Реакция в пористом зерне

В. Г. Л е в и ч, Ю. И. X а р к а ц, Ю. А. Ч и з м а д ж е в, О работе пористого зерна катализатора при реакции дробного порядка в неизотермическом случае, ДАН СССР, 167, 147 (1966). [c.148]

Области гетерогенного реагирования. Рассмотрим мономо — лекулярную необратимую реакцию на однородной поверхности Н пористого зерна катализатора. Пусть адсорбция (хемосорбция) реактанта на активной поверхности следует закону Генри, то есть реакция имеет первый порядок по поверхностной концентрации С , то есть [c.96]

РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВА К ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ПРИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ В ЗЕРНЕ ПОРИСТОГО КОНТАКТНОГО МАТЕРИАЛА [c.19]

РЕАКЦИЯ В ПОРИСТОМ ЗЕРНЕ [c.23]

Реакция в пористом зерне. Как было показано выше, при не слишком больших значениях модуля Тиле внешнедиффузионное сопротивление не оказывает заметного влияния на процесс в пористой частице. Поэтому уравнение (111.21) можно решать в рассматриваемом случае с более простыми граничными условиями [c.109]

Изотермическая реакция. Исследуем теперь условия протекания реакции (III.41) в пористом зерне катализатора. Если скорость химической "реакции в единице объема пористой частицы равна г(С, Т), то распределение концентрации Q любого вещества внутри частицы произвольной формы определяется решением системы дифференциальных уравнений [c.121]

Исследуем теперь решение системы уравнений материального и теплового балансов экзотермической реакции па пористом зерне катализатора [c.130]

Здесь l — концентрации веществ, участвующих в реакции Т — температура г — скорость реакции в единице объема пористого катализатора D , % — эффективные коэффициенты диффузии и теплопроводности в пористом зерне v — стехиометрический коэффициент -го вещества (v,- < О для исходных веществ и > О для продуктов реакции) h — теплота реакции V — оператор Лапласа g = С (Г), То= Т (Г) — концентрации реагентов и температура на внешней поверхности зерна oo, T a— значения соответствующих переменных в ядре потока, омывающего частицу катализатора Р,, а — коэффициенты массо- и теплопередачи из ядра потока к внешней поверхности зерна п — направление внешней нормали к поверхности Г. [c.131]

Неизотермичность пористого зерна может приводить к сильному изменению селективности процесса, благодаря разли 1ию энергий активаций основной и побочной реакций [27 ]. Этот эффект окажется значительным для процессов, включающих как последовательные, так и параллельные реакции. Часто побочные реакции идут при оптимальной температуре процесса с малой скоростью, обладая большой энергией активации. Разогрев катализатора в диффузионном режиме ускоряет такие реакции сильнее, чем основную реакпию, ведущую к образованию целевого продукта, вследствие чего селективность процесса резко падает. [c.146]

Аналогичное исследование работы отдельной ячейки может лть выполнено в том случае, когда реакция идет внутри пористых зерен. При этом уравнения материального баланса ячейки по-прежнему записывают в форме уравнений (У1.132)—(УГ.135) или (VI.136), (У1.137), (У1.139), (VI.140), где под р (Сп, Т ) надо понимать эффективную скорость реакции в пористом зерне, отнесенную к единице его внешней поверхности. [c.251]

В уравнении ( 1.152) единственной переменной остается температура, и-само это уравнение, независимо от кинетики процесса, имеет ту же форму, что и уравнение, описывающее стационарную реакцию нулевого порядка в цилиндрическом пористом зерне или сосуде без конвекции [40]. Полагая г = к(Т f (С), приводим уравнение ( 1.152) и граничное условие Т = к виду [c.255]

УСТОЙЧИВОСТЬ РЕАКЦИИ НА ПОРИСТОМ ЗЕРНЕ КАТАЛИЗАТОРА [c.358]

Точки ветвления. Рассмотрим реакцию на пористом зерне катализатора. Если сопротивлением массо- и теплопередаче на внешнюю поверхность частицы можно пренебречь, то система стационарных уравнений всегда может быть сведена (см. раздел 111.4) к единственному уравнению для безразмерной температуры 0 [c.358]

При анализе устойчивости процесса в диффузионном режиме следует учесть, что в этом случае реакция локализуется в тонком слое близ внешней поверхности пористой частицы. Благодаря большой скорости химической реакции флуктуации концентрации должны чрезвычайно быстро затухать вне этого слоя, и только флуктуации температуры могут свободно распространяться по всему объему зерна путем теплопроводности. Переходные процессы в тонком реакционном слое должны протекать весьма быстро поэтому цри анализе устойчивости можно считать, что этот слой всегда работает в стационарном режиме и учитывать только наиболее медленный нестационарный процесс распространения тепловых флуктуаций в объеме пористого зерна. Исследуя процесс, протекающий в диффузионном режиме, следует уже учесть сопротивление тепло- и массо-нереносу на внешней поверхности зерна. Учитывая упомянутые выше допущения, записываем уравнения, описывающие нестационарный процесс, протекающий в диффузионном режиме, в виде [c.362]

Влияние теплопередачи также может быть существенным. Рассмотрим, например, экзотермическую реакцию, протекающую на внутренней поверхности пористого зерна катализатора. Реагирующие вещества должны продиффундировать внутрь зерна, а конечные продукты — из него. Если реакция происходит быстро и тепло не успевает достаточно быстро отводиться, то внутри зерна температура возрастет и скорость реакции увеличится. [c.23]

Полученные суммарные зависимости хода процесса являются составными частями следующего уровня модели и не зависят от его масштаба. Например, закономерности протекания процессов в составных частях модели второго уровня (см. рис. ХУ-2), т. е. переноса вещества и тепла внутри поры катализатора и стадии химического превращения, не зависят от масштаба зерна и капилляра. Влияние масштаба на распределение концентраций и температур по длине поры и скорость химического процесса определяются краевыми условиями зерна и характером массо- и теплообмена между наружной поверхностью и ядром потока. Наблюдаемые зависимости скорости реакции от концентраций и температуры на пористом зерне не зависят от масштаба следующего уровня (слоя катализатора) и входят в него как составляющая математической модели в неподвижном слое. [c.465]

Цель этого этапа моделирования — определение границ кинетической области, а также оптимальных пористой структуры, формы и размеров зерен катализатора. Работами многих ученых " -созданы методы анализа скорости протекания химических процессов в пористых зернах и даны важнейшие рекомендации -зо, 52,5з JJo выбору указанных оптимальных параметров. Развитие математического моделирования при помощи ЭВМ открыло новые возможности дальнейшего совершенствования методов расчета и детального изучения механизмов химических реакций на пористых катализаторах. [c.472]

Для модели каталитического процесса, состоящего из экзотермической реакции 1-го порядка на пористом зерне катализатора [c.99]

В пористых зернах катализатора реакция протекает на внешней поверхности и, главным образом, на стенках пор внутри зерен. Общий процесс массопередачи складывается из ряда последовательных стадий [c.52]

Повышение концентрации продукта, как правило, тормозит общую скорость реакции, так как при этом сдвигается адсорбционное равновесие и увеличивается поверхность катализатора, занятая продуктом. При катализе на пористых зернах катализатора возрастание концентрации продукта увеличивает внутри- и внешнедиффузионное торможение. Сильное повышение концентрации продукта в некоторых реакциях приводит к отравлению катализатора. Однако в автокаталитических процессах появление продукта и рост его концентрации ускоряет реакцию. [c.86]

Промышленное применение результатов лабораторных исследований по гетерогенному катализу часто требует решения сложных самостоятельных задач. Реакции могут протекать как в статических условиях, так и в потоке. Большинство промышленных катализаторов представляют собой пористые зерна с развитой внутренней поверхностью. При большой скорости химического превращения наблюдаемая скорость процесса будет зависеть от скорости диффузионного переноса реагирующих веществ внутрь зерна и продуктов реакции в обратном направлении. Необходимо поэтому создание катализаторов с оптимальной пористой структурой, работающих при оптимальных условиях (температуре, давлении), отвечающих требованиям макрокинетики контактных процессов. Требуется сложное аппаратурное технологическое оформление. Применяются современные расчетные методы, основанные иа математическом моделировании, с использованием исследований Г. К. Борескова, М. Г. Слинько и других ученых. [c.186]

Органические полимеры, не имеющие пористости и внутренней поверхности, доступной для адсорбции из газовой фазы, нельзя использовать для поглощения вредных газов и в газовой хроматографии. Чтобы устранить эти недостатки, были созданы органические пористые адсорбенты с более жестким скелетом и достаточно крупными порами, в которые могут проникать молекулы из газовой фазы. Жесткость сополимера весьма существенна, так как позволяет органическому адсорбенту сохранять пористость в широком интервале температур и снижает растворение в нем молекул, родственных по химической природе звеньям, образующим скелет этих адсорбентов. Для придания жесткости используют реакции сополимеризации со сшивающим мономером. Чтобы увеличить объем и размеры пор, реакцию сополимеризации проводят в присутствии инертного растворителя (порообразователя), растворяющего мономеры, но не растворяющего сополимер. Регулируя количество сшивающего мономера и инертного растворителя, можно получать различные по жесткости и пористости адсорбенты с близ-кой к силикагелю глобулярной структурой скелета (см. рис. 3.3). Поры в этом случае представляют собой зазоры- между глобулами. Эти первичные глобулы химически соединяются друг с другом во вторичные частицы — пористые зерна. При эмульсионной полимеризации получаются сферические зерна. Удельная поверхность пористых сополимеров этого типа порядка 1—10 При избытке сшивающего мономера последний сам образует полимер, ухудшающий свойства пористого сополимера. [c.112]

В процессе гидратации исходных зерен играет большую роