ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Определение лимитирующей стадии процесса в гетерогенных системах из "Методы кибернетики в химии и химической технологии 1968" Исследование кинетики гетерогенных систем начинают с установления лимитирующей стадии процесса. Химические процессы в гетерогенных системах могут протекать а) в кинетической области, б) в диффузионной области и в) в смешанной области. [c.277] 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.277] Химические процессы, протекающие в диффузионной области, характеризуются тем, что скорость диффузии реагентов к зоне реакции является лимитирующей, зависящей от скоростей движения потоков и их физических свойств. [c.277] Химические процессы, протекающие в смешанной области, характеризуются тем, что скорости химического превращения и диффузии соизмеримы. [c.277] Все реакции в диффузионной области имеют первый порядок концентрации реагирующего вещества при постоянном общем давлении. При этом порядок реакции по общему давлению отличается от порядка по концентрации. [c.278] Условия для возникновения диффузионной области создаются при больших скоростях реакций и малых скоростях диффузии, т. е. при высоких температурах, высоких давлениях и малых скоростях газового потока. Наоборот, при низких температурах, низких давлениях и больших скоростях газового потока наблюдается возникновение кинетической области. В промежутке между диффузионной и кинетической областями лежит смешанная область, когда существенно одновременное влияние диффузии и кинетики. [c.278] Принципиальная возможность выделения лимитирующей стадии основывается на том, что во многих случаях сложный процесс состоит из нескольких последовательно протекающих стадий. Наиболее медленная стадия и является лимитирующей. [c.278] Укажем методы определения лимитирующей стадии процесса — наличие преобладающего влияния диффузионной или кинетической области. [c.278] Последний метод для установления лимитирующей стадии процесса контактно-каталитических реакций реализуется одним и следующих способов. [c.278] 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. Измеряя степень превращения х на выходе и скорость подачи газа Ут, наносят опытные данные на график в координатах х—Уг1Ут (рис. -13). Если на графике опытные данные двух серий опытов укладываются на одну кривую (рис. У-13, а), лимитирующей стадией является кинетическая область, так как скорость процесса не зависит от изменения скорости газа. Если на графике получается отдельная кривая для каждой серии опытов (рис. У-13, б), реакция протекает в диффузионной области. Если же, наконец, на графике при высоких скоростях газа (т. е. при малых значениях Уг Ут) для двух серий опытов получаются сначала одна кривая, а затем две, то большим скоростям соответствует кинетическая область, а малым — диффузионная (рис. -13, в). [c.279] Способ 2. Проводят несколько опытов при различных мольных объемных скоростях подачи газа и разных объемах слоя катализатора, но таким образом, чтобы отношение Уг1Ут сохранялось постоянным. При одинаковом в каждом опыте составе газа на входе измеряют степень превращения. Полученные таким образом опытные данные наносятся на график в координатах х — У, (рис. -14). Если окажется, что степень превращения остается величиной постоянной, то диффузия не влияет на процесс, т. е. лимитирующей стадией является кинетическая область. Кривая, представленная на рис. -14, показывает, что в области малых скоростей газа диффузия оказывает влияние на процесс, а при больших скоростях газа процесс переходит в кинетическую область, так как скорость газа перестает оказывать влияние на процесс. [c.279] 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 или 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.280] В приведенных выше уравнениях Р — общее давление Ра — парциальное давление компонента А Мт — средний молекулярный вес газа (х и р — соответственно динамическая вязкость и плотность газа Олт — средний коэффициент диффузии компонента А в газовой фазе а — коэффициент пропорциональности УТ р01 1— модифицированный критерий Ке — поверхность одной частицы катализатора О —весовая скорость газа. Значения аил приводим ниже при Не 620—а = 2,44 и л=0,51 при Ке 620 —а = 1,25 и /г=0,41. [c.280] Предельные значе-различных значений Не. [c.282] Задаваясь пределом точности, с которой необходимо определять истинную скорость химической реакции, и отвечающим ей отношением АРа1Ра в диффузионном слое, находят соответствующую скорость потоков при данном значении комплекса X. Так, например, если экспериментальная точность определения скорости реакции должна быть более 107о, диффузионным сопротивлением можно пренебречь, если АРл/Рл=0,1 или меньше. Если точность должна лежать в пределах до 1%, диффузионным сопротивлением можно пренебречь, если АРа/ а = 0,01 или меньше и т. д. [c.282] Диффузионное сопротивление становится незначительным в тех случаях, когда реакция на поверхности протекает медленно, а также при высоких парциальных давлениях реагентов. [c.282] если точность 10% допустима при Х = 5, критерий Не не должен быть менее 450 при точности 1% и Х = 5 —менее 25 000. [c.282] При Яе=100, например, число X не может превышать значения 23, соответствующего условиям идеального катализатора. [c.283] Вернуться к основной статье