Построение иерархической системы моделей

Теплообменники

Смесители и распределители потоков

Реакционная зона

Реактор (реактивный узел)

Структура потока

Перенос тепла, веществ

Наблюдаемая скорость превращения

Реакционная зона

Молекулярный перенос веществ и тепла

Кинематическая модель реакции

Элементарный объем (химический процесс)

Стадии химической реакции

Химическая реакция

Иерархическая структура математической модели процесса в химическом реакторе.

Химическая реакция, состоящая из элементарных стадий протекает в молекулярном масштабе. Ее свойства, например скорость, не зависят от масштаба реактора, то есть скорость реакции зависит только от условий ее протекания независимо от того, как или где они созданы. Результатом исследования на этом уровне является кинетическая модель химической реакции - зависимость скорости реакции от условий. Следующий масштабный уровень - химический процесс - это совокупность химической реакции и явлений переноса - диффузии и теплопроводности. На этой стадии кинетическая модель реакции является одной из составляющих процесса. Объем, в котором рассматривают химический процесс, выбирают так, чтобы закономерности процесса не зависили от размера реактора. Например, это может быть зерно катализатора. Полученная модель химического процесса как одна из составляющих элементов, в свою очередь, входит в следующий масштабный уровень - реакционную зону, в которую также входят и структурные закономерности потока, и явления переноса в ее масштабе. В масштабе реактора входят как составляющие реакционная зона, узлы смешения, теплообмена и др. Таким образом, математическая модель процесса в реакторе представлена системой математических моделей разного масштаба.

Иерархическая структура математической модели процесса в реакторе позволяет:

1. полностью описать свойства процесса путем детального исследования основных процессов разного масштаба;

2. проводить изучение сложного процесса по частям, применяя к каждой из них специфические, прецизионные методы исследования, что повышает точность и надежность результатов;

3. установить связи между отдельными частями и выяснить их роль в работе реактора в целом; 4. облегчать изучение процесса на более высоких уровнях; 5. решать задачи масштабного перехода.

38.Гомогенный химический процесс: простая необратимая реакция

Необратимая реакция A=R представлена химическим уравнением
ⁿ (1),

Где n – порядок реакции по A; – концентрация А; r – скорость реакции. Зависимость r(C_A)

Видно, что от n зависит темп возрастания скорости – он выше для реакций более высокого порядка. Если C_A выразить через степень превращения X_A
=> ⁿ (2)

Зависимость r(X_A)

Т.к. (3) то можно построить концентрационную и конверсионную зависимость r(C_A) и r(X) скорости реакции при разных температурах T₁ и T₂ (T₂> T₁).

Видно, что при более высокой температуре превращение происходит быстрее. Так как из (3) следует, что увеличением температуры константа скорости реакции возрастает. Таким образом, повышение температуры обуславливает интенсификацию процесса для необратимой реакции. Ограничение температуры вызвано термостойкостью компонентов, появлением нежелательных реакций, возможностью самовоспламенения, устойчивостью материала аппаратуры и т.д.

39. Гомогенный химический процесс: простая обратимая реакция.

Обратимая реакция представлена кинетическим уравнением первого порядка в обоих направлениях: (1) Т.к. скорость реакции зависит от концентрации двух компонентов, зависимость r(C_A) представлена рядом кривых, полученных при различных значениях . Точки С_АР – отвечают состоянию равновесия в реакционной системе, при этом концентрация компонентов равна С_АР и С_RP соответственно. Если С_А< С_АР, скорость реакции отрицательна (штриховая линия). Т.е. реакция протекает в обратном направлении.

Выразим С_А и через степень превращения х:

Тогда: (2)

Зависимость r(x) имеет линейно убывающий вид (штриховая линия – зависимость r(x) для необратимой реакции). Из (2) следует, что r=0 при ; К_Р – константа равновесия; х_Р – равновесная степень превращения. увеличиваются с ростом температуры, но . Их совместное влияние зависит от соотношения энергий активации прямой и обратной реакции. Последнее различно для экзо- и эндотермических реакций.

Зависимость r(x) при температуре Т1 (штриховая линия) и при Т2>Т1 (сплошные линии). Если реакцию проводить при более высокой температуре, то начальная (при х=0) скорость увеличивается.

