Гомогенный и гетерогенный катализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гомогенные процессы

1.1 Характеристика гомогенных процессов

Гомогенные процессы, т.е. процессы, протекающие в однородной среде (жидкие или газообразные смеси, не имеющие поверхностей раздела, отделяющих части системы друг от друга), сравнительно редко встречаются в промышленности. Чисто гомогенную систему получить трудно, так как любое вещество содержит примеси. Для многих промышленных процессов воздух считается гомогенной средой, а для процесса окисления аммиака тот же воздух из-за наличия в нем пыли, влаги считается гетерогенной средой. Исходное сырье всегда имеет примеси. Поэтому лишь условно можно принять за гомогенные те производственные процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. В гомогенных системах реакции проходят быстрее, чем в гетерогенных.

Осуществление и управление гомогенными процессами, протекающими в гомогенной среде, значительно облегчается. Аппаратура тоже проще. Поэтому многие промышленные гетерогенные процессы включают в качестве этапа гомогенный химический процесс в газовой или жидкой фазе. Для гомогенизации системы при проведении химической реакции в однородной среде в промышленности используют разные способы:

1. Поглощение газов, конденсация паров, растворение или плавление твердых материалов приводящей к получению жидкой среды, в которой быстрее протекают реакции.

2. Испарение жидкостей или выделение из них в газовую фазу нужных компонентов и проведение реакции в газовой фазе.

Например, в башенном методе получения серной кислоты после поглощения окислов азота гомогенно идет образование нитрозилсерной кислоты. В этом же способе используется и газовая реакция окисления двуокиси серы в трехокись при каталитическом действии газообразных окислов азота. Так проводятся многие реакции синтеза, разложения. Рассмотрим характеристики некоторых реакций.

Ассоциацией называется соединение некоторого числа одинаковых молекул в более крупные частицы. Ассоциация молекул происходит как в индивидуальных веществах в жидком и газообразном состоянии, так и в растворах. Например, газообразная двуокись азота в определенных условиях дает четырехокись.

NO₂ + NO₂ - N₂O₄ ,

что и используется при прямом синтезе концентрированной азотной кислоты.

Уменьшение температуры и рост давления и концентрации увеличивают степень ассоциации и, наоборот, при повышении температуры и снижении давления и концентрации полученный компонент диссоциирует, т. е. процесс является обратимым.

Полимеризацией называют процесс соединения большого числа молекул мономера в одну большую молекулу того же состава. Следовательно, при полимеризации не происходит выделения каких- либо побочных продуктов. К полимеризации склонны ненасыщенные соединения, имеющие двойные и тройные связи, а также и насыщенные соединения циклического строения. Полимеризация непредельных углеводородов идет с выделением тепла и уменьшением общего числа молекул в системе, т.е. с уменьшением объема, например,

nСН₂ = СН₂ >(-СН₂-СН₂-)_n

Поэтому повышение давления и понижение температуры способствует ходу процесса.

При деполимеризации происходит отщепление мономерных единиц от цепи макромолекулы. В промышленности широко используется гомогенная реакция диссоциации электролита на ионы. При высокой температуре диссоциирует и аммиак.

2NH₃ - N₂ + 3Н₂

Эта реакция в газовой фазе начинается при 900-1000°С.

Крекинг - метод деструктивной переработки, являющийся частным случаем пиролиза для жидкостей и газов.

Пиролиз - это термическая переработка горючих материалов при температуре 400-1500⁰С без доступа воздуха. При пиролизе в результате воздействия высоких температур органические вещества расщепляются с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов меньшего молекулярного веса, чем исходные.

Процессы крекинга углеводородов, полимеризации, да и многие другие химические реакции протекают по цепному механизму. Зарождение цепи происходит вследствие инициирующего действия некоторых высокоактивных веществ или света, высокой температуры и т. п. Развитие цепи протекает самопроизвольно. Цепные реакции затухают из-за обрыва цепи.

1.2 Гомогенные процессы в газовой фазе

Гомогенные процессы в газовой фазе широко применяются в технологии органических веществ. Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется, и затем его пары обрабатываются тем или иным газообразным компонентом: хлором, окислами азота, сернистым ангидридом и т. п. Значительное применение получил парофазный пиролиз, в котором химические реакции разложения осуществляются в паровой фазе, хотя процесс в целом относится к гетерогенным, поскольку химическим реакциям в паровой фазе предшествует испарение углеводородов.

Хлорирование углеводородов или их производных осуществляется при получении органических растворителей, ядохимикатов и разнообразных продуктов органического синтеза. В зависимости от применяемых средств инициирования различают следующие методы хлорирования: термическое, фотохимическое и каталитическое. Первые два метода - гомогенные. При термическом хлорировании энергия активации равна 20 ккал/моль. Процесс осуществляется при Т=250-400⁰С. Чем менее реакцинноспособны углеводороды, тем выше температура. При хлорировании метана последовательным замещением его водородных атомов получается смесь четырех производных

СН4 + С12 ^СН3С1 + НС1 Хлористый метил

СН3С1 + С12 ^СН2С12 + НС1

Хлористый метилен СН2С12 + С12 ^ СНС13 + НС1 Хлороформ СНС13 + С12 ^СС14 + НС1 Четыреххлористый углерод Изменяя условия процесса, соотношение исходных продуктов, режим хлорирования, можно направить реакцию в сторону преимущественного образования того или иного хлорпроизводного.

Фотохимическое хлорирование углеводородов осуществляется по цепному механизму с большой скоростью при невысоких температурах в жидкой или паровой фазе, и направление этой реакции часто бывает иное, чем при термическом хлорировании. Энергия активации фотохимического хлорирования равна 10-15 ккал/ моль.

Сульфохлорирование, т.е. одновременное действие сернистого ангидрида и хлора на предельные углеводороды (КН + S0₂ +С1₂ ^ R -S0₂Q + НС1), используется для производства моющих средств. Это типичная цепная реакция, которую действием ультрафиолетового света удается селективно направить в сторону образования сульфохлорида.

Интерес представляет получение хлористого винила высокотемпературным хлорированием этилена. В этом случае с повышением температуры выше 300⁰С реакция замещения водорода на хлор начинает преобладать над реакцией присоединения хлора по двойной связи, при этом получается хлористый винил с высоким выходом.

Гомогенно в жидкой или паровой фазе осуществляются и процессы нитрования. При парофазном нитровании исходные реагенты можно смешивать в любых соотношениях и процесс ведется при высоких температурах. При этом возрастает скорость реакции, более полно используется азотная кислота или окислы азота и резко снижается выход полинитросоединений.

1.3 Гомогенные процессы в жидкой фазе

Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, можно отнести к гомогенным процессы нейтрализации щелочи в технологии минеральных солей без образования твердой соли. Например,

получение сульфата аммония при взаимодействии аммиачной воды и серной кислоты. По такому принципу протекают и некоторые обменные реакции, идущие в растворах

КС1 +NN03 -- ШС1 +KNO3

В жидкой фазе получают простые и смешанные эфиры из спиртов, так, например, этилсульфат разлагают спиртом

С2Н50S020Н + СН3ОН --С2Н5ОСН3 +Н2S04,

происходит образование некоторых сложных эфиров, процессы гидролиза этилсерной кислоты и др.

В гомогенной среде идут и такие важные процессы, как получение

адипиновой кислоты:

3СбН_п0Н + 8НШ3 -- 3СбНю04 +7Н2О +8N0,

синтез метилового спирта в присутствии серной кислоты. Жидкофазная полимеризация в растворах применяется в производстве лаков и некоторых смол.

1.4 Основные закономерности гомогенных процессов

Гомогенные процессы, как правило, идут в кинетической области, т. е. общая скорость процесса определяется скоростью химической реакции, поэтому закономерности, установленные для реакций, применимы и к процессам, идущим в газовой и жидкой среде. С точки зрения кинетики, химические реакции можно классифицировать по молекулярности, т. е по числу молекул, принимающих одновременное участие в элементарном акте химического превращения, и по порядку реакции. Порядок реакции равен сумме показателей степеней при концентрациях реагирующих веществ в кинетическом уравнении реакции. Чаще всего порядок реакции не совпадает с ее молекулярностью. По молекулярности реакции подразделяются на моно -, би и тримолекулярные и по порядку - первого, второго и дробного порядка.

1. Одномолекулярные (мономолекулярным) реакции. К ним относятся:

- реакции внутримолекулярных перегруппировок А^Д, например, изомеризация, инверсия;

- реакции разложения А ^Д +Д'.

В виде примера можно указать крекинг этана С₂Н₆ ^ С₂Н₄ +Н₂

2. Двумолекулярные (бимолекулярные), в которых элементарный акт осуществляется в результате встречи двух одноименных (2 А) или разноименных (А+В) молекул исходных веществ. Бимолекулярные реакции в свою очередь можно подразделить на:

- реакции присоединения А +А --АА, А +В ^ АВ и разложения 2А^Д +Д'

- реакции замещения или обмена А +ВВ' ^ АВ + В'

- реакции двойного обмена АА' +ВВ' ^ АВ + А'В'

К бимолекулярным реакциям присоединения относятся присоединение атома или радикала к молекуле непредельного соединения и ассоциация насыщенных молекул. Например,

С₂Н4 +Н₂ ^С₂Н6, Н₂ +I2 ^2Н1

К реакциям замещения или обмена принадлежит большое количество реакций атомов и радикалов с различными молекулами. Типичная реакция двойного обмена в растворе

КС1 +NN03 ^№С1 + KNO3

3. Трехмолекулярные, где встречаются и вступают в химическое взаимодействие три молекулы, могут быть реакции присоединения, обменного типа и реакции рекомбинации.

3А ^Д, 2А +В ^Д +Д'... А +А' +В ^ Д +Д'....

Так протекает взаимодействие хлорного железа и хлористого олова в водном растворе

2РеС13 +SnQ2 -- 2РеСЬ + Snd4

Каждому из перечисленных типов реакций соответствует свое кинетическое уравнение, связывающее концентрации реагентов со временем.

Влияние концентраций реагирующих веществ определяется законом действия масс, который является основным законом химической кинетики.

Зависимость скорости химической реакции от температуры сильно изменяется при возрастании порядка реакции. С ростом концентрации исходных веществ скорость реакции до достижения равновесного выхода увеличивается тем сильнее, чем выше порядок реакции. Скорость реакции наиболее сильно зависит от концентраций тех реагирующих веществ, которые входят в наибольшем количестве в уравнения химических реакций. При этом скорость многомолекулярных реакций с повышением концентраций будет возрастать быстрее, чем скорость реакций более низших порядков. Для повышения концентраций реагентов в гомогенных системах применяются следующие методы:

- для газов: выделение из газовой смеси в более концентрированном виде, сжатие или сжижение, растворение газов для проведения реакции в растворе;

- для жидкостей: выпаривание, вымораживание, что позволяет получить раствор более насыщенный реагентами, или же дополнительный ввод реагента в раствор.

Давление влияет на увеличение скорости как прямой, так и обратной реакции пропорционально числу реагирующих молекул. Таким образом, давление влияет в основном через увеличение концентраций реагентов, что практически относится к реакциям, идущим в газовой среде, особенно с уменьшением объема. Давление на скорость реакций в растворах влияет очень мало.

Перемешивание ускоряет процессы, протекающие в диффузионной области вследствие замены медленной молекулярной диффузии быстрым конвективным переносом реагентов в зону реакции.

Типичные аппараты для проведения гомогенных процессов.

Для гомогенных реакций, проводимых в газовой среде, можно использовать реакционные аппараты простого устройства, в частности, полый объем без перемешивания (например, окислительный объем при окислении 2N0 +0₂--2N0₂) или с перемешиванием (например, печь с горелками при синтезе хлористого водорода).

Для процессов в жидкой фазе также используются реакционные емкости без перемешивания (баки, цистерны, котлы) и смесители с механическим (лопастные, пропеллерные и др. виды мешалок), пневматическим, струевым, центробежным и прочими видами перемешивания. Перемешивание обеспечивает не только получение однородных физических смесей, но и интенсификацию многих реакций и идущих при этом процессов тепло и массообмена. При работе под давлением применяют автоклавы.



2. Гетерогенные процессы

2.1 Характеристика гетерогенных процессов

Гетерогенные химические процессы основаны на реакциях между реагентами, находящимися в разных фазах. Химические реакции являются одной из стадий гетерогенного процесса и протекают после перемещения реагентов к поверхности раздела фаз, а в ряде случаев и через межфазную поверхность. Большинство промышленных химико-технологических процессов относится к гетерогенным. Огромное разнообразие гетерогенных процессов затрудняет их классификацию. В соответствии с принятой классификацией некаталитические гетерогенные процессы делят по фазовому состоянию реагентов на процессы в системах Г-Ж, Ж-Т, Г-Т и т.д. Механизм гетерогенных процессов сложнее гомогенных, так как взаимодействию реагентов, находящихся в разных фазах, предшествует их доставка к поверхности раздела фаз и массообмен между фазами. Поэтому скорость гетерогенных некаталитических процессов, как правило, меньше скорости гомогенных процессов.

Многие гетерогенные процессы не связаны с химическими реакциями и основаны только на физико-химических явлениях. К таким процессам можно отнести испарение без изменения состава, конденсацию, перегонку, растворение, экстракцию и т. п.

Химические гетерогенные процессы включают в качестве этапа химические реакции, которые идут в одной из фаз после перемещения туда реагентов или на поверхности раздела фаз.

Важными технологическими показателями промышленных процессов служат равновесный выход продукта, определяемый равновесием при данных условиях и фактический выход продукта, определяемый как равновесием, так и скоростью процесса. Определение максимального равновесного выхода продукта гетерогенных процессов и возможностей его повышения основано на анализе равновесия в данной гетерогенной системе. На гетерогенные равновесия влияют температура, давление, концентрации реагентов и продуктов реакции. Равновесие гетерогенных процессов определяется константой равновесия химических реакций, законом распределения компонентов между фазами и правилом фаз. Равновесные концентрации компонентов в соприкасающихся фазах определяются законом распределения вещества, который устанавливает постоянное соотношение между равновесными концентрациями вещества в двух фазах системы при определенной температуре.

Постоянство соотношений не нарушается при изменении начальной концентрации компонента или общего давления в системе. На законе распределения основаны такие промышленные процессы, как абсорбция газов жидкостями, десорбция газов, экстрагирование. Частные случаи закона распределения для равновесий в системе Ж - Г известны под названием законов Генри и Рауля. Равновесие фаз определяется правилом фаз. На основании правила фаз производят расчеты фазовых равновесий в различных гетерогенных системах и определяют количественный эффект изменения температуры, давления, концентрации реагентов.

Скорость гетерогенных процессов характеризуется величиной фактического выхода продукта или коэффициентом скорости процесса в кинетическом уравнении. Фактический выход продукта зависит от множества факторов как химических, влияющих на скорость химических реакций, так и физических и гидродинамических, влияющих на скорость массопередачи. Химическим факторами являются константы скоростей химических реакций. К физическим и гидродинамическим относятся величина межфазной поверхности, коэффициент диффузии и другие физические свойства реагентов и продуктов реакции, геометрические параметры аппаратов, факторы, влияющие на турбулентность системы.

Гетерогенные процессы, сопровождаемые химической реакцией могут быть трех типов:

1) когда химическая реакция протекает на поверхности раздела фаз, этот тип характерен для процессов с участием твердой фазы: Т-Ж, Т-Г, Г-Ж-Т и др.;

2) когда химические реакции протекают в объеме одной из фаз после переноса в нее вещества из другой, такие процессы наиболее распространены и могут идти с участием любых фаз в системах Г-Ж, Ж-Ж (несмешивающихся), Т-Ж, Г-Ж-Т и др.;

3) когда реакция происходит на поверхности вновь образующейся фазы, этот тип возможен для процессов взаимодействия твердых фаз.

Реакторы для проведения низкотемпературных некаталитических гетерогенных процессов не имеют характерных особенностей и аналогичны типовым аппаратам, в которых осуществляются физические процессы. Так, для процессов с участием газов и жидкостей (Г-Ж) применяется в основном колонная аппаратура: башни с насадкой или с разбрызгивающими устройствами, барботажные колонны, пенные аппараты. Процессы с участием жидких и твердых реагентов осуществляются в реакторах с различными перемешивающими устройствами: мешалками, пневматическим перемешиванием и др.

2.2 Процессы в системе газ-жидкость (Г-Ж)

Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких реагентов, широко используются в химической промышленности. К таким процессам относятся абсорбция и десорбция газов, испарение жидкостей, дистилляция и ректификация, пиролиз жидкостей с испарением продуктов пиролиза и т. п.

Абсорбцией называется поглощение газа (или компонента газа) жидкостью с образованием раствора. Абсорбция происходит при непосредственном соприкосновении жидкости и газа, причем газовые молекулы проникают в жидкость. В ряде случаев абсорбция сопровождается химическими реакциями в жидкой фазе. Такие процессы называются хемосорбционными. Абсорбционные и хемосорбционные процессы распространены и применяются в производстве серной кислоты, соляной, азотной, фосфорной кислот, аммиака и т.д.

Десорбция - процесс обратный абсорбции, заключается в выделении из жидкости растворенного в ней газа. В технике десорбция называется иногда отгонкой. При десорбции переход компонентов из раствора в газ происходит или вследствие нагревания жидкости, или в потоке инертного газа или водяного пара. Выделение компонента из жидкости в газ при нагревании происходит благодаря тому, что давление компонента над жидкостью становится выше, чем парциальное давление его в газе. Десорбция применяется в промышленности почти в таком же масштабе, как абсорбция, так как на практике абсорбцию часто комбинируют с десорбцией для получения в чистом виде поглощенного ранее газового компонента и регенерации поглотительного раствора. Десорбция применяется в производстве соды, в органическом синтезе, при концентрировании газов и т.п.

Испарение растворителя из растворов в химической технологии называется выпаркой. Этот же процесс называется концентрированием, например, концентрирование минеральных кислот и щелочей.

Конденсация - процесс, обратный испарению, это переход пара или газа в жидкость при охлаждении или сжатии газа. Конденсацию газовых компонентов из газовой смеси при умеренном или глубоком охлаждении в технологии называют сжижением газов. Процессы конденсации паров и газов применяются при химической переработке твердого топлива, в производстве фосфора, спиртов, аммиака, при освобождении газов от паров воды и т. п.

Перегонка жидких смесей - дистилляция и ректификации более сложные процессы и представляют собой различные сочетания испарения с конденсацией.

Процессы пиролиза часто сочетаются с ректификацией продуктов. Как правило, пиролиз и крекинг жидкостей происходит с участием не только жидкой и газообразной, но также и твердой фазы, так как наряду с жидкими и газообразными продуктами образуется сажа или кокс.

Полимеризация в газе с образованием относительно низкомолекулярных жидких полимеров применяется ограниченно. Так, например, получение жидких полупродуктов органического синтеза частичной (оборванной) полимеризацией газообразных олефинов. Полученные таким образом полупродукты применяются для производства синтетических смол и т. п. применяется ограничено

Равновесие в системе Ж-Г характеризуется правилом фаз, указывающим необходимое условия существования данного количества фаз, т.е. число параметров, характеризующих равновесие, законом распределения компонента между фазами и константой равновесия химических реакций. Для перечисленных процессов характерны, главным образом, двухфазные системы, содержащие один, два и более компонентов. Фазовое равновесие для этих систем изображается в виде диаграмм состав- свойство, чаще всего состав - температура кипения. Для хемосорбционных процессов, когда, например, растворенный газ реагирует с жидкостью, равновесие характеризуется при помощи константы равновесия химической реакции.

Расчеты к. п. д. связаны с равновесными соотношениями, хотя эта величина определяется в основном кинетикой процесса, так как фактическое количество поглощаемого или десорбируемого компонента зависит от скорости массопередачи. Абсорбционное равновесие можно сдвинуть в сторону увеличения растворимости газа понижением температуры, повышением концентрации поглощаемого компонента в газе или понижением давления. Поскольку десорбция является процессом обратным абсорбции, то и приемы сдвига десорбционного равновесия противоположны. Примером сдвига абсорбционного и десорбционного равновесия в сторону наибольшего выхода продукта (поглощенного или десорбированного газа) может служить очистка азотоводородной смеси от газообразных примесей перед синтезом аммиака.

При исследовании и описании абсорбционно-десорбционных процессов принято делить газы на хорошо, средне и плохо растворимые. Эта классификация учитывает скорость растворения их в жидкостях и концентрацию насыщенных растворов. К хорошо растворимым газам относятся быстро взаимодействующие с жидкостью, образующие с ней соединения, быстро диффундирующие внутрь жидкости от поверхности раздела. При абсорбции среднерастворимых газов скорости диффузии в газовой и жидкой фазах и химических реакций сопоставимы. Скорость абсорбции плохо растворимых газов определяется скоростью физико-химического взаимодействия с жидкостью или скоростью диффузии полученного соединения в жидкой фазе. В этом случае медленным актом является отвод продукта из зоны взаимодействия.

Методы интенсификации процессов абсорбции и десорбции зависят в частности от того, в какой области, диффузионной или кинетической, идет процесс. Если абсорбция идет в кинетической области, т.е. сопровождается химическими реакциями, скорость которых меньше скоростей диффузии, то основными методами интенсификации являются обычные приемы увеличения скорости химических реакций: повышение температуры, концентрации реагентов, давления, а также применение катализаторов.

Для ускорения абсорбционных процессов, идущих в диффузионной и переходной областях, применяют иные методы в соответствии с иным характером движущей силы и коэффициента скорости процесса. В этом случае основными методами интенсификации являются:

1) максимальное развитие поверхности контакта фаз;

2) турбулизация и интенсивное перемешивание потоков газа и жидкости для увеличения коэффициента массопередачи;

3) понижение температуры для уменьшения парциального давления;

4) повышение начальной концентрации поглощаемого компонента в газе или увеличение общего давления.

Данные приемы широко применяются на практике при поглощении газов жидкостями. Так, в производстве аммиака применяют высокие давления в процессе абсорбции примесей СО2 и СО из азотоводородной смеси, потому что в этом случае процесс очистки газа совмещается с его компримированием до высоких давлений, требуемых для синтеза аммиака.

Наиболее доступным приемом ускорения абсорбции является применение интенсивной аппаратуры, обеспечивающей высокое развитие поверхности жидкой фазы, турбулизацию газовой и хорошее перемешивание реагентов. Для этого применяют насадочные колонны, которые работают при интенсивном режиме, различные типы тарельчатых барботажных аппаратов, пенные аппараты и т.п. Интенсивность процессов в этих аппаратах дополнительно повышают, увеличивая скорости потоков реагирующих фаз.

2.3 Процессы в системе жидкость - твердое (Ж-Т)

Процессы с участием жидких и твердых реагентов служат основой многих химических производств. К таким процессам относятся адсорбция растворенных в жидкости веществ и десорбция их, растворение твердых веществ и кристаллизация из растворов, экстрагирование и выщелачивание, плавление твердых тел и кристаллизация из расплавов, полимеризация в среде жидких мономеров с образованием твердых полимеров и т. д.

Адсорбция растворенных веществ твердыми адсорбентами применяется в промышленности как для очистки растворов от примесей, так и для извлечения и переработки ценных растворенных веществ. Адсорбцией на активированном угле и других адсорбентах очищают нефтепродукты и смазочные масла, обесцвечивают воду, удаляя из нее органические примеси, разделяют сложные смеси растворенных веществ в производстве лекарств и т.п. Особенно важное значение как адсорбенты имеют высокомолекулярные и ионообменные смолы, при помощи которых ведут очистку воды, формалина, спиртов, вин, извлечение редких металлов.

Растворение твердых веществ в жидкости можно ориентировочно разграничить на физическое и химическое. Физическое растворение, при котором происходит лишь разрушение кристаллической решетки, обратимо, т.е. возможна обратная кристаллизация растворенного вещества. Этот тип растворения встречается в технологии минеральных удобрений и солей. На различной растворимости солей часто основано их разделение, этот прием применяется в производстве хлористого калия из сильвинита и карналлита, медного купороса. Химическое необратимое растворение сопровождается такого рода взаимодействиями растворенного вещества с растворителями или с химически активными веществами, присутствующими в растворе, при котором меняется природа растворенного вещества, и его кристаллизация в первоначальном виде невозможна. Характерным примером химического растворения является растворение металлов в кислотах при травлении поверхности металлов, при получении медного купороса из медных отходов.

Наибольшее применение в технике имеет избирательное растворение твердых веществ - экстрагирование или выщелачивание.

Экстрагированием или экстракцией называется разделение твердых или жидких смесей обработкой их растворителями, в которых компоненты смеси растворяются неодинаково. Экстрагирование из смеси твердых веществ производят различными растворителями: как органическими жидкостями (бензин, керосин, спирты, четыреххлористый углерод и т. д.), так и минеральными кислотами, щелочами и водой. Растворитель подбирается таким образом, чтобы в нем хорошо растворялся извлекаемый компонент, и слабо растворялись другие составные части смеси.

Экстрагирование из смеси твердых веществ (выщелачивание) широко применяется в гидрометаллургии, т. е. при мокром извлечении металлов и их соединений из руд, рудных концентратов и промышленных отходов. Экстрагирование применяется также в производстве минеральных солей и удобрений, в производстве пищевых продуктов, лекарств. При выщелачивании в качестве растворителя часто используется вода и щелока. Например, выщелачивание алюмината натрия в производстве глинозема методом спекания.

Процессы растворения, экстрагирования, выщелачивания на практике чаще всего сопровождаются кристаллизацией из растворов, т.е. выделением из раствора в твердом состоянии растворенных твердых веществ, их гидратов или новых соединений, полученных в результате химической реакции в растворе. Кристаллизация является способом разделения веществ, находящихся в водных растворах, а также очистки этих веществ. Кристаллизацию твердых веществ производят, применяя различные способы пересыщения растворов, в зависимости от этих способов различают несколько видов кристаллизации.

Политермическая кристаллизация осуществляется охлаждением насыщенных растворов и применяется для веществ, растворимость которых при повышенных температурах заметно выше, чем при низких.

Изотермическая кристаллизация, производимая испарением воды из растворов при постоянной температуре, используется для солей, растворимость которых мало зависит от температуры. В ряде случаев кристаллизацию производят введением в раствор веществ, понижающих растворимость основной соли. Такой тип кристаллизации называется высаливанием.

Разделение растворенных веществ проводят также осаждением из раствора основного компонента или примесей добавлением осаждающих реагентов. Осаждение реагентами также является кристаллизацией, поскольку оно связано с образованием пересыщенного раствора новой твердой фазы. Очистку твердых веществ производят перекристаллизацией, повторенной несколько раз. Однако перекристаллизация не всегда дает полную очистку из-за соосаждения примесей при кристаллизации основного вещества. Соосаждение происходит при наличии изоморфизма между компонентами, образования смешанных кристаллов в результате поверхностной адсорбции примесей образовавшимся осадком.

Кристаллизация из растворов - типовой процесс химической технологии, особенно характерный для производства солей, минеральных удобрений, гидрометаллургических процессов.

Плавление и кристаллизация из расплавов - это процессы физико-химического характера, с которыми тесно связана металлургия, производство стекла, электролиз расплавов.

Полимеризация в жидкой фазе происходит обычно в результате цепных реакций, для инициирования которых применяют нестабильные вещества типа перекисей. Образование из жидкости твердых полимеров, эластичных или стеклообразных имеет внешнее сходство с кристаллизацией. На получении твердых полимеров цепной полимеризацией ненасыщенных соединений в жидкой фазе основано производство синтетических каучуков, пластических масс, ионитов, синтетических волокон.

Поликонденсация - это химический процесс получения высокомолекулярных соединений из различных низкомолекулярных исходных веществ (мономеров), который сопровождается отщеплением побочных низкомолекулярных продуктов: воды, двуокиси углерода, аммиака, хлористого водорода. Этот метод так же широко распространен в промышленности, как и полимеризация. При помощи поликонденсации получают различные смолы - основа пластмасс (фенопласты, аминопласты), полупродукты для получения пленок, лаков.

Коагуляция (свертывание, сгущение) - это укрупнение частиц в коллоидных или дисперсных системах в результате слипания или слияния частиц под действием молекулярных сил сцепления. В результате коагуляции в коллоидных растворах происходит выпадение хлопьевидного осадка или образование сплошной структуры, застудневание всей жидкости. Коагуляция может быть вызвана различными приемами: изменением состава системы, температуры, добавлением коагулянта (раствора электролита). Коагуляция имеет большое значение для практики и применяется в водоподготовке, в производстве натурального и синтетического каучука (коагуляция латексов), в производстве пластмасс и синтетических волокон.

