Принцип интенсивности процесса

Интенсивность любого единичного элемента, входящего в химико-технологическую систему (ХТС), является составляющей производительности всей системы и, следовательно, будет определять экономическую эффективность ее функционирования. Интенсивность определяется скоростью данного процесса. Изменение интенсивных*) параметров с целью увеличения скорости процесса называ­ется интенсификацией. В обобщенном виде скорость любого процесса может быть представлена как отношение:

Скорость = К(движущая сила/ сопротивление), (3.1)

где К - коэффициент пропорциональности (коэффициент интенсивности).

Движущая сила представляет собой разность потенциалов, характерных для данного процесса, и выражает степень удаленности системы от состояния равновесия. Для массообмена в пределах одной фазы движущей силой будет разность концентраций вещества, которая выравнивается, в процессе. В случае теплообменных процессов - разность температур. Разность давлений может служить движущей силой для производства механической работы двигателя или турбины.

Сопротивление в уравнении (3.1) также является характеристической величиной для данного процесса. Это могут быть пленки, через которые происходит диффузия; слой образовавшегося продукта.

Для химической реакции с сопротивлением связана величина энергии активации.

Таким образом, составляющие уравнения (3.1) будут определяться характером протекающего процесса. Это могут быть: химическое взаимодействие, массопередача, теплопередача и Т.д.

Эти процессы протекают и параллельно, и последовательно.

Предполагается, что в стационарном состоянии скорость процесса будет определяться наиболее медленной стадией. Рассмотрим несколько примеров:

а) в процессе синтеза аммиака скорость будет лимитироваться

хемосорбцией азота на активных центрах катализатора (кинетическая область);(катализатор)

б) на стадии окисления аммиака до NO - диффузией аммиака из объема потока к поверхности платинового катализатора (внешняя диффузия увеличение объемной скорости);

В) в процессе обжига серного колчедана - диффузией кислорода через слой образовавшегося оксида железа (внутридиффузионная область-дробление);

при конверсии метана водяным паром - подводом тепла к поверхности расположенного в трубках катализатора, Т. Е теплопередачей

Способы интенсификации перечисленных процессов будут определяться лимитирующей стадией. При этом необходимо увеличивать движущую силу процесса и уменьшать сопротивление. Большая часть процессов химической технологии являются гетерогенными.

Скорость (r) любого гетерогенного процесса может быть описана

уравнением:

r ==KF·(C - С*), (3.2)

где К - константа скорости гетерогенного процесса, определяемая

соотношением коэффициентов интенсивности кинетических

и диффузионных стадий; F - поверхность контактафаз;

С и С* - текущая и равновесная концентрации.

Для увеличения движущей силы процесса используются следующие приемы:

1. Увеличение концентрации реагирующих веществ. При этом

возрастает скорость и химических, и диффузионных стадий.

2. Повышение давления в процессах с участием газовой фазы.

3. Вывод продуктов из сферы реакции.

4. Применение противотока веществ.

5. Проведение процесса вдали от состояния равновесия, Т.е. с

большими объемными скоростями (малым временем контактирования).

Проиллюстрируем сказанное выше на примере производства

аммиака: N 2 + 3Н2 =2NНз.

Для увеличения движущей силы процесса необходимо также уменьшать равновесную концентрацию компонентов. С этой целью используют все существующие способы смещения равновесия:

а) понижение температуры в экзотермических процессах, а в эндотермических - ее повышение;

б) увеличение давления в процессах, протекающих с уменьшением числа молей, и, наоборот, его понижение при возрастании числа молей по мере протекания реакции;

В) вывод продуктов из сферы реакции.

Для снижения сопротивления в процессах массопередачи проводят турбулизацию газового потока, повышают линейную скорость, про водят измельчение твердой фазы.

Однако, существует целый ряд процессов, для которых высокая интенсивность приводит к нежелательным явлениям. Так, в сильно

экзотермических процессах она может привести к тепловому взрыву, как и для некоторых цепных реакций. Например, в реакциях с большой скоростью полимеризации значительное увеличение концентрации не позволит остановить процесс на получении полимера с определенной молекулярной массой. Для процессов абсорбции с одновременно протекающей экзотермической реакцией увеличение поверхности контакта приведет к резкому увеличению температуры, и,

соответственно, росту равновесного парциального давления р* поглощаемого компонента. При этом уменьшится движущая сила процесса: д= р - р*. Отсюда возникает необходимость поиска компромиссного решения, т.е. технологической соразмерности.