ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Методика кинетического исследования и экспериментальные установки из "Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза Издание 2" Кинетическому исследованию процесса всегда предшествует предварительный этап, о котором уже говорилось в начале этой главы. Обобщаются также литературные данные о механизме и кинетике изучаемых реакций. [c.51] Следующий, очень ответственный этап состоит в разработке экспериментальной установки и методики исследования, обеспечивающих достаточную точность и воспроизводимость опытов. Сюда входят выбор и проверка работы реакционного аппарата,, регулирующих и измерительных приборов, способов анализа реакционной массы и т. д. Воспроизводимость, кроме того, зависит от качества и стабильности свойств применяемых реагентов, растворителей и катализаторов. Поэтому их качество и способы очистки надо обязательно охарактеризовывать и поддерживать постоянными во время опытов. Полезно иметь какой-то базовый опыт и периодически повторять его, чтобы убедиться в воспроизводимости получаемых данных. [c.51] Само кинетическое исследование основано на том, что экспериментально определяемые результаты (С,-, х,) зависят от дифференциальных уравнений скорости реакций и от параметров процесса. Чтобы найти кинетические уравнения, необходимо варьировать все параметры, которые могут влиять на скорость начальные концентрации (парциальные давления) всех реагентов (а нередко и продуктов реакции, которые могут ее втокатализировать или тормозить), концентрацию катализатора, температуру, а также временные характеристики процесса (длительность реакции или так называемое условное время контакта). Обычно наиболее сложной задачей является нахожде- ие концентрационной формы уравнений скорости (П-13). Она упрощается, если каждый опыт проводится в изотермических условиях, когда параметры 6 постоянны. С этой же целью типична постановка в первую очередь большой серии опытов при одной, предварительно подобранной температуре, но с варьированием всех остальных параметров. Найдя по этим данным кинетические уравнения и проведя уже меньшее число опытов при двух-четырех других температурах, находят зависимость параметров реакции (0,) от температуры по уравнениям типа уравнений Аррениуса. [c.52] Поиск кинетических уравнений упрощается при изучении процесса в реакционных аппаратах, обеспечивающих наиболее простую связь между результатами процесса и варьируемыми параметрами. К таким аппаратам относятся реакторы с идеальным режимом (структурой) потока реакционной смеси реакторы идеального или полного смешения (периодический и непрерывный) и реакторы идеального вытеснения (непрерывный). Для сокращения мы будем называть их в дальнейшем идеальными реакторами (периодическим, вытеснения и смешения). [c.53] Идеальный периодический реактор и исследование кинетики в периодических условиях. Условием идеальности периодического реактора (рис. 5, а) является отсутствие градиента концентраций и температур по его объему d i dV=dT dV=0), что возможно лишь при достаточно интенсивном перемешивании. Кроме того, предполагается мгновенная загрузка компонентов смеси или, во всяком случае, последнего из них, при добавлении которого сразу начинается реакция и фиксируется ее нулевое время. [c.53] Здесь Щк1У — масса катализатора в единице объема смеси за вычетом объема, занимаемого катализатором. Ее часто (но не совсем точно) называют концентрацией катализатора. [c.54] Выведенные уравнения показывают, что в периодических условиях экспериментально определяемым результатом процесса являются так называемые текущие концентрации веществ Сг, а варьировать приходится, кроме начальных концентраций всех веществ и температуры [они влияют на вид уравнений (П-17) — (П-20) в скрытой форме через г,], временем реакции, а для гетерогенно-каталитических процессов — величиной т У. [c.54] Это уравнение годится и для основного реагента А, если полагать, что его выход равен д а=1—Ха- В левой части уравнения (П-23) находится величина, обратная мольной нагрузке единицы объема реактора по основному реагенту в единицу времени Раа У и имеющая размерность [(объем) (время моль)- ]. Она называется условным временем контакта и является временной характеристикой гомогенных непрерывных процессов, заменяющей время реакции при периодических условиях. [c.56] Чаще используют последнее уравнение, в левой части которого находится величина, обратная мольной нагрузке единицы массы катализатора по основному реагенту в единицу времени — Ра,о1 Пк и имеющая размерность [(масса) (время) (моль)- ]. [c.56] Ее также называют условным временем контакта, и она является временной характеристикой непрерывных гетерогенно-каталитических реакций. [c.57] Иногда (особенно в технологии) используют еще одну временную характеристику процесса, а именно объемную скорость и [(время) ]. Если ее выражать по объему всей поступающей смеси, приведенному к условиям в реакторе, то =1 0/ , т. е. объемная скорость равна объемной нагрузке единицы реакционного объема в единицу времени. Тогда при неизменности объ- МЙ СМ6СИ ВО время реакции М=Т ист- Объемную скорость применяют и для характеристики гетерогенно-каталитических процессов, относя ее к насыпной массе катализатора. Кроме того, ее часто выражают по объемному потоку не всей смеси, а только основного реагента, и притом в нормальных условиях (0,102 МПа и 20°С). Чтобы использовать такие величины в предыдущих уравнениях, их надо пересчитывать на условное время контакта. [c.57] Реакторы идеального вытеснения применяют для кинетического исследования реакций в потоке, особенно для газофазных процессов, в том числе гетерогенно-каталитических. К условиям идеального вытеснения близки аппараты большой длины и малого диаметра при турбулентном движении газа. Поэтому реактор изготавливают в виде трубки (которую можно заполнять катализатором) или змеевика, имеющих карманы для термопар. Газообразные вещества подают в аппарат из баллонов или газометров, точно регулируя и изменяя скорость их потока. Жидкие вещества вводят при помощи микронасосов или градуированных дозаторов разного типа. Все компоненты смешивают и предварительно испаряют или подогревают до температуры реакции (прежде чем подать в реактор). Поскольку теплопередача от газа к стенке малоинтенсивна, особенно при наличии гетерогенного катализатора, больше значения имеет организация теплообмена, гарантирующая постоянство температуры по длине и диаметру реактора. Этого достигают, помещая реактор в термостат или баню с псевдоожиженным слоем песка, а также при помощи электрообогрева. Для реакций с большим выделением или поглощением тепла целесообразно применять трубки малого диаметра, разбавлять гетерогенный катализатор инертной насадкой и т. д. Ввиду трудностей с теплообменом в этом типе реактора допускается регулирование температуры с пониженной точностью — до 1—2 С. [c.57] В реакторах периодического действия и идеального вытеснения концентрации изменяются во времени или по объему, и конечный результат находят после интегрирования (интегральные реакторы). В отличие от этого, в аппарате полного смешения градиент концентраций отсутствует (безградиентные условия процесса), а конечный результат находят, решая алгебраическое уравнение, что значительно упрош,ает расчет. [c.59] Остальное оснащение безградиентных установок и последовательность проведения опытов — такие же, как для реакций в. потоке. Очень важно, что температурный режим в них регулируется проще и точнее, а результаты исследования газофазных гетерогенно-каталитических реакций в безградиентных условиях считаются самыми достоверными. [c.60] Вернуться к основной статье