Равновесие в системе Ж-Т основано на правиле фаз и выражается при помощи диаграмм фазового состояния, определяющих зависимость состояния системы и фазовых равновесий в ней от ее состава или внешних условий. Анализ таких диаграмм позволяет определять равновесный выход продукта и условия максимального приближения реального производственного процесса к равновесию.

Для обратимых процессов между твердыми и жидкими реагентами подвижное равновесие можно охарактеризовать при помощи константы равновесия химической реакции в жидкой фазе.

Общими приемами интенсификации процессов растворения, выщелачивания, экстрагирования являются увеличение поверхности соприкосновения фаз измельчением твердого вещества, увеличением его пористости и полным омыванием поверхности кристаллов жидкостью, увеличение относительной скорости перемешивания твердой и жидкой фаз (перемешивание). Повышение температуры также может служить одним из наиболее эффективных приемов ускорения процессов растворения и выщелачивания, как в кинетической, так и в диффузионной области. Для процессов растворения, идущих в диффузионной области, преимущественным приемом интенсификации может быть интенсивное перемешивание, которое ускоряет диффузию, выравнивает концентрацию.

Поскольку в большинстве случаев процессы растворения и выщелачивания идут в диффузионной области, для их осуществления применяют реакционную аппаратуру, позволяющую увеличить относительную скорость перемещения растворяемого вещества и растворителя. Для этого пропускают жидкость через фильтрующий или взвешенный слой твердого материала, применяют различные способы перемешивания. Аппараты обогреваются или при помощи рубашек или при помощи внутренних змеевиков.

2.4 Процессы в системе газ - твердое (Г - Т)

Наиболее типичными технологическими процессами с участием газообразных и твердых реагентов (Г-Т) является адсорбция газов твердыми адсорбентами и десорбция адсорбированных газов, реакции компонентов газовой фазы с участием твердых катализаторов, возгонка и конденсация паров твердых веществ, пиролиз твердого топлива, различные виды обжига твердых материалов.

Адсорбция так же, как и абсорбция, является частным случаем сорбционных процессов, т. е. поглощения газов, паров или растворенных веществ из растворов твердыми или жидкими сорбентами. Адсорбция - это поглощение одного или нескольких компонентов из газа или раствора поверхностью твердого вещества, соприкасающейся с газом или жидкостью. Адсорбция тесно связана с поверхностными факторами и явлениями: удельной поверхностью адсорбента, поверхностным натяжением на границе адсорбент - газ, ориентацией молекул в поверхностном адсорбированном слое газа или жидкости. Различают физическую адсорбцию, при которой не происходит химического взаимодействия, и хемосорбцию, сопровождающуюся образованием поверхностных химических соединений адсорбента с адсорбатом.

Адсорбционные процессы широко применяются в химической промышленности. Адсорбция применяется при поглощении паров ценных летучих растворителей для их повторного использования (рекуперация растворителей) для очистки газов от загрязняющих примесей, для очистки воздуха от ядовитых веществ и т.п. Так же как в случае абсорбции, адсорбция газов и паров часто применяется в сочетании с десорбцией - для регенерации адсорбента и получения сорбированного газа в чистом виде.

Адсорбция газов на твердых телах имеет большое значение для гетерогенных каталитических процессов, в которых она предшествует химической реакции. Десорбция же продукта реакции с поверхности катализатора является последней стадией каталитического процесса.

Возгонкой, или сублимацией, называется испарение твердых веществ при нагревании, т. е. непосредственное превращение их из кристаллического состояния в пар, минуя стадию плавления. На практике возгонка обычно сочетается с последующей конденсацией возогнанных паров твердых веществ в кристаллы. Эти процессы применяются для получения металлов из руд или для очистки твердых веществ, обладающих невысокой температурой испарения. Таким путем очищают технический йод для медицинских целей, нафталин и его производные и т.п.

Пиролиз твердого топлива имеет туже сущность, что и жидкого. При расщеплении макромолекул твердого топлива образуется обогащенная углеродом твердая фаза (кокс) и газовая, содержащая пары углеводородов. В газообразных продуктах происходят сложные химические превращения, в результате которых образуются новые соединения. Различные виды пиролиза твердого топлива, прежде всего коксование каменных углей, служат основой отдельных отраслей промышленности, в частности коксохимической.

Обжигом называют многие высокотемпературные химико-технологические процессы с участием твердых и газообразных реагентов. При обжиге твердых материалов могут происходить разнообразные процессы, в том числе, возгонка, пиролиз, диссоциация в сочетании с другими химическими реакциями. Реакции могут протекать в твердой фазе, между компонентами твердой и газовой фаз и, наконец, в газовой фазе. Одним из основных физико-химических явлений, протекающих при обжиге твердых материалов, будет их термическая диссоциация, т. е. разложение молекул на более простые. Диссоциация твердых веществ сопровождается обычно образованием газообразных продуктов. Газовая фаза образуется при обжиге за счет возгонки, диссоциации или других реакций в твердой фазе.

В зависимости от состава, подаваемого на обжиг газа (дутья), происходят различные реакции между газом и твердым материалом. По типу этих реакций обжиг делят на окислительный и восстановительный. Характерный пример окислительного обжига - обжиг сульфидных руд в производстве цветных металлов и серной кислоты. Примером восстановительного обжига может служить металлургический доменный процесс, применяемый для выплавки чугуна из железных руд.

В процессах с участием газовой и твердой фаз взаимодействие происходит только на поверхности твердого реагента. В соответствии с этим в процессах, начинающихся с адсорбции, равновесие характеризуется законом распределения газового реагента между газовой и твердой поверхностью, а также адсорбционной способностью данного вещества при данных условиях. Эти закономерности определяют равновесную концентрацию газового компонента на поверхности твердого вещества.

