Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

6. Основные закономерности химических превращений в системе газ—жидкость

Основы кинетики гетерогенных реакций.

Теория кинетики гетерогенных реакций, осложненных массообменом, достаточно подробно освещена в литературе [4, 16, 20], поэтому здесь можно ограничить рассматриваемый вопрос только основными ее положениями, необходимыми в дальнейшем для анализа взаимосвязи гидродинамической обстановки в аппарате с кинематикой химического превращения.

Допустим, что в некотором элементарном объеме неподвижной жидкости, ограниченной поверхностью раздела фаз протекает химическая реакция между веществом А, растворенным в жидкости, и веществом В, переходящим из газа в жидкость. Условно стехиометрическое уравнение такой реакции можно записать в виде

Разность скоростей переноса вещества В в неподвижный элементарный объем (по нормали к и из него, определяемая конвективно-молекулярной диффузией, равна сумме скоростей накопления и реакции, т. е.

где Иж коэффициент диффузии вещества В в жидкости; концентрация вещества В в жидкости; скорость реакции этого вещества в момент времени при концентрации

Для некоторых частных случаев возможны аналитические или численные решения уравнения (11.45), если известна зависимость скорости реакции от параметров, определяющих процесс. Однако перенос газа только за счет молекулярной диффузии и условие неподвижности жидкости не являются типичным для промышленных реакторов, в которых одновременно протекают процессы диффузии, конвенции и химическая реакция. Для анализа реальных процессов принимают упрощенные модели, достаточно достоверно отражающие рассматриваемое явление и не требующие большого числа трудно определимых параметров. Наиболее простой и наглядно представляющей процесс переноса вещества из газа в жидкость является пленочная модель.

Если абсорбируемый газ находится в смеси с нерастворимым газом, то процесс абсорбции имеет две стадии:

конвективно-диффузионный перенос вещества В из газовой смеси к границе раздела фаз и аналогичный перенос от границы раздела в объем жидкости. Условное распределение концентраций в таком процессе показано на рис. 15. При установившемся состоянии системы перенос вещества В будет характеризоваться балансовым уравнением

где парциальное давление газа В в смеси; его равновесное давление на границе раздела фаз; коэффициент массопереноса в газовой фазе; —коэффициент массопереноса в жидкости; равновесная концентрация вещества В в жидкости на границе раздела фаз.

Рис. 15. Распределение концентраций при медленной и быстрой реакциях

При малых концентрациях В, согласно закону Генри,

где константа фазового равновесия.

Если закон Генри не соблюдается, то значения при заданных концентрациях вещества В в газе и жидкости и известном отношении могут быть найдены графическим методом

С учетом условия (11.47) из уравнения (11.46) можно получить

где общий коэффициент массопередачи, отнесенный к жидкостной пленке,

В случаях развитой турбулентности газового потока при трудно растворимых газах что дает право при расчетах принимать . В дальнейшем будем, в основном, руководствоваться этим условием.

Если химическое превращение лимитируется массопереносом вещества В в жидкой фазе, то с учетом скоростей его накопления и реакции в данный момент времени

где — объем жидкости, в котором протекает химическая реакция.

При медленной химической реакции наличие в уравнении (11.50) члена объясняется необходимостью накопления в жидкости вещества В в начальный период процесса, чтобы началась

реакция. Поскольку период накопления проходит очень быстро, на основной стадии процесса скорость реакции равна скорости массопереноса, что приводит к уравнению стационарности

характерному для медленно протекающих реакций.

Более строгий анализ [4] показывает, что в уравнение (11.51) следует вводить не концентрации вещества в объеме жидкости а конечную концентрацию, определяемую скоростью реакции.

Рис. 16. Распределение концентрации при мгновенной реакции

Однако для практических расчетов можно ограничиться концентрацией и считать ее изменение таким, как показано линией I на рис. 15.

При быстрых химических реакциях часть вещества В будет реагировать в пленке жидкости, причем масса этой его части сопоставима с массой, которая переносится в жидкость непрореагировавшей. Это изменит профиль концентрации, который будет отображен линией 2 на рис. 15. Ход кривой показывает, что скорость переноса вещества в массу жидкости будет меньше скорости абсорбции.

Особый случай представляет абсорбция, сопровождаемая мгновенной реакцией. В упрощенной интерпретации его можно представить двумя вариантами. Если вещество В диффундирует через газовую пленку, а вещество А — через жидкостную, и реакция протекает на границе раздела фаз. Изменения парциального давления вещества В в газовой пленке и его концентрации в жидкостной пленке показаны на рис. 16, а.

Если т. е. сопротивление массопереносу сосредоточено в жидкости, то реакция протекает в жидкостной пленке, которая как бы состоит из двух слоев (рис. 16, б). В первом слое толщиной (от границы раздела фаз до фронта реакции) происходит диффузия компонента В с изменением его концентрации от

равновесной до нуля. Во втором слое из глубины объема жидкости до фронта реакции происходит диффузия вещества А с изменением его концентрации до нуля. Диффузия обоих компонентов будет описываться уравнениями:

с учетом условия стехиометрического соотношения на фронтальной плоскости реакции

Все вышеизложенное справедливо для элементарного объема двухфазной системы, в котором происходит химическое превращение вещества без внесения его в этот объем внешним потоком.

В реальных аппаратах с протоком жидкости существенную роль в химическом превращении играет турбулентный перенос вещества.

Рассмотрим реактор высотой и площадью сечения в который непрерывно вводится поток с расходом V, причем концентрация вещества в этом потоке изменяется от до

Рис. 17. Перенос вещества в реакторе

В элементарном объеме слоя высотой протекает химическая реакция со скоростью и совершается обмен вещества с окружающими слоями за счет переноса основным потоком V и продольного турбулентного перемешивания (рис. 17).

При стационарных условиях изменение количества вещества в рассматриваемом элементарном слое будет определяться уравнением

Решение этого уравнения при граничных условиях выходе из реактора) и (для элементарного объема на выходе из реактора, не обменивающегося веществом с нижележащим слоем) имеет вид

где скорость потока в реакторе.

Уравнение (11.53) показывает, что если то Это характерно для реакторов идеального вытеснения. Если

то, разлагая в ряд экспоненциальный член уравнения, получим концентрация во всем объеме реактора постоянна и равна концентрации на выходе. Это свойственно реакторам идеального смешения. Сравнивая реактор промежуточного типа, концентрация в котором изменяется по уравнению (11.53), с реактором идеального смешения, где можем записать

В этом уравнении величина характеризует соотношение потоков вещества, переносимого с основной скоростью и турбулентной диффузией Критерий является основным параметром диффузионной модели реактора, которая наиболее часто используется при моделировании химических реакторов. Входящий в нее линейный размер характеризует крупномасштабные пульсации, и в качестве его могут быть приняты высота секции аппарата или его диаметр.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление