title-icon
Яндекс.Метрика
» » Скорости гетерогенных реакций

Скорости гетерогенных реакций

Этот вид реакций характеризуется наличием поверхности раздела у реагирующих веществ. Ниже приведены часто встречающиеся в металлургии системы и примеры процессов.

В этих реакциях большое значение имеет поверхность веществ и ее изменения по мере хода реакции, например образование пленок из продуктов реакции, которые затрудняют доступ реагентов в зону реакции.
Из физики известно, что молекулы на поверхности жидкости находятся в особом состоянии, чем и вызывается явление поверхностного натяжения. Напряженное состояние поверхности жидкостей и твердых тел способствует ее взаимодействию с молекулами окружающей среды, их внедрению в поверхность и закреплению на ней. Такое воздействие распространяется на несколько слоев молекул. Толщина неподвижной пленки достигает 1—2 мкм. Последующие слои молекул закреплены слабее, но все же связаны с поверхностью твердого вещества в некую малоподвижную пленку толщиной 20—80 мкм. Считается, что перенос реагентов через эту пленку осуществляется диффузией и конвекцией. Таким образом, для гетерогенных процессов важными условиями ускорения процессов являются: большая поверхность соприкосновения реагирующих фаз; перемешивание для ускорения подвода реагентов к поверхности раздела (смывание пленки) или для разрушения твердых пленок продуктов реакции; повышение концентрации реагентов в растворе или давления газов, так как количество диффундирующею к поверхности раздела вещества увеличивается с ростом концентрации.
Для реакций в системе твердое — жидкость для количественной оценки влияния различных воздействий на ход реакции может служить следующее уравнение: v = DS (c0—сn) : nl, где D — коэффициент диффузии; S — поверхность раздела; c0 — концентрация растворителя в объеме; cn — концентрация растворителя на поверхности раздела; n — коэффициент, учитывающий свойства раствора, например вязкость, l — путь диффузии или толщину поверхностной пленки. Если химическая реакция на поверхности твердого вещества протекает быстро, то Cn снижается почти до нуля. В этом случае мы будем иметь чисто диффузионный процесс. При медленном протекании реакции процесс может протекать по законам химической кинетики.
На практике гетерогенные процессы чаще всего — диффузионные. Рассмотрим на основе приведенной формулы, как можно ускорить ход процесса, протекающего в диффузионном режиме, считая температуру постоянной. Коэффициент диффузии при постоянной температуре — постоянная величина. Поверхность раздела фаз зависит от количества твердого в единице объема и от крупности частиц. Содержание твердого в единице объема принято характеризовать отношением т : ж (твердое : жидкое). По условиям хорошего перемешивания отношение т : ж часто выбирают от 1 : 3 до 1 : 5, что дает разницу в 1,67 раза. Поверхность частиц находится в обратной зависимости от их крупности Выбирать крупность частиц можно в широких пределах — от 1,0 до 0,04 мм Более крупные частицы могут осаждаться в аппаратуре, в трубопроводах и осложнять работу. Слишком мелкие частицы трудно промывать, фильтровать. Кроме того, тонкое измельчение — дорогая операция. Выбор степени измельчения зависит еще и от физической характеристики частиц: пористые можно оставлять крупными, плотные надо измельчать.
Таким образом, помол дает возможность ускорить реакцию в 20—25 раз (от 1 до 0,04 мм). По мере хода процесса поверхность частиц вследствие их уменьшения сильно убывает и соответственно уменьшается количество растворяемого в час вещества. Замедление может быть вызвано и накоплением на поверхности частиц нерастворимого остатка или пленки из продуктов реакции, например CaWO4(тв) + 2NH4F(р) = (NH4)2WO(p) + CaF2(тв). По этой реакции из частиц вольфрамата кальция — шеелита получают раствор вольфрамата аммония. При этом на поверхности растворяемого шеелита образуется пленка фторида кальция. Чтобы производительность аппараты не снижалась, целесообразно вести процесс непрерывно, все время добавляя новые порции шеелита. Для разрушения пленки можно применять выщелачивание в шаровых мельницах. Шары, падая и перекатываясь, раскалывают и сбивают пленку, делают поверхность частиц снова доступной для растворителя. Концентрация растворителя изменяется в пределах 3—5 раз.
Вязкость растворов возрастает по мере накопления в них примесей в 1,5—2 раза. Специальными добавками можно увеличить вязкость растворов в 8—10 раз. Хотя этот путь и не кажется важным, за чистотой растворов надо следить и по другим соображениям: из загрязненных растворов выпадают осадки, забивающие трубопроводы и аппаратуру. Чистоту растворов поддерживают, выводя часть их в отделение очистки или переработки на товарные продукты.
Перемешивание уменьшает толщину малоподвижной пленки в несколько раз. Расход мощности на перемешивание в чанах на практике изменяют от 0,4 до 3 кВт/м3, т. е. примерно в 7 раз При выщелачивании в шаровых мельницах расход мощности достигает 10—12 кВт/м3. При большом расходе мощности значительно возрастает износ аппаратуры, перемешивающих устройств, потери растворов. Поэтому здесь можно рассчитывать на ускорение процесса в 2—4 раза. В итоге в предельном случае можно за счет правильного выбора режима ускорить процесс в 500—600 раз (1,7х20х4х1,5х3 = 612). Обычно вопрос о выборе режима работы решают во время проектирования нового предприятия. Однако известно много случаев, когда после освоения технологии производства заводским работникам удавалось повысить производительность цехов и заводов в 2—3, а иногда в 4—10 раз.

title-icon Подобные новости