ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Определение лимитирующей стадии процесса в гетерогенных системах из "Методы кибернетики в химии и химической технологии" Исследование кинетики гетерогенных систем начинают с установления лимитирующей стадии процесса. Химические процессы в гетерогенных системах могут протекать в областях кинетической, диффузионной и смешанной. [c.402] Химические процессы, протекающие в кинетической области, характеризуются тем, что скорость собственно химической реакции является наиболее медленной, лимитирующей весь процесс, а скорости движения потоков и их физические свойства не оказывают заметного влияния на процесс. [c.402] Химические процессы, протекающие в диффузионной области, характеризуются тем, что скорость диффузии реагентов к зоне реакции является лимитирующей, зависящей от скорости движения потоков и их физических свойств. [c.402] Химические процессы, протекающие в смешанной области, характеризуются тем, что скорости химического превращения и диффузии соизмеримы. [c.402] В диффузионной области скорость реакции никак не зависит от конкретных особенностей ее химического механизма скорости разных реакций различаются лишь постольку, поскольку различны коэффициенты диффузии реагирующих веществ, а в случае обратимых реакций — поскольку неодинаковы условия равновесия. [c.403] При постоянном общем давлении все реакции в диффузионной области имеют первый порядок по концентрации реагирующего вещества. При этом порядок реакции по общему давлению отличается от порядка по концентрации. [c.403] Условия возникновения диффузионной области создаются при больших скоростях реакций и малых скоростях диффузии,, т. е. при высоких температурах, высоких давлениях и малых скоростях газового потока. И наоборот, при низких температурах, низких давлениях и больших скоростях газового потока возникает кинетическая область. В промежутке между диффузионной и кинетической областями лежит смешанная область, в которой существенно одновременное влияние диффузии и кинетики. [c.403] Принципиальная возможность выделения лимитирующей стадии основана на том, что во многих случаях сложный химический процесс состоит из нескольких последовательно протекающих стадий. Лимитирующей является наиболее медленная стадия. [c.403] Укажем методы определения лимитирующей стадии процесса по преобладающему влиянию диффузионной или кинетической области. [c.403] В случае процесса контактно-каталитических реакций этот метод реализуется одним из следующих двух способов. [c.404] Способ 1. Проводят две серии опытов с двумя разными -объемами слоя катализатора Уг в трубках одного и того же сечения при разных мольных объемных скоростях подачи газа (Ут) и постоянном составе газа на входе. Степень превращения X на выходе и скорость подачи газа Ут измеряют и наносят на график в координатах х, Уг/Ут (рис. Х-4). Если опытные данные двух серий опытов укладываются на одну кривую (рис. Х-4, а), лимитирующей стадией является кинетическая область, так как скорость процесса не зависит от изменения скорости таза. Если для каждой серии опытов получается отдельная кривая (рис. Х-4, б), реакция протекает в диффузионной области. Если же, наконец, на графике при высоких скоростях газа (т. е. при малых значениях Уг1Ут) для двух серий опытов получаются сначала одна кривая, а затем две, то большим скоростям соответствует кинетическая область, а малым—диффузионная (рис. Х-4, в). [c.404] Влияние диффузионного сопротивления. При изучении гетерогенных химических реакций (установление механизма реакций, определение оптимальных температурных режимов их проведения и т. д.) важно создать в лабораторной установке такие условия, при которых исключалось бы и сводилось к минимуму диффузионное сопротивление, т. е. реакция протекала бы в кинетической области. При этом очень важно уметь оценить, насколько полно исключено влияние диффузионного сопротивления и, следовательно, насколько точны экспериментальные данные по определению скорости реакции. [c.405] В приведенных выше уравнениях Р — общее давление Рл—парциальное давление компонента А —средняя моль-масса газа ц и р — соответственно динамическая вязкость и плотность газа — средний коэффициент диффузии компонента А в газовой фазе а — коэффициент пропорциональности У рО/ц = Ке — модифицированный критерий Рейнольдса Рр — поверхность одной частицы катализатора О — массовая скорость газа. Значения а и п при Ке 620 а=2,44 и л = 0,51 при Ке 620 а=1,25 и = 0,41. [c.406] И на основе уравнения (Х,22) построим график в коордгаатах АРа Ра, X. В качестве параметра берутся числа Яе= ]/РрО/ 1 при этом для каждого значения получаются прямые, расходящиеся от начала координат под различными углами (рис. Х-6). [c.406] Диффузионное сопротивление становится незначительным в-тех случаях, когда реакция на поверхности протекает медленно, а также при высоких парциальных давлениях реагентов. [c.406] если точность 10% допустима при Х=5, критерий не должен быть менее 450 при точности 11% и Х=5 — менее 25 ООО. [c.406] Например, при Ке=1100, число X не может превышать значения 23, соответствующего идеальному катализатору. [c.408] Вернуться к основной статье