ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Перенос вещества внутри зерен катализатора из "Катализ в производстве серной кислоты" Большинство промышленных катализаторов состоит из пористых зерен с развитой внутренней поверхностью, обычно в десятки тысяч раз превышающей внешнюю поверхность, непосредственно омываемую газовым потоком. Скорость переноса реагирующих веществ к этой внутренней поверхности оказывает поэтому особенно большое влияние на протекание контактных процессов. [c.73] Перенос реагирующих веществ и продуктов реакции внутри зерен может осуществляться только путем диффузии. Если диаметр пор превышает среднюю длину свободного пробега молекул (около 10- сл при атмосферном давлении, 10 сж при 300 ат), в порах происходит нормальная диффузия в соответствии с уравнением (1,49а). В более тонких капиллярах коэффициент диффузии снижается, так как диффундирующие молекулы чаще ударяются о, стенку капилляра, чем сталкиваются с другими молекулами. [c.73] прямо пропорционален диаметру капилляра коэффициент диффузии данного компонента не зависит от природы остальных компонентов газовой смеси. [c.73] Экспериментальное исследование миграции адсорбированной воды и аммиака в кристаллах цеолитов показало, что энергия активации поверхностной диффузии составляет от 40 до 90% теплоты адсорбции. Простой расчет показывает, что если значение энергии активации поверхностной диффузии достигает 0 ккал моль, что вполне вероятно для большинства контактных реакций, то скорость поверхностного перемещения адсорбированного вещества даже в самых тонких порах (10 см) будет меньше скорости объемной диффузии. Поверхностную диффузию поэтому не принимают во внимание при расчетах скорости переноса реагирующих веществ внутри зерен катализатора при контактных реакциях. Надо, однако, иметь в виду, что до сих пор нет прямых экспериментальных доказательств малой скорости поверхностной диффузии реагирующих веществ, адсорбированных на поверхности катализаторов. [c.74] При протекании контактной реакции реагирующие вещества перемещаются от наружной поверхности в глубь зерен катализатора, а продукты реакции в обратном направлении. Концентрации реагирующих веществ по мере углубления внутрь зерна уменьшаются, а конценграции продуктов реакции возрастают. Соответственно этому и скорость реакции, отнесенная к единице поверхности, внутри зерна меньше, чем у периферии. Быстрота уменьшения скорости реакции по мере удаления от наружной поверхности зерна зависит от величины константы скорости химической реакции, размера пор, коэффициента диффузии и формы кинетического уравнения. [c.74] Уменьшением скорости реакции в глубине зерна определяется степень использования внутренней поверхности катализатора. [c.75] Степенью использования внутренней поверхности катализатора мы будем называть отношение количества действительно прореагировавшего вещества к тому количеству, которое могло бы прореагировать, если бы концентрация реагирующего вещества вдоль всей внутренней поверхности была равна концентрации у наружной поверхности. [c.75] Чем больше тем быстрее снижается концентрация реагирующего вещества внутри капилляра и тем меньше, следовательно, степень использования внутренней поверхности катализатора. [c.76] Если катализатор имеет форму плоских пластинок, то средняя длина капилляров равна половине длины пластинки. [c.76] Кривая 2 на рис. 5 выражает зависимость С от ф =А1/ о для зерен катализатора сферической формы. [c.77] Величина (7о, очевидно, равна количеству реагирующего вещества, отнесенному к единице наружной поверхности зерен, деленному на долю свободного объема внутри зерен катализатора. Таким образом, зная суммарную скорость реакции, размер зерен и общую пористость катализатора, можно вычислить величину А) и рассчитать уменьшение скорости реакции внутри зерна. [c.78] Расчет несколько усложняется для очень тонких капилляров, диаметр которых меньше средней длины свободного пробега молекул газов. В этом случае. для того чтобы рассчитать коэффициент диффузии О, надо знать радиус капилляра. [c.78] Перенос тепла внутри зерен катализатора осуществляется за счет теплопроводности самого катализатора и газа, находящего-ся в его порах. [c.78] Благодаря тому что теплопроводность твердой части катализатора велика по сравнению с теплопроводностью газа, перенос тепла в зернах катализатора протекает с большой скоростью, и даже для быстротекущих реакций, сопровождающихся значительным тепловым эффектом, разность температур между централь ной и периферийной частями зерна невелика . [c.78] В результате изменения концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции в глубине зерен по сравнению с концентрацией у поверхности меняется зависимость наблюдаемой скорости реакции от концентраций реагирующих веществ в газовом потоке и от температуры. В соответствии с этим, в зависимости от соотношения между скоростью собственно химической реакции и скоростью переноса вещества, различают несколько кинетических областей, для которых справедливы различные кинетические уравнения. [c.78] Область условий, в пределах которой справедливо это равенство, называется областью химической кинетики (кинетической областью). В этой области кинетическое уравнение не испытывает искажений и величина энергии активации сохраняется постоянной. Степень использования внутренней поверхности катализатора в этой области близка к единице. [c.79] Область условий, в которой оправдывается указанная зависимость, называется внутренней диффузионной областью. [c.79] Очевидно, что при протекании процесса во внутренней диффузионной области степень использования поверхности катализатора меньше единицы и уменьшается с ростом параметра 4 -Как видно из уравнений (1,67) и (1,69), при достаточно больших значениях степень использования внутренней поверхности адтализатора С становится обратно пропорциональной 4 , так как Ш 4 - 1. Это наглядно видно и на рис. 5, где при больших значениях (область внутренней диффузии) кривые, выражающие зависимость С от переходят в прямые. [c.79] Значения параметра отвечающие началу внутренней диффузионной области, зависят от порядка реакции и лежат в пределах от 2 до 10. [c.79] Здесь индекс 1 отвечает тому компоненту, концентрация которого в глубине зерна становится близкой к нулю. [c.80] Вернуться к основной статье