Дифузійний і кінетичний режими реакцій

Дифузійний і кінетичний режими реакцій.

Для розрахунку газорідинних реакторів і вибору їх експлуатаційних характеристик важливе значення має режим протікання повільної реакції. З метою встановлення умови переходу реакції з кінетичного режиму в дифузний розглянемо швидкості перетворення речовин, що реагують відповідно до рівняння (11.44).

Швидкість підведення речовини В в зону реакції

де робочий об'єм реактора (обсяг газорідинної суміші); а - питома поверхня контакту фаз.

Швидкість зміни кількості речовини А за рахунок реакції в об'ємі рідини

де константа швидкості реакції.

Оскільки рівновага в реакційному обсязі відповідає умові

то з наведених вище рівнянь отримаємо

Ввівши цей вислів в рівняння для і з огляду на, що

характеризує швидкість перетворення речовини А в газорідинному реакторі.

1. Кінетичний режим. Якщо в рівнянні (11.55)

то його можна спростити до вигляду

Це рівняння характерно для повільної реакції, коли концентрація речовини В в усьому об'ємі рідини практично постійна і дорівнює Швидкість реакції в цьому випадку не залежить від гідродинамічної обстановки в апараті і крім концентрації визначається тільки константою швидкості При цих умовах вважають, що реакція протікає в кінетичному режимі.

2. Дифузійний режим. Якщо в рівнянні (11.55)

то його можна спростити до вигляду

властивого швидких реакцій, коли концентрація речовини в жідкостнойпленке практично досягає значення Швидкість хімічного перетворення визначається умовами масопереносу речовини В, залежними від гідродинаміки процесу. Отже, реакція протікає в дифузійному режимі.

Умови (11.56) або (11.58) мають важливе практичне значення. Якщо процес проводиться в барботажному реакторі або реакторі з механічним диспергированием газу, то такі параметри, як будуть зростати зі збільшенням швидкості барботують газу або частоти обертання мішалки Отже, збільшенням цих параметрів можна реакцію перевести з дифузійного режиму в кінетичний, підвищивши тим самим швидкість хімічного перетворення ( рис. 18). Однак слід пам'ятати, що незалежність від ще не є достатньою підставою для твердження про перехід реакції в кінетичний режим. При збільшенні швидкості барботують газу можливо така зміна гідродинамічного режиму роботи реактора, коли

Мал. 18. Перехід реакції в кінетичний режим: I - дифузний режим; II - кінетичний режим

Про перехід до дійсного кінетичного режиму можна говорити тільки тоді, коли при підвищенні температури реакції (на рис. 18 від до збільшується величина і зберігається її незалежність від Для підтвердження наведених положень звернемося до конкретного прикладу.

На рис. 19 представлені результати дослідів по гидрированию окису етилену до метану в рідкому вуглеводні По осі ординат відкладені значення виходу метану V, по осі абсцис - наведена швидкість водню в барботажной колоні. Лінія 1 відповідає температурі реакції 235 ° С, лінія

При температурі 235 ° С реакція переходить в кінетичну область при і подальше збільшення витрат водню слабо відбивається на виході метану. При температурі 261 ° С константа швидкості хімічної реакції досягає такої величини, при якій в дослідженому діапазоні швидкостей газу дотримується умова (11.58), т. Е. Реакція протікає в дифузійної області. Зниження виходу метану при пояснюється зменшенням величини а.

Мал. 19. Дифузійний і кінетичний режими гідрування окису етилену

Наведений приклад наочно показує необхідність перевірки впливу швидкості газу в широких межах її зміни. Припинення дослідів при могло б привести до помилкового висновку про перехід в кінетичну область.

Рівняння (11.55) дає досить чітке уявлення про фактори, що визначають кінетику газорідинних реакцій, проте

використання його для розрахунку промислових реакторів утруднено відсутністю надійних рекомендацій для знаходження коефіцієнта масопередачі і міжфазної поверхні а.

Іноді робляться спроби розробити методику розрахунку барботажних реакторів на основі закономірностей масопередачі з одиночного газового міхура, що піднімається в шарі рідини з певною швидкістю. Процес массопередачи з недеформірованних бульбашок малих розмірів неважко організувати при продуванні газу в рідину з малими швидкостями через тонкі отвори (наприклад, через пористу керамічну перегородку). Однак результати досліджень, отримані в таких умовах, не завжди можна використовувати при розрахунку промислових апаратів, заповнених сильно турбулізованной газожидкостной сумішшю, для якої такі поняття, як діаметр газового міхура і швидкість його підйому, стають досить умовними.