывает поверхность тяжелой фазы.