Общая характеристика. Некаталитические химические процессы с участием твердых веществ широко распространены в химической промышленности

Некаталитические химические процессы с участием твердых веществ широко распространены в химической промышленности, металлургии и др. Чаще всего они сопровождаются протеканием топохимических реакций между газообразным (или жидким) и твердым реагентами по общей схеме

А_Г(Ж) + В_Т = S_T + R_Г(Ж).

Поскольку закономерности процессов в системах Г—Т и Ж—Т аналогичны, ограничимся рассмотрением процессов в системе Г—Т.

К наиболее промышленно важным некаталитическим процессам в системе Г—Т относятся: обжиг сульфидных руд

2ZnS_T + 3О_{2 Г} = ZnO_T + 2SО_{2 Г};

4FeS_{2 Т} + 11О_{2 Г} = 2Fe₂О_{3 Т} + 8SО_{2 Г};

восстановление металлов

Fe₃О_{4 T} + 4Н_{2 Г} = 3Fe_T + 4Н₂О_Г;

хлорирование руд черных и цветных металлов, приготовление катализаторов, сжигание твердых топлив с образованием шлаков, производство керамики и огнеупоров, газовая коррозия металлов и сплавов и т.п.

Рассмотрим механизм процесса с типичной топохимической реакцией

А_Г + В_T = S_T + R_Г,

протекающей на пористом зерне. После некоторого начального периода, в течение которого образовался сплошной слой твердого продукта S, механизм протекания процесса может включать такую последовательность основных макростадий: 1) диффузия газообразного реагента А из ядра газового потока к внешней поверхности зерна; 2) диффузия реагента А в порах зерна к его внутренней поверхности; 3) диффузия реагента А через слой образовавшегося твердого продукта S к поверхности раздела фаз реагент В — продукт S; 4) собственно химическая реакция между реагентами А и В на поверхности раздела твердых фаз (реагент В – продукт S), называемой фронтом протекания реакции; 5) диффузия образовавшегося газообразного продукта R из зоны реакции через слой продукта R и внутренние поверхности пор; 6) диффузия продукта R в порах зерна к его внешней поверхности; 7) диффузия продукта R из внешней поверхности зерна в ядро газового потока.

Стадии 1) и 7) называются стадиями внешней, 2) и 6) – внутренней диффузии; 3) и 5) – стадии диффузии в твердой фазе, 4) – кинетическая.