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

Диффузионный и кинетический режимы реакций.

Для расчета газожидкостных реакторов и выбора их эксплуатационных характеристик важное значение имеет режим протекания медленной реакции. С целью установления условия перехода реакции из кинетического режима в диффузионный рассмотрим скорости превращения веществ, реагирующих в соответствии с уравнением (11.44).

Скорость подвода вещества В в зону реакции

где рабочий объем реактора (объем газожидкостной смеси); а - удельная поверхность контакта фаз.

Скорость изменения количества вещества А за счет реакции в объеме жидкости

где константа скорости реакции.

Поскольку равновесие в реакционном объеме отвечает условию

то из приведенных выше уравнений получим

Введя это выражение в уравнение для и учитывая, что

(где - газосодержание смеси), после преобразований получим зависимость

характеризующую скорость превращения вещества А в газожидкостном реакторе.

1. Кинетический режим. Если в уравнении (11.55)

то его можно упростить до вида

Это уравнение характерно для медленной реакции, когда концентрация вещества В во всем объеме жидкости практически постоянна и равна Скорость реакции в этом случае не зависит от гидродинамической обстановки в аппарате и помимо концентрации определяется только константой скорости При этих условиях считают, что реакция протекает в кинетическом режиме.

2. Диффузионный режим. Если в уравнении (11.55)

то его можно упростить до вида

свойственного быстрым реакциям, когда концентрация вещества в жидкостнойпленке практически достигает значения Скорость химического превращения определяется условиями массопереноса вещества В, зависящими от гидродинамики процесса. Следовательно, реакция протекает в диффузионном режиме.

Условия (11.56) или (11.58) имеют важное практическое значение. Если процесс проводится в барботажном реакторе или реакторе с механическим диспергированием газа, то такие параметры, как будут возрастать с увеличением скорости барботирующего газа или частоты вращения мешалки Следовательно, увеличением этих параметров можно реакцию перевести из диффузионного режима в кинетический, повысив тем самым скорость химического превращения (рис. 18). Однако следует помнить, что независимость от еще не является достаточным основанием для утверждения о переходе реакции в кинетический режим. При увеличении скорости барботирующего газа возможно такое изменение гидродинамического режима работы реактора, когда

стабилизируется, а иногда и уменьшается поверхность контакта фаз а. Поскольку газосодержание и коэффициент массопереноса при высоких значениях возрастают слабо, совокупность влияния указанных параметров при условии (11.58) приведет к независимости от комплекса . В этом случае область переменной скорости газа будет характеризовать ложный кинетический режим.

Рис. 18. Переход реакции в кинетический режим: I — диффузионный режим; II — кинетический режим

О переходе к действительному кинетическому режиму можно говорить только тогда, когда при повышении температуры реакции (на рис. 18 от до увеличивается величина и сохраняется ее независимость от Для подтверждения приведенных положений обратимся к конкретному примеру.

На рис. 19 представлены результаты опытов по гидрированию окиси этилена до метана в жидком углеводороде По оси ординат отложены значения выхода метана V, по оси абсцисс — приведенная скорость водорода в барботажной колонне. Линия 1 соответствует температуре реакции 235° С, линия

При температуре 235° С реакция переходит в кинетическую область при и дальнейшее увеличение расхода водорода слабо отражается на выходе метана. При температуре 261° С константа скорости химической реакции достигает такой величины, при которой в исследованном диапазоне скоростей газа соблюдается условие (11.58), т. е. реакция протекает в диффузионной области. Снижение выхода метана при объясняется уменьшением величины а.

Рис. 19. Диффузионный и кинетический режимы гидрирования окиси этилена

Приведенный пример наглядно показывает необходимость проверки влияния скорости газа в широких пределах ее изменения. Прекращение опытов при могло бы привести к ложному выводу о переходе в кинетическую область.

Уравнение (11.55) дает достаточно ясное представление о факторах, определяющих кинетику газожидкостных реакций, однако

использование его для расчета промышленных реакторов затруднено отсутствием надежных рекомендаций для нахождения коэффициента массопередачи и межфазной поверхности а.

Иногда предпринимаются попытки разработать методику расчета барботажных реакторов на основе закономерностей массопередачи из одиночного газового пузыря, поднимающегося в слое жидкости с определенной скоростью. Процесс массопередачи из недеформированных пузырей малых размеров нетрудно организовать при продувании газа в жидкость с малыми скоростями через тонкие отверстия (например, через пористую керамическую перегородку). Однако результаты исследований, полученные в таких условиях, не всегда можно использовать при расчете промышленных аппаратов, заполненных сильно турбулизованной газожидкостной смесью, для которой такие понятия, как диаметр газового пузыря и скорость его подъема, становятся весьма условными.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление