В гетерогенном химическом реакторе исходные вещества и в общем случае, продукты находятся в разных фазах, разделенных поверхностью раздела фаз. Реакция, как правило, протекает в одной фазе или на поверхности раздела фаз.

Различают следующие типы гетерогенных процессов:

а) Г-Т: адсорбция, десорбция, возгонка, обжиг руд, окисление металлов, горение твердых топлив;

б) Ж-Т: адсорбция, десорбция, растворение, кристаллизация и др.;

в) Г-Ж: абсорбция, десорбция, испарение растворителя из раствора (кон центрирование) конденсация и др.;

г) несмешивающиеся жидкости (Ж-Ж) - экстракция, эмульгирование;

д) несколько различных твердых фаз (Т-Т) - спекание, перекристаллизация, многие процессы силикатной промышленности (получение цемента).

Для взаимодействия реагентов в гетерогенной системе необходим перенос вещества из одной фазы в другую. В этом случае характерно одновременное протекание химической реакции и процессов переноса.

Гетерогенный процесс включает несколько одновременно совершающихся последовательных этапов.

Рассмотрим процесс окисления углерода в потоке воздуха. Чтобы прошла химическая реакция: должны совершиться этапы:

1. подвод (диффузия) кислорода к поверхности твердой частицы углерода (совершается за счет разницы давлений кислорода в потоке воздуха и на поверхности , где оно меньше, так как кислород вступает в реакцию ;

2. химическая реакция;

3. отвод (диффузия) от поверхности твердой частицы в поток воздуха, так как образуется на поверхности, и там его парциальное давление выше, чем

.

Рис. 1. Схема процесса окисления углерода в потоке воздуха.

Если по реакции образуется не только газообразный, но и твердый продукт, то картина усложняется. Процесс складывается из 5 этапов, так как добавляются диффузия исходных газообразных реагентов и газообразных продуктов через слой твёрдого продукта.

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.