ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Роль массопередачи из "Химические реакторы расчет и управление ими" В предыдущих главах уже говорилось о скорости превращения. Ее выражали в единицах массы или мольных долях определенного компонента, превращенного за единицу времени в единице объема (или на единицу массы катализатора). Предполагалось, что известна зависимость скорости превращения от температуры, давления и состава реагирующей смеси. При этом нас не интересовало, является ли реакция процессом, протекающим однородно во всей системе, или наблюдаемая степень превращения складывается из множества отдельных независимых микропроцессов. [c.152] Действительно, в материальных балансах участвуют величины, которые обычно малы по сравнению с изменениями их во всем реакторе, но достаточно велики по сравнению с возможными изменениями этих величин в сколь угодно малом объеме реактора. [c.152] Такие местные изменения состава и природы реагирующей смеси наблюдаются даже в однофазных (гомогенных) системах, если не происходит полного перемешивания между молекулами системы. Более заметные различия встречаются в системах, состоящих из нескольких фаз (гетерогенных). [c.152] В нротивопо.ложность реакциям, протекающим микрогомогенно, в гетерогенных системах не все реагенты способны участвовать в реакции. Например, в гетерогенной системе реакция между А и В происходит в одной фазе (гомогенно), хотя А в действительности присутствует и в другой фазе. Очевидно, реакция протекает то лысо после перехода А в реакционную фазу. Скорость перехода А, таким образом, может повлиять на скорость превращения, особенно если собственная скорость реакции выше скорости массопередачи. [c.152] Проектирование реактора для гетерогенных систем пока производится с учетом общей степени превращения (макропревращения) и полностью основано на теории, изложенной в предыдущих главах. [c.153] Различия между скоростями превращения для гомогенной и гетерогенной систем отражаются на математическом уравнении, которое для гетерогенной системы учитывает взаимосвязь химической реакции и массопередачи. Основная цель, поставленная авторами в данной главе, — проанализировать эту взаимосвязь и на основании результатов анализа предложить уравнения для общей скорости превращения. [c.153] Ввиду большого разнообразия вопросов, затрагиваемых в этой области, ограничимся обсуждением лишь нескольких случаев, широко применяемых на црактике. [c.153] Они перечислены в табл. 4, где приведена классификация по условию протекания реакции (гомогенная или гетерогенная) и по распределению реагентов в фазах. [c.153] Поскольку массопередача играет значительную роль в большинстве приведенных далее примеров, обозначим через р коэффициент массопередачи. Формально р соответствует отношению материального потока от пограничного слоя (или к нему) к разности концентраций на границе раздела и в объеме рассматриваемой фазы. [c.153] Подобное выражение для потока jJ получается при использовании единиц массы WJ. [c.154] Для массопередачи между внутренними слоями маленького пузырька (или капли) и поверхностью число Шервуда колеблется в пределах 10 ЗЬ 25. Меньшей величиной пользуются, когда внутренняя среда инертна, а большую применяют при свободном внутреннем движении 9в-э8 Для тонкой пленки жидкости, стекающей по насадке, число 8Ь лежит в указанном интервале. [c.154] Келдербенк и Му-Янг обобщили свойства непрерывной массопередачи между фазами для барботируемых пузырьков газа и для частиц, диспергированных в жидкости. [c.155] Количество вещества, переданного через пограничный слой фазы данной системы, пропорционально массовому или мольному потоку через единицу поверхности и площади поверхности А. Эта величина, отнесенная к единице объема реактора или к удельной поверхности является крайне важной переменной в гетерогенно-каталитических системах и тесно связана со степенью дисперсности. [c.155] Если одна из фаз твердая (например, при стационарном и кипящем слое катализатора в случае цементного раствора), величину А, легко рассчитать по геометрическим размерам частиц, так как нетрудно провести фракционный анализ. [c.155] Метод определения А несколько усложняется, когда эту величину требуется определить для границы раздела газ — жидкость, где жидкость течет через насадку известного размера (например, в насадочных дистиллнционных и абсорбционных колонках и капельных реакторах). В промышленной практике, где одна фаза диспергирована в другой (газ в жидкости, жидкость в газе, жидкость в жидкости), очень трудно надежно предсказать удельную поверхность раздела. В общем случае ею приходится задаваться на основании литературных данных о подобных системах или определять специально (например, в газо-жидкостных реакторах с перемешиванием см. монографию Вестертерпа, Ван Дирендонка и де Кра ). [c.155] Для этого находят соотношение между поверхностью раздела А системы, состоящей из двух фаз (например, fшg) , общим объемом V,, объемами фракций VУд ш степенью дисперсности. [c.155] Эти уравнения показывают, что А и А обратно пропорциональны среднему размеру дисперсных частиц. Размер пузырька или капли зависит не только от свойств среды обеих фаз, но в большей степени от взаимосвязи между силами, вызывающими диспергирование и коалесценцию капель. [c.156] Последний член уравнения (У,8а) учитывает скорость образования продукта в результате гомогенной химической реакции в фазе/. Благодаря массопередаче состав реакционной фазы изменяется меньше, чем рассматриваемый объем поэтому следует применять среднюю величину скорости. [c.156] Когда скорость реакции очень мала по сравнению со скоростью массопередачи J, состав фазы / равномерен и находится в равновесии с другой фазой. Если известно уравнение, описывающее кинетику реакции, то легко вычислить (см. стр. 160). В случае относительно быстрой реакции на распределение концентрации сильно влияет соотношение между скоростями массопередачи и гомогенной химической реакции может быть найдено только на основании экспериментального исследования связи указанных факторов со степенью дисперсности (см. стр. 160). [c.157] В большинстве случаев одна из фаз, например фаза , является веществом, реагирующим с компонентами дисперсионной среды / (или катализатором реакции) в этом случае = 0. Тогда приведенное выше уравнение показывает, что скорость образования J равна массовому потоку У от поверхности в объем среды / значение ее положительно для образующихся веществ и отрицательно для исходных. Величина такого массового потока определяется только при совместном учете массопередачи и химической реакции на бесконечно малой поверхности раздела фаз (см. стр. 171). [c.157] Вернуться к основной статье