Однако, если при физической адсорбции равновесие быстро достигается при низких температурах, то при хемосорбции, требующей значительной энергии активации, скорость процесса при низких температурах мала и возрастает при повышении температуры до оптимальной в соответствии с законом Аррениуса.

Важнейшим фактором увеличения равновесного и фактического выхода при адсорбции является максимальное развитие поверхности твердого адсорбента, а также применение адсорбентов, обладающих высокой адсорбционной способностью.

Для процессов, сопровождаемых обратимой химической реакцией между твердыми и газообразными реагентами, равновесные концентрации и равновесный выход продукта определяются при помощи константы равновесия, рассчитанной по концентрациям или парциальным упругостям газообразных реагентов и газообразных продуктов реакции. В тех случаях, когда реакция идет без изменения числа молей газа, равновесие зависит от температуры. Для взаимодействия твердых и газообразных веществ, происходящих с изменением числа молей газа, равновесие зависит также от давления в соответствии с принципом Ле-Шателье.

Газификация твердого топлива - гетерогенный высокотемпературный процесс, при котором органическая часть топлива превращается в горючие газы при неполном окислении кислородом воздуха, водяным паром или другими газами. Ход химической реакции газификации определяется свойствами топлива, составом реагирующего с топливом дутья, температурой, давлением и т. п. Газификация производится для получения из малоценного твердого топлива генераторных газов, которые являются беззольным транспортабельным топливом и сырьем для химического синтеза.

2.5 Процессы в бинарных твердых, двухфазных жидких и многофазных системах

К процессам, идущим с участием только твердых фаз (Т-Т), обычно относят спекание твердых материалов при их обжиге.

Спекание - это получение твердых и пористых кусков из мелких порошкообразных или пылевидных материалов при высокой температуре, не достигающей, однако, температуры плавления компонентов. При нагревании смеси твердых материалов шихты химические реакции могут идти как непосредственно между твердыми веществами и газом, так и между твердым веществом и жидкостью, образующейся при плавлении компонентов шихты. Фактические процессы в смеси твердых веществ: спекание, агломерация, применяемые в металлургии, в производстве вяжущих веществ идут, как правило, с участием жидкой или газовой фаз.

К технологическим процессам, происходящим с участием реагентов, находящихся в двух или более жидких фазах (Ж-Ж), относят экстрагирование как метод разделения жидких смесей, эмульгирование и деэмульгирование.

Экстрагирование основано на обработке жидких смесей растворителями, избирательными по отношению к отдельным компонентам. Экстрагирование целесообразно применять, когда смесь трудно или невозможно разделить ректификацией вследствие близости точек кипения, образования нераздельно кипящих смесей. Экстрагирование применяется при очистке нефтепродуктов, в производстве капрона, анилина и т. п.

Эмульгирование - это процесс получения эмульсий, т.е. дисперсных систем, состоящих из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых распределена в другой в виде мелких капель.

Деэмульгирование - обратный эмульгированию процесс разделения эмульсий на исходные жидкости. Эмульгирование применяется при производстве многих пищевых продуктов, лекарств, пигментов, для получения целого ряда важных высокополимеров методом эмульсионной

полимеризации. Примером деэмульгирования может служить обезвоживание нефти разрушением ее эмульсии с водой в переменном поле высокого напряжения при помощи ультразвука.

Многофазные процессы характерны для химических производств. В качестве типичных многофазных процессов можно назвать выплавку чугуна и стали в металлургии, где участвуют твердые, жидкие и газообразные фазы, карбонизацию аммиачно-солевого раствора в производстве соды, где при взаимодействии газовой и жидкой фаз образуется твердая фаза (бикарбонат натрия).

Скорость многофазных процессов определяется, как правило, взаимодействием между какими- либо двумя фазами, которое является наиболее медленным.

2.6 Высокотемпературные процессы и аппараты

Повышение температуры влияет на равновесие и скорость химико-технологических процессов, происходящих как в кинетической, так и в диффузионной области. Поэтому регулирование температурного режима процесса является наиболее универсальным средством увеличения скорости процесса, повышения выхода продукта.

Влияние температуры на процессы, идущие в кинетической области, зависит от теплового эффекта реакции^р.

Эндотермические обратимые реакции наиболее сильно интенсифицируются при повышении температуры. Так как при этом увеличивается равновесный выход согласно принципу Ле-Шателье и ускоряется реакция, т. е. уменьшается время, необходимое для достижения равновесия. Константа равновесия и равновесный выход продукта эндотермической реакции возрастают пропорционально тепловому эффекту, т. е. особенно благоприятно сказывается повышение температуры на реакции с наибольшим эндотермическим эффектом. Примером повышения равновесного выхода Хр с ростом температуры Т может служить эндотермическая реакция прямого синтеза окиси азота из элементов N2 + О2 ^2 КО - Q Для этой реакции

Т⁰ К 1810 2000 2200 2700 3000

Равновесная концентрация N0 Хр, об.% 0.37 0.59 0.98 2.31 3.57

Зависимость скорости химической реакции от температуры иногда характеризуют отношением констант скорости реакции при температурах, отстоящих друг от друга на 10⁰С. Это отношение в = к _Т+₁₀/к_Т называют температурным коэффициентом скорости реакции. Согласно известному правилу Вант- Гоффа, температурный коэффициент обычно равняется 2-4, т. е. при увеличении температуры на 10⁰С скорость реакции увеличивается в 2 - 4 раза. Это правило является приблизительным и применимо в определенных температурных пределах, главным образом в области средних температур (от 10 до 400⁰С) при энергиях активации порядке 15000 - 30000 кал/г-моль. Температурный коэффициент уменьшается с понижением энергии активации и с повышением температуры, приближаясь к единице в области высоких температур. В качестве примера, иллюстрирующего влияние температуры на увеличение скорости эндотермического процесса, идущего в кинетической области, может служить также термический крекинг нефтепродуктов. Время т, необходимое для получения 30% выхода бензина при термическом крекинге, уменьшается с увеличением t следующим образом:

t ⁰С 400 425 450 475 500

т ,мин 720 120 20 3 0.5

Увеличение температуры на 100⁰С ускоряет процесс в 1440 раз.

При проведении многих процессов повышение температуры служит основным способом увеличения скорости реакции и смещения равновесия. В промышленности при высоких температурах осуществляются многочисленные эндотермические реакции - термической диссоциации и расщепления молекул, восстановление металлов из окислов и других соединений, синтеза искусственных минералов и др.

Реакции диссоциации и расщепления молекул осуществляются во многих производствах. К ним относятся, например, диссоциация карбоната кальция в производстве соды, глинозема, цемента и других продуктов химической промышленности, расщепление молекул углеводородов в процессах коксования угля, крекинга жидких нефтепродуктов и т.п. По тем же причинам повышение температуры является чрезвычайно эффективным и незаменимым средством в эндотермических реакциях восстановления металлов из их окислов, в частности в производстве чугуна, стали, многих цветных металлов.

Экзотермические обратимые реакции, которые преобладают в химических производствах, интенсифицируются при повышении температуры только за счет увеличения константы скорости прямой реакции. В то же время равновесие экзотермических реакций сдвигается при повышении температуры в сторону исходных продуктов, т.е. уменьшается К и Хр. Скорость обратной реакции возрастает при повышении температуры начиная с некоторого предела, быстрее, чем прямой. В результате действительный выход продукта Х повышается с ростом температуры до некоторого предела, соответствующего оптимальной температуре. При повышении температуры выше оптимальной действительный выход снижается, так же как и равновесный.

Оптимальные температуры процессов зависят от природы реагентов и концентрации их, от степени превращения исходных веществ в продукты реакции, от давления, от поверхности соприкосновения реагирующих фаз и интенсивности их перемешивания, от активности применяемых катализаторов. Для разных процессов оптимальные температуры могут быть ниже нуля и превышать 1000⁰С. В одном и том же процессе, в зависимости от условий, оптимальная температура может изменяться на сотни градусов. Так, например, окисление SO2 в SO3 в гомогенной фазовой среде заметно происходит лишь при температурах близких к 1000⁰С. На окисном железном катализаторе оптимальная температура окисления находится в пределах 800 - 650⁰С, на ванадиевом - 600 - 400⁰С, а на платиновом катализаторе снижается до 350⁰С при высокой степени окисления.

При интенсивном перемешивании газовой или жидкой фаз массопередача совершается в основном в области не молекулярной, а турбулентной диффузии, которая обычно возрастает с повышением температуры вследствие усиления конвективных токов.

Наиболее медленна диффузия в твердой среде. Процессы диффузии подобно химическим реакциям связаны с необходимостью преодоления энергетического барьера и энергией активации. В случае химических реакций переходное состояние с максимумом энергии необходимо для распада молекул или образования новых химических связей, а в случае диффузии - для перехода, диффундирующего атома из одного положения в другое. гомогенный гетерогенный процесс катализ

Вследствие большего температурного коэффициента скорости реакции, чем диффузии, некоторые химико-технологические процессы (например, газификация топлива) при повышении температуры переходят из кинетической в диффузионную область.

Влияние температуры на фазовое состояние имеет значение для многих процессов химической технологии. Высокие температуры являются иногда единственным средством практического осуществления многих твердофазных процессов, которые при низких температурах и отсутствии жидкой фазы идут с малыми скоростями. К таким процессам относятся, например, спекание и сплавление в производстве керамики. вяжущих веществ, глинозема. Полное расплавление твердых реагентов, а также испарение жидких реагентов не только ускоряют процессы, но и улучшают другие условия производства. Перевод твердых регентов в жидкое состояние способствует перемещению реакционной смеси в аппаратах, ее гомогенизации и перемешиванию, упрощает контроль и управление процессом. Еще лучшие технологические условия достигаются в ряде процессов переводом реагирующих веществ в газовую фазу (испарением). Многие реакции, которые в жидкой фазе проводятся в несколько стадий, удалось осуществить прямым путем в газовой фазе на твердых катализаторах, применяя высокие температуры, например, прямая гидратация этилена и др.

Повышение температуры служит основным примером перевода гетерогенных систем в гомогенные. Скорость гомогенных процессов выше, чем гетерогенных (некаталитических) и управление реакциями, идущими в гомогенной среде значительно легче. Поэтому в химической технике часто применяют нагревание для растворения твердых реагентов в жидкостях или расплавлением твердых веществ.

При благоприятном влиянии на скорость химико-технологических процессов повышение температуры в практических условиях ограничено целым рядом технологических и экономических факторов, а именно: достижением равновесия экзотермических реакций, протеканием побочных реакций с образованием побочных продуктов, термической неустойчивостью реагентов и продуктов реакции, недостаточной термостойкостью конструктивных материалов и, наконец, расходом энергии на нагрев реагирующих компонентов. Положительное влияние температуры на течение обратимых экзотермических реакций ограничено снижением выхода при повышении температуры выше оптимальной. Это противоречие между скоростью и равновесием, ограничивающее применение высоких температур, характерно для промышленных процессов синтеза аммиака, конверсии окиси углерода, каталитического окисления S0₂ и т. д. Наряду с ускорением основной реакции повышение температуры иногда способствует ускорению побочных реакций, снижающих выход продукта. Это явление свойственно многим сложным реакциям, особенно процессам органической технологии. При каталитическом синтезе высших спиртов на основе синтез газа допустимый интервал температур составляет всего 10-20⁰С. При температурах ниже 160⁰С мала скорость основной реакции, а при нагревании выше 180⁰С сильно ускоряются побочные реакции.