ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Кинетика реакции газ — жидкость в барботажном реакторе с учетом распределения времен пребывания пузырьков в барботажном слое из "Химическая кинетика и катализ 1985" Проведем теперь кинетическое описание системы, в которой наряду с растворением протекает реакция растворенного газа А с растворенным в жидкости реагентом В. Будем учитывать также изменение концентрации реагента А в газовом потоке в результате протекания реакции. [c.261] Будем оперировать следующими концентрациями компонентов реакционной смеси начальной Со и текущей Сг концентрациями А в газовой фазе, максимально возможной макс В НЙСЫЩбННОМ рЗС творе и текущей Сж его концентрациями в растворе и, наконец, начальной с и текущей с концентрациями реагента В. [c.261] Будем также полагать, что процесс растворения А можно считать установившимся, т. е. что можно пренебречь начальными нестационарными эффектами. [c.261] Рассмотрим двухфазную систему (газ — жидкость), закрытую по жидкой фазе и открытую по газу. Чтобы отвлечься от эффектов переноса будем считать, что и в газовой и в жидкой фазе реализуется режим идеального смешения. Осуществление этого на практике представляет довольно трудную задачу. Для определенности примем, что наша реакция протекает в барбота кном реакторе, в котором через слой жидкости пропускается с постоянной скоростью V поток газовых пузырьков одинакового радиуса г, за счет чего и осуществляется перемешивание. Особенности процесса в барботажном реакторе будут рассмотрены в 5. Здесь мы ограничимся предварительным анализом. [c.261] Кроме того, за счет потока газа через реактор в единицу времени в объем Уг приносится УоСо и уносится 1 гСг молей реагирующего газа. Баланс этих трех потоков и определяет изменение концентрации реагирующего газа в газовой фазе. [c.262] Отметим сразу неприятную особенность уравнения (18)—его нелинейность, введенную видом последнего члена правой части. [c.262] Система дифференциальных уравнений (18) — (20) с начальными условиями Сг(0)=Со Сж(0) = 0 с(0) = сн дает искомое кинетическое описание. Ее решение m t), t), r(i) полностью характеризует кинетику процесса. Для получения решения требуется численное интегрирование на ЭВМ (аналитическое решение отсутствует). [c.262] Следует отметить, что полученное кинетическое описание основано на минимальной информации предполагается, что нам известны только Со и Сн. Если же мы можем определять текущие значения концентраций, то задача существенно упрощается. Например, при известных с и Сж константа k может быть непосредственно определена из уравнения (20) и т. д. [c.262] Система уравнений (18) — (20), как указывалось, имеет силу при режиме идеального смешения в газовой и л идкой фазах, в барботажном реакторе такой режим в газовой фазе в принципе не может быть реализован. [c.263] Пузырьки, времена пребывания которых больше или меньше , находятся в неравноценной ситуации, поскольку характеризуются разными значениями Сг или размерами и соответственно реагируют с разной скоростью. Поэтому система уравнений (18) — (20) дает лишь приближенное кинетическое описание реакции в барботажном слое. [c.263] Рассмотрим решение для слоя, в котором находится статистическое количество пузырьков газа одинаковых размеров, равномерно распределенных в жидкости. Будем полагать, что для жидкости реализован режим идеального смешения. [c.263] ЛГ = г о Ат/У где V — объем отдельного пузырька. [c.264] Формула (31) дает значение концентрации реагирующего газа на выходе из барботалшого реактора с учетом функции распределения времен пребывания отдельных пузырьков в барботажном слое. [c.265] Эта формула сильно отличается от выражений, использованных в 4. Вид первообразной функции в этой формуле в значительной мере определяется видом зависимости а р от Сг для отдельного пузырька (т. е. видом уравнения кинетики растворения) и масштабом нестационарности системы, т. е. зависимостью Wp от времени. Поскольку последняя определяется условиями конкретного опыта (объем жидкой фазы, концентрация реагента, соотношение между количеством реагента и скоростью реакции), то при изменении условий опыта в принципе может измениться и вид временной зависимости величины Сг. [c.265] На рис. 61 показана кинетическая кривая окисления органических соединений в растворе озоном в барботажном реакторе идеального смешения. Как видно, концентрация озона на выходе из барботажного реактора в начале процесса быстро снижается, некоторое время остается низкой и практически неизменной и затем постепенно нарастает до значения в исходной газовой смеси. [c.265] Собственно скорость поглощения азона раствором в окрестности точки / — О должна быть максимальна, а концентрация его в газе минимальна, т. е. переход от значения Со к значению Сг в минимуме должен был бы происходить скачкообразно. Тем не менее нисходящая ветвь экспериментальной кривой расположена под некоторым углом к оси ординат (не равным нулю), что соответствует нарастанию скорости поглощения озона в начальный период процесса. Этот эффект обусловлен инерционностью системы, в частности, инерционностью барботажного слоя. При пуске озона в реактор в начале процесса время пребывания в слое выделяющихся из него пузырьков газа заведомо меньше среднего времени при установившемся составе барботажного слоя, и в начальный период по мере работы реактора средние по слою времена пребывания пузырьков возрастают, асимптотически приближаясь к стационарному значению. В соответствии с этим при малых временах наблюдаемая скорость поглощения озона возрастает. [c.266] Для нас существенна другая сторона эффекта нисходящая ветвь кривой характеризует свойства экспериментальной установки, а не химической системы. [c.266] Области минимума на кинетических кривых соответствует наибольшая вероятность того, что скорости реакции окисления определяются скоростями процесса растворения или диффузии, поэтому основную информацию о кинетике процесса целесообразно извлекать из данных, принадлежащих восходящих ветвям кривых [уравнение (31)]. [c.266] Совокупность уравнений (31) и (36) в сочетании с уравнением кинетики собственно реакции и дает нам систему уравнений, описывающую кинетику реакции в барботажном реакторе с учетом распределения времен пребывания пузырьков в барботажном слое. [c.267] Возможности более простых решений, как и ранее, связаны с увеличением ио и обращением реактора в дифференциальный изучение кинетики собственно реакции целесообразно проводить на основе анализа состава раствора. [c.267] Вернуться к основной статье