Далее равновесие изменяется в зависимости от типа реакции: для эндотермической реакции скорость повышается во всем интервале изменения х; в экзотермической реакции скорость повышается лишь до некоторого момента.

Т.о. для экзотермической реакции существуют оптимальные температуры для каждой степени превращения, при которой скорость реакции максимальна. Следовательно, уменьшение температуры по мере протекания реакции, приводящее к максимальной интенсивности данного процесса для обратимой экзотермической реакции.

Для обратимой эндотермической реакции оптимальная температура равна максимально допустимой.

Проведение процесса при максимально допустимой температуре определяет способ интенсификации процесса для обратимой эндотермической реакции.

40. Базисная система стехиометрических уравнений: стехиометрически независимые уравнения; выбор системы стехиометрических уравнений.

Стехиометрические уравнения показывают, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие. Они имеют вид:

где: А,B – исходные вещества; R,S– продукты реакции;

- стехиометрические коэффициенты.

Химические превращения могут быть описаны одним или несколькими стехиометрическими уравнениями. В случае, когда имеет место несколько стехиометрических уравнений, стехиометрический коэффициент i-го вещества, j-го уравнения, можно обозначить, как и систему уравнений можно представить в виде:

, где n – число реагентов, m – число уравнений, – для исходных реагентов, – для продуктов, – для i-го вещества, не входящего в j-ое уравнение.

Совокупность стехиометрических уравнений, однозначно и полно описывающих процесс, называют базисной системой стехиометрических уравнений. Так как со стехиометрическими уравнениями можно делать линейные преобразования (складывать уравнения, переносить члены справа налево и наоборот и т.д.), то возникают трудности при определении базисной системы уравнений, например: процесс получения водорода из природного газа можно записать двумя уравнениями:

но можно эти уравнения сложить и тогда:

Для расчета данного процесса не достаточно последнего уравнения, хотя оно и является суммой предыдущих. Таким образом, базисная система линейно-независимых стехиометрических уравнений, однозначно описывающих процесс, должна включать все участвующие в химическом превращение вещества и не должна включать ни одного уравнения, которое может быть получено линейными преобразованиями других.

В большинстве случаев необходимое число стехиометрических уравнений можно определить по формуле: У=В-Э, где У - число независимых уравнений, В - число веществ (реагентов), Э- число химических элементов из которых состоят реагенты. Так для конверсии метана В=5; Э=2, откуда У=2. Базисная система включает два уравнения. Для отдельных обменных процессов формула имеет вид: У=В-Э+1.

41. Гомогенный химический процесс: сложная реакция, параллельная схема превращения.

Параллельную схему превращения можно представить в следующем виде:

Здесь k₁ и k₂ – константы скоростей; Е₁ и Е₂ – энергии активации; n₁ и n₂ – порядки частных реакций; А – исходное вещество; R и S – основной и побочный продукт.

Дифференциальная селективность S_R^’ по R определяется по уравнению:

где и – скорости образования продуктов S и R.

Если порядок частных реакций одинаков (n₁ = n₂), то S_R^’ = и S_R^’ (дифференциальная селективность) не зависит от концентрации А.

Если n₁ > n₂, то , то есть с ростом С_А S_R^’ возрастает, асимптотически приближаясь к S_R^’ = 1.

Если n₁ < n₂, то То есть S_R^’ уменьшается с увеличением С_А, асимптотически приближаясь к нулю.

Рис. 1. Зависимость дифференциальной селективности S_R^’ от концентрации исходного компонента С_А для параллельной схемы превращения (n₁, n₂ – порядок реакций)

Из полученных данных можно сделать следующие выводы о целесообразном режиме проведения процесса с параллельной схемой превращения:

1) Если порядок реакции образования целевого продукта больше, чем порядки реакций образования других продуктов, процесс выгоднее проводить при высоких концентрациях исходных веществ тогда и селективность и интенсивность процесса будут наибольшими.

2) При равных порядках частных реакций концентрация не влияет на селективность и повышение концентрации целесообразно для увеличения скорости реакции.

3) Если порядок реакции образования побочного продукта больше, то селективность реакции будет увеличиваться при снижении концентрации исходного вещества. Однако скорость превращения будет уменьшаться. 4) Повышение температуры приведет к увеличению дифференциальной селективности, если при этом скорость образования R возрастет больше, чем скорость образования S.

42. Гомогенный химический процесс: сложная реакция, последовательная схема превращения.

Последовательная схема превращения представлена двумя частными этапами:

A ^k₁; ^E₁ R ^k₂ ;^E₂ S

Рис. 2. Зависимость дифференциальной селективности S_R^’ от концентрации исходного С_А и промежуточного C_R веществ для последовательной схемы превращения (стрелкой показано увеличение C_R).

Как видно из рис. 2 увеличение C_R при неизменном значении С_А приводит к уменьшению S_R^’, т.к. скорость расходования R возрастает, а скорость его образования не меняется.

При некотором соотношении C_R и С_А , а именно скорости образования R из A и дальнейшего превращения R в S будут равны и S_R^’ =0.

Если отношение станет больше , то S_R^’ станет отрицательной.

Из полученных данных можно сделать следующие выводы о целесообразном режиме проведения процесса с последовательной схемой превращения:

1) Высокую селективность процесса по промежуточному веществу R можно получить при большой концентрации исходного вещества А и малом содержании промежуточного, то есть при небольшом превращении А, когда R не накапливается и не претерпевает значительного дальнейшего изменения.

2) Температура будет благоприятно сказываться на селективности, если с ростом температуры k₁ увеличивается сильнее, чем k₂.

Общие положения.

В общем случае в гетерогенном химическом процессе исходные вещества и продукты находятся в разных фазах.

По виду участвующих в процессе фаз различают следующие гетерогенные системы:

а) «газ-твердое» к этому виду процессов относят адсорбцию и десорбцию газов, обжиг руд, окисление металлов, восстановление твёрдых оксидов, горение твёрдых топлив;

б) «жидкость-твердое» - адсорбция, растворение, выщелачивание, экстракция, кристаллизация;

в) «газ-жидкость» - абсорбция, конденсация, перегонка жидких смесей, дистиляция,ректификация;

г) несмешивающаяся система «жидкость-жидкость» - жидкостная экстракция;

д) «твердое-твердое» - спекание, получение цемента, керамики, высокотемпературный синтез неорганических металлов;

е) многофазные системы – «газ-жидкость-твердое», «жидкость-жидкость(несмывающаяся) –газ» и т.п.

Предметом дальнейшего рассмотрения будут происходящие в этих системах химические превращения.

Условия гетерогенного процесса - состояние каждой из фаз и параметры их взаимодействия.

Реагенты переносятся к месту протекания реакции, где условия (условия реакции) отличаются от созданных извне.

Скорость превращения вещества определяется условиями реакции, которые являются результатом перераспределения концентраций и температур из-за одновременного протекания химической реакции и явлений переноса.

Зависимость скорости превращения от условий гетерогенного процесса называю наблюдаемой скоростью превращения W_Н.

Наблюдаемая скорость превращения зависит от условий взаимодействия фаз (скорости направления потоков, конфигурации поверхности) и их транспортных свойств(диффузия, теплопроводность, вязкость).

Во многостадийном процессе интенсивность его составляющих (этапов, стадий) может быть различна.

В этой связи вводят понятия лимитирующая стадия ограничивающая скорость процесса (т.е. самая медленная стадия), и режим процесса, определяемый этой стадией, которые будут определенны далее.

Механизмы переноса в твердом теле существенно отличаются от таковых в жидкости и газе.

Газ и жидкость - фазы текучие с подвижной поверхностью. Вклад конвективной составляющей переноса в них весьма велик, чего нет в твёрдом теле с жесткой и неподвижной внутренней структурой и внешней конфигурацией.

Это позволяет для построения моделей химического процесса указанное выше многообразие гетерогенных систем свести к двум видам:

«газ (жидкость) -твердое» взаимодействие текучей и жесткой фаз;

«газ (жидкость) -жидкость»-взаимодействие текучих фаз.

44. Гетерогенный химический процесс:Система"газ(жидкость)-твердое(полностью реагирующее)"

В рассматриваемой системе твердый реагент- кусковой или зернистый материал омыляется потоком жидкого иди газообразного реагента(при построении модели это различие не принципиально, поэтому будем рассматривать систему «газ- твёрдое»). Продукты реакции переходят в газовую фазу. Твердая частица уменьшается.

Процесс можно представить уравнением:

A_r+B_T=R_r (1) Индексы «_r» и «_T» указывают в какой фазе находятся реагент.

Для исследования основных свойств процесса представим твёрдый реагент в виде частица шарообразной формы (см.рисунок1). Предположим,что температуры частицы и потока равны, а перенос компонентов между потоком и частицей одинаков по всей поверхности частицы (т.е. поверхность частицы- равнодоступная).

Примеры таких процессов: горение угля C+O₂=CO₂, газификация угля C+H₂O=CO₂+H₂ ,растворение твёрдого вещества.

В них происходит уменьшение размеров частиц твёрдого материала по мере протекания процесса вплоть до его исчезновения.

Схема процесса представлена на рис. 1. Рис.1

Схема гетерогенного процесса «сжимающаяся сфера».

S_r-поверхность частицы B_T с радиусом r.

Обтекающий твердую частицу B_T поток хорошо перемешан в объеме, так что концентрация газообразного компонента A_r в нем (говорят «в ядре потока») постоянна и равна С₀. У поверхностей частицы образуется пограничный слой П_с (на рис. Обозначен штриховой линией). Через него компонент A_r проникает к поверхности частицы, где и происходит реакция. Газообразные продукты R_r удаляются в поток обратным путем. Массообмен между фазами осуществляется с помощью диффузии и характеризуется коэффициентом массообмена:

β= , где D-коэффициент диффузии; -толщина пограничного слоя. =

Для расчета коэффициента массообмена ,который служит описательной характеристикой и для более сложных механизмов переноса, используют критериальные уравнения теории подобия.(см лк 5)

Структура переноса представлена следующими стадиями(этапами).

В газовой фазе:

1) Перенос реагента A_r,из потока к поверхности частицы(этап I на рис. 1)

Для этого концентрация показана в нижней части рис.1

2) Реакция A_r с твердой B_T на наружной поверхности частицы(этап II рис. 1)

3) Газообразные продукты реакции R_r отводятся от поверхности обратно в поток.

Полагаем, что скорость реакции не зависит от концентрации R_r и его отвод от поверхности не влияет на процесс.

В твердой фазе:

1) Реакция B_T с газообразным компонентом A_r на поверхности (этап II рис.1)

2) Изменение (уменьшение) размера частицы r (этап III на рис.1)

Первоначально частица имеет радиус R₀ .

Такой гетерогенный процесс, где частица твердого реагента уменьшается в размере, называют «сжимающаяся сфера».

Математическая модель описывает поведение взаимодействующих газообразного A_r и твердого B_T реагентов.

Объемное содержание вещества в твердой частицы в сотни раз больше, чем в газе, и уменьшение размера частицы происходит намного медленнее установления распределения концентраций в пограничном слое, поэтому процессы, протекающие в газовой фазе, можно считать стационарными относительно процесса в твердой фазе.

Рассмотрим математические модели процессов протекающих в газовой и твердой фазах.

Газообразный реагент.

В стационарном режиме поток W_I вещества A_r к поверхности (этап I) и скорость W_II реагирования A_r на ней (этап II) равны:

W_I=W_II (2) Поток компонента A_r зависит от поверхности S_r частицы с радиусом r и разности концентрации A_r в потоке-С₀ и у поверхности C_n:

W_I= - βS_r(c₀-c_n) (3) здесь β – коэффициент массообмена,

β= см. рис.1 Пусть на поверхности протекает реакция первого порядка, при этом скорость превращения A_r пропорциональна наружной поверхности частицы S_r:

W_II= -kc_nS_r (4) Подставляем (4) и(3) в(2) получим: β(c₀-c_n)= kc_n (5)

Далее определим концентрацию A_r у поверхности:

C_n= (6) И наблюдаемую скорость превращения: W_H= -kc_n= - (7)

Комбинацию параметров k и β в выражении (7) обозначаем как К_H –наблюдаемую константу скорости: К_H= (8) Таким образом подставляя (8) в (7) получаем:

W_H= - K_H C₀ (9)

Полученная кинетическая зависимость, характерна для реакции первого порядка.

