ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Появление зародышей в зависимости от времени из "Кинетика гетерогенных реакций" Уравнения, описывающие поведение системы при каждом значении абсциссы у, приведены в двух предыдущих разделах. Совокупность граничных условий, записанных для 2 = 2 , необходимо дополнить уравнением материального баланса для вещества, входящего и выходящего из жидкого или газообразного слоя толщиной ф (рис. 4.3) именно это соотношение материального баланса заменяет теперь уравнения типа (4.23). [c.95] Предположим, что в потоке жидкости или газа отсутствуют ограничения на диффузию, т. е. отсутствуют градиенты концентраций вдоль направления оси 2. Допустим также, что жидкость или газ, находящиеся внутри порошкообразного слоя, не двигаются, т. е. они не увлекаются потоком, проходящим над слоем. [c.95] Обозначим через дебит жидкости или газа, поступающего в объем в единицу времени. Чтобы избежать чрезмерно запутанных рассуждений. [c.95] Уравнение (4.48) применимо во всех случаях. [c.96] Количество реагента, входящего в реактор, равно сумме количеств реагента, выходящего из реактора и прореагировавшего с твердым веществом. Эту последнюю величину можно получить, суммируя количества прореагировавшего реагента [уравнение (4.13)] в элементарных объемах с площадью (1уйг и длиной измеренной в направлении, перпендикулярном плоскости уОг-. [c.97] Теория реакторов с неподвижным слоем с учетом теплопередачи очень сложна. Необходимо учитывать одновременно как процессы тепловыделения, происходящие в ходе химической реакции, так и процессы распространения тепла. Для передачи тепла существует гораздо больше возможностей, чем для распространения диффузионных потоков (тепло мон ет передаваться не только при контакте с газообразной или жидкой фазой, но и благодаря тепловому излучению, а также при контакте твердого порошка со стенками реактора). Более того, поскольку изменение температуры на реакционной поверхности раздела влияет на скорость реакций, наблюдается взаимное влияние процессов передачи тепла и вещества. Система дифференциальных уравнений, описывающих процесс, имеет сложный вид. [c.97] По-видимому, целесообразнее перенести обсуждение процессов передачи тепла в следующую главу, где эта проблема будет рассмотрена с более узкой точки зрения, а именно с точки зрения практического использования реакторов. [c.97] Интерпретация кинетических результатов, как это следует из вида полученных выше математических выражений, чрезвычайно осложнена существованием градиентов для различных компонент смеси. Даже если известны законы изменения реакционной поверхности раздела [уравнение (4.2)] и законы ее продвижения [уравнение (4.3)], то и в этом случае математическое описание представляет собой трудную задачу. В большинстве случаев для решения задачи приходится использовать мощные вычислительные машины. Совершенно напрасны, вероятно, попытки уточнить форму уравнений (4.2) или (4.3) путем анализа экспериментальных данных, так как для этого необходимо было бы сравнить экспериментальные результаты с огромным количеством интегрируемых функций, взятых в различных комбинациях со всеми возможными предположениями относительно рассматриваемых соотношений. [c.97] Применение реакторов с неподвижным слоем возможно и в таких условиях, в которых процессы диффузии протекают гораздо быстрее химической реакции. Для этой цели порошкообразный образец следует наносить довольно тонким слоем, так чтобы каждое зерно образца могло непосредственно вступать в контакт с жидкостью или газом. Кроме того, конвективные потоки или искусственное перемешивание должны создавать достаточную однородность газовой или жидкой смеси, проходящей над неподвижным слоем. [c.97] Первое требование в принципе сохраняет свое значение и для процессов разложения, происходящих в глубоком вакууме, так как даже в этих условиях скорость диффузии молекул газообразного продукта в порах порошка меньше, чем скорость протекания реакции. [c.98] ТОЧНОСТЬЮ коромысловых весов. [c.98] Напомним, что эксперименты Ванденбоша и Юнгерса [7] по выяснению роли процессов диффузии в газообразной фазе выполнены именно в реакторе с неподвижным слоем и с неподвижной газообразной фазой. Форма реактора выбиралась в соответствии с задачами эксперимента. Результаты приведены на рис. 1.2. [c.99] Р II с. 4.5. Реактор с неподвижным слоем. В него вводится газовый поток для восстановления окислов водородом [5]. [c.99] В виде одной компактной частицы (пластинка, диск, таблетка, монокристалл, взятый в естественной или ограненной форме). Чем меньше частиц в образце, тем легче обеспечить необходимый контакт между поверхностью образца и окружающими его жидкостью или газом. Если образец состоит только из одного кристалла, то его можно поместить в центре реакционной камеры термовесовой установки. В этом случае термовесовая установка об.