ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Общие принципы интенсификации технологических процессов Защиты окружающей среды

Общие принципы интенсификации технологических процессов за­щиты окружающей среды сводятся к использованию кинетических и тер­модинамических факторов, эффективно влияющих на скорость процесса и выход продуктов взаимодействия.

Выбор факторов, воздействующих на кинетику процесса, должен за­висеть от того, в какой области (кинетической, диффузионной, переход­ной) он протекает и в какой степени ускоряет лимитирующую стадию в данных конкретных условиях его осуществления.

Так, для интенсификации процессов в кинетическом режиме целесо­образно изменять температуру, давление, концентрации реагирующих ве­ществ, использовать катализаторы, увеличивать поверхность взаимодейст­вующих веществ.

Повышение температуры приводит к значительному возрастанию константы скорости реакции и используется как мощный фактор интенси­фикации многих процессов.

Увеличение концентрации взаимодействующих компонентов дости­гается обогащением исходных продуктов процесса. Эту же роль выполняет повышение давления газообразных исходных продуктов реакции, обога­щение дутья кислородом в процессах горения. Если при этом одновремен­но осуществляется отвод продуктов взаимодействия из зоны реакции, то тем самым снижаются их концентрация и, следовательно, скорость обрат­ных процессов, что дополнительно увеличивает суммарную скорость про­цесса.

Сильным интенсифицирующим фактором гетерогенных реакций, протекающих в кинетической области, является повышение удельной по­верхности (дисперсности) исходных веществ. Общая скорость реакции в этом случае пропорциональна площади поверхности, на которой протекает взаимодействие.

Такая же цель достигается при увеличении степени однородности распределения веществ, их гомогенизации, что расширяет площадь кон­такта взаимодействующих фаз. Гомогенности добиваются механическим перемешиванием, вибрацией, ультразвуком, высоковольтными разрядами в жидкой среде и т. д.

Ускорение реакций за. счет использования катализаторов широко применяется в химической промышленности и обусловлено снижением энергии активации.

Процессы в диффузионной области интенсифицируют перемешива­нием взаимодействующих фаз, турбулизацией их потоков, что способству­ет ускоренному протеканию наиболее медленных в данном случае диффу­зионных стадий. Этого же достигают снижением вязкости и плотности среды, в которой осуществляется диффузия.

Для интенсификации процессов в переходной области необходимо использовать как кинетические, так и диффузионные факторы.

Как правило, кинетические стадии лимитируют процессы при низких температурах, а диффузионные - при высоких. В последнем случае может изменяться фазовый состав вещества (например, оно плавится или возго­няется, резко интенсифицируя скорость диффузии и процесса в целом). Таким образом, повышение температуры следует рассматривать не только как фактор, ускоряющий процесс в диффузионной области, но и как сред­ство перевода гетерогенной системы в гомогенную, а твердых фаз в жид­ко - и газофазные, что должно весьма существенно увеличить скорость превращений.

Выход конечных продуктов в технологических процессах в предель­ном случае, т. е. в положении химического равновесия, определяется кон­стантой равновесия и активностью исходных веществ, связанной с их кон­центрацией. В свою очередь, константа равновесия конкретной реакции зависит только от температуры.

В соответствии с принципом Ле Шателье выход продуктов реакции в эндотермических процессах будет увеличиваться при повышении темпе­ратуры, а также при возрастании давления, если объем газообразных про­дуктов реакции меньше, чем объем исходных, и при повышении концен­трации одного или нескольких исходных веществ. Во всех случаях время достижения равновесного состояния (максимального выхода продуктов реакции) сокращается с ростом температуры.

В промышленной практике для увеличения скорости процесса и вы­хода продуктов реакции используют одновременно несколько или боль­шинство из перечисленных факторов интенсификации.

Широкое развитие получили также факторы интенсификации, осно­ванные на использовании высокодисперсных материалов (факельная, взвешенная плавки и др.), барботажные технологии, многократно увеличи­вающие поверхности межфазового взаимодействия, повышение давления дутья и обогащение его кислородом, процессы вакуумирования, использо­вание богатых рудных концентратов, методы внепечной обработки рас­плавов металлов, т. е. практически все известные физико-химические фак­торы регулирования скорости и полноты протекания технологических пре­вращений.