Однако, если реакция будет иметь другой порядок выражения для наблюдаемой скорости превращения будут отличаться.

Твердый реагент.

Изменение количества твердого компонента N_B [моль] в единицу времени равно скорости его превращения W_B протекающего на наружной поверхности частицы S_r:

= W_B S_r (10) В рассмотренной реакции (1) A_r+B_T=R_r, = и следовательно скорости превращения веществ одинаковы, т.е. W_A=W_B т.к

r = , где r – скорость реакции (1). Таким образом с учетом (4) и (9) можно записать: W_B= - K_H C₀ S_r

Обозначим n₀ [моль/м³] количество твердого реагента в единице объема.

Если частица непористое вещество плотностью γ [кг/м³] и молярной массой:

μ то n₀= . За время dt прореагирует тонкий поверхностный слой толщины dr, содержащий реагента B_T в количестве: dN_B=n₀ S_r dr. S_r-поверхность частицы B_T радиусом r. С учетом сказанного уравнение (10) преобразуем к виду:

(11)

Интегрируя (11) в пределах от начального момента t=0 (первоначальный размер частицы R₀) до момента t (размер частицы уменьшился до r) получим:

R₀ – r = K_H (12)

Через какое-то время t_K твердая частица прореагирует полностью, то есть в этот момент r = 0, то есть R₀ = K_H .

Отсюда время полного превращения t_K:

T_K = (13)

Введя безразмерный радиус ρ = и используя (13) уравнение (12)можно привести к безразмерному виду: Ρ = 1- (14)

На практике превращение удобно выразить через степень превращения твердого компонента x_B = , количество которого в первоначальный момент N_B0= n₀, а в текущий момент N_B0 = n₀ .

Отсюда получаем: x_B=1- и => (15)

Таким образом изменение степени превращения со временем,с учетом (14):

x_B = 1- (16)

Влияние условий процесса на скорость превращения.

1) Температура изменяет константу скорости реакции k и коэффициент массообмена β = .

Нагрев на 10 ⁰ увеличивает скорость реакции в два-четыре раза, а диффузию на 2-3%. Поэтому принимают, что k- зависит от температуры, а β – нет.(Для относительно низких температур.)

2) Скорость потока влияет на массообмен.

При малых скоростях потока режим диффузионный и массообмен увеличивается со скоростью потока.

При больших скоростях потока режим процесса переходит в кинетический и перестает зависеть от этого параметра.

Интенсификация процесса.

Используя уравнение (13) T_K = и (8) К_H= можно получить выражение для времени полного превращения твердого реагента t_K: t_K = ( (17)

Интенсификацию процесса определяют по уменьшению t_K, которое можно достичь:

1) Увеличением концентрации компонента в газе c₀;

2) Дроблением частиц твердого компонента – уменьшением R₀;

3) Увеличением температуры и, следовательно, константы скорость k;

4) Увеличением скорости потока и, следовательно, коэффициента массообмена β.

Влияние температуры и скорости потока на наблюдаемую скорость превращения ограничено соответствующим режимам процесса- кинематическим и диффузионным.

45.Гетерогенный химический процесс:Лимитирующие стадии и режимы процессы.Скорость отдельной стадии процесса(реакция массоперенос)

Скорость отдельной стадии процесса(реакция, массоперенос)определяется его параметром(константой скорости, коэффициентом массообмена) и движущей силой(концентрацией – для реакции, разностью концентраций -для массопереноса.)

Параметр процесса является характеристикой интенсивности его стадий.

Если k<<β – реакция малоинтенсивна и в уравнении (6) C_n= получаем c_n≈c₀, - то есть реакция будет протекать при максимально возможной в этих условиях концентрации (у реакции максимально движущая сила).

Из уравнений (8) К_H= и (9) W_H= - K_H C₀ получим, что наблюдаемая скорость превращения равна скорости реакции W_H= - k c₀ и не зависит от параметра массопереноса β.

Таким образом, данный процесс протекает в кинетическом режиме, а реакция является лимитирующей стадией.

В случае когда k>>β – интенсивность массообмена мала, из уравнения (6) C_n= получим c_n<<c₀, а из выражений (8) К_H= и (9) W_H= - K_H C₀ => W_H= - β c₀.

Массоперенос осуществляется при максимальной движущейся силе

(c₀-c_n)=c_0, а скорость превращения не зависит от параметра реакции (константы скорости k).

Это диффузионный режим, а массоперенос -лимитирующая стадия.

Режим и лимитирующая стадия – понятия и характеристики, присущие многостадийному процессу.

Лимитирующая стадия - этап многостадийного процесса, который происходит при максимальной движущей силе или минимальной интенсивности.

Лимитирующая стадия определяет режим или область протекания процесса.т.е это не скорость самой медленной стадии т.к. в стационарном режиме скорости всех стадий равны.

46. Гетерогенный химический процесс:Система"газ-жидкость"

Взаимодействие «газ-жидкость» представлено в промышленности несколькими разновидностями по способу контакта фаз:

1) барботаж (диспергированный газ в виде пузырей поднимается в слое жидкости);

2) орошение (диспергированная в виде капель жидкость перемещается через газ);

3) пленчатое течение (жидкость пленкой стекает по поверхности, поток газа проходит вдоль нее);

4) контакт в насадочной колоне (близок к пленочному течению: жидкость стекает по насадке в виде нерегулярной, возмущенной пленки, газ проходит в свободном пространстве);

5) газожидкостый поток (потоки газа и жидкости перемещаются в одном направлении)

Схема процесса взаимодействия газа с жидкостью, обобщающая все рассмотренные способы контакта, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема гетерогенного процесса «газ-жидкость».

Компоненты из газообразного и жидкого потока переносятся через поверхность раздела фаз и реакция протекает в одной фазе или в обеих. В пределах выделенного элемента, в качестве которого можно выделить газовый пузырь с некоторым объемом жидкости, или элементарный участок пленчатого газожидкостного потока, концентрация компонентов по участку каждой фазы распределяется равномерно. Рассмотри один из вариантов процесса:

Исходные компоненты А и В содержатся в газе и жидкости соответственно.

Их содержание определенно условиями процесса: парциального давление А в газе Р_А и концентрации В в жидкости С_В. Реакция протекает в жидкой фазе и продукты остаются в жидкости или могут перейти в газ.

Запишем уравнение следующим образом:

A_r+B_ж=R_ж + (S_r) (18)

Скорость реакции(18) описывается кинетическим уравнением: r = k c_Ac_B (19)

где С_A- концентрация А в жидкой фазе.

Структура процесса.

Одно из отличий данной системы от предыдущей заключается в существовании в обеих фазах пограничных слоев, что обусловлено их текучестью.

Выделим основные этапы(стадии) процесса (см. рис.2).

1) Перенос компонента А из объема через пограничный слой к поверхности раздела фаз (этап I). 2) Перенос А через поверхность раздела из газа в жидкость (этап II). 3)Перенос А от поверхности раздела через пограничный слой жидкости в ее объем (этап III). 4)Реакция между А и В в жидкости (этап IV).

Возможное распределение концентраций А представлено в нижней части на рис.2.

Математическая модель указанной последовательности этапов основано на равенстве потоков W_I:W_II и W_III на стадиях переноса и W_IV превращения компонента А: W_I=W_II=W_III=W_IV (20)

1) Поток компонента А через газовый пограничный слой: W_I=β_r S ( - ) (21)

где - коэффициент масообмена между объемом газа и поверхностью раздела фаз;

- парциальное давление А у поверхности раздела фаз -площадь поверхности раздела фаз

При переносе через поверхность раздела фаз можно полагать, что при поверхностные парциальное давление в газе и концентрации в жидкости находятся в равновесии: =K_a (22) где K_a – константа абсорбции.

2) Поток компонента через жидкостной пограничный слой:

W_III= - β_ж S() (23) где β_ж- коэффициент массообмена между поверхностью раздела и объемом жидкости.

3) Реакция протекает в жидкости и скорость превращения А в ее объеме V_ж:

W_IV= - k C_AC_BV_ж (24) Сопоставляя уравнение (20-24) получаем:

(25) где - удельная поверхность раздела фаз =S/V_ж,используется для характеристики развитости площади контакта жидкости и газа.

Если перенос из одной среды в другую проходит через несколько последовательных этапов, его интенсивность определяет общим коэффициентом массопереноса между газом и жидкостью –β: = + (26)

В химической технологии удобно использовать объемный коэффициент массопереноса - количество вещества, переносимого между фазами через поверхность, находящегося в единице объема одной или обеих фаз, в единицу времени при единичной разности концентраций вещества в фазах: Β_об=β S_уд (27)

Преобразуем уравнение (25) используя выражение (26),(27): С_А= (28)

Наблюдаемую скорость превращения W_H получим подставив (28) в кинетическое уравнение (24): W_H=W_A= - k C_AC_B= - (29)

Режимы процесса.

В кинематическом режиме определяют стадией является реакция, вызванная максимальной движущей силой.

В данном случае это произойдет если жидкость будет насыщена компонентом А, то есть при условии С_А=K_аP_A, что исходя из (28) возможно при >>1 и как следует из (29): W_H= - β_об K_a P_A (31)

Отсюда наблюдаемая скорость превращения W_H равна скорости переноса компонента А в не содержащую его жидкость, и зависит от коэффициента переноса β_об

Анализ процесса «газ-жидкость».

Обращает на себя внимание иной вид выражения (29) для W_H по сравнению с кинетическим уравнением (24) согласно которому скорость реакции описывается уравнением первого порядка по компонентам А и В. Выражение же (29) имеет вид характерной для реакций с торможением их скорости одним из компонентов. В данном случае с увеличением концентрации В реакция приобретает нулевой порядок по В, то есть ее скорость не зависит от концентрации В. Причина «торможения» скорости реакции связана с нехваткой компонентов А в жидкости для протекания реакции.

Температурная зависимость скорости превращения.

При небольших температурах константа скорости мала: <<1 и в системе устанавливается кинетический режим (уравнение (30)). Однако с возрастанием температуры на скорости реакции начинает сказываться константа абсорбции К_а и реакция начинает переходить в диффузионный режим.

По этой причине скорость превращения с ростом температуры сначала возрастает, а затем уменьшается. При больших температурах наблюдается диффузионный режим и, соответственно >>1. (см. (29)).

Здесь температура может даже отрицательно сказываться на скорости превращения из-за уменьшения растворимости газообразного компонента.

Коэффициент массопредачи β_об практически не зависит от температуры.

Интенсификация процесса.

1) Повышение температуры- наиболее эффективный способ ускорения процесса в кинетической области.(см. k=k₀ exp ). В диффузионном режиме, как указывалась, рост температуры может отрицательно сказаться на скорости процесса.

2) Увеличение скорости потоков и их турбулизация, от которых зависит коэффициент массопередачи β_об – основной способ интенсификации процесса в диффузионном режиме(см.(31)).

3) Увеличение удельной поверхности контакта влияет на интенсивность процесса, так как β_об пропорционален S_уд.(см. (27)). Β_об=β S_уд Это достигается диспергированием потоков (уменьшением размеров пузырей или капель). Но здесь есть ограничения. В барботаже движение пузырей, их всплытие в слое жидкости определяется гравитацией, явлением неуправляемым.

При подъеме мелкие пузыри сливаются, крупные- дробятся и реально можно достигнуть значения объемного коэффициента массопереноса β_об=0,2-0,3с^-1.

Увеличить поверхность контакта фаз возможно путем принудительного создания развитой поверхности с помощью насадки. Но и этот прием так же ограничен.

В слое мелкой насадки с развитой поверхностью пространство для потоков газа и жидкости ограничено. Этим путем можно достигнуть значение объемного коэффициента массопередачи β_об = 0,5÷0,6 с^-1.

4) Изменение растворимости газа в жидкости – эффективный способ управления интенсивностью газожидкостного процесса в любом режиме.

С увеличение константы абсорбции К_а вызванным, например, подбором хорошего растворителя, наблюдаемая скорость превращения будет возрастать.