ладает значительными преимуществами по сравнению с остальными типами аппаратуры. Именно такой прибор использован Кветом для проведения исследований, результаты которых представлены на рис. 3.7—3.9. [c.99] Градиенты концентраций могут, однако, существовать в жидкой или газообразной фазе даже при наличии перемешивания. Они возникают в ламинарных слоях жидкости или газа, окружающих отде.льные частицы твердого вещества. Градиенты концентраций могут также существовать и во всем объеме, занятом жидкостью или газом, точно так же, как и в порах порошкообразных образцов, если механическое или конвективное перемешивание лотдкости или газа происходит недостаточно эффективно. [c.99] Если рассмотреть процессы теплопередачи, то можно увидеть, что для нормальной работы реакторов с неподвижным слоем к этим процессам в большинстве случаев предъявляются такие же требования, как и к процессам переноса вещества. Довольно очевидно, что неравномерность температур возникает тем легче, чем толще порошкообразный слой, так как теплопередача в порошке вообще весьма неэффективна. Напротив, если порошок насыпан очень тонким слоем, то подвод и отвод тепла при контакте зерен с окружающими их жидкостью или газом, а также при контакте с дном реакционной камеры значительно облегчаются. [c.99] При использовании компактных образцов может возникнуть другая, весьма трудная задача, связанная с необходимостью создания одинаковой температуры во всех частях образца. Действительно, у компактных образцов большого размера теплообмен с внешней средой протекает значительно менее эффективно из-за неблагоприятного отношения поверхности к объему в отличие от очень маленьких зерен в порошкообразных образцах. Поэтому вероятность того, что образцы твердого веш ества будут нагреваться или охлаждаться в ходе реакции, велика. Исследователи, работающие с такими образцами, всегда тщательно анализируют свои системы с этой точки зрения. В гл. 5 будут рассмотрены методы, подтверждающие то обстоятельство, что теплообмен происходит достаточно эффективно. Заметим только, что интенсивное перемешивание жидкости или газа, окружающих твердый образец, в значительной степени улучшает эффективность теплообмена. [c.100] Наконец, следует упомянуть о проблеме, которая специфична только для процессов теплопередачи. Можно мгновенно приводить жидкие или газообразные частицы, взятые в соответствующей концентрации, в контакт с твердым веществом. Для этого достаточно создать пустое пространство над предварительно помещенным в реактор твердым веществом, а затем быстро ввести в реактор жидкость или газ. Совсем иначе обстоит дело при создании экспериментальных устройств для быстрого изменения температуры. Во многих экспериментах необходимо мгновенно вводить в реактор и нагревать твердые образцы. Например, твердые образцы, используемые для изучения реакций термического разложения, должны очень быстро принимать ту температуру, при которой проводится эксперимент, чтобы кинетика исследуемого процесса не искажалась наложением переходных процессов, протекающих до установления термического равновесия. [c.100] Эта проблема возникает, в частности, для реакторов с неподвижным слоем, так как именно эти реакторы наиболее пригодны для изучения реакций термического разложения с точки зрения теплового баланса. Универсального решения проблемы не существует. Наиболее приемлемые условия экспериментаторы находят эмпирически. В случае процессов разложения, в которых устанавливается обратимое равновесие, можно в принципе рекомендовать один рациональный прием. Он заключается в том, что образец помещается в запаянную ампулу, которая разбивается только в момент достижения термического равновесия. В других случаях ограничиваются тем, что увеличивают скорость отвода тепла до максимально возможного предела, либо обдувая образец струей жидкости или газа, либо увеличивая теплоотдачу с помощью мощных калориферов. [c.100] Для создания хорошего контакта между различными фазами и во избежание неприятных осложнений, вызванных недостаточно быстрой диффузией жидкости или газа в объем твердого вещества, можно использовать систему, в которой поток жидкости или газа вынужден двигаться через порошкообразный слой (рис. 4.1, г и д). Реактор с неподвижным слоем, через который проходит поток жидкости или газа, называется реактором с проходным слоем. Этот термин введен Паннетье [8]. [c.100] Вернуться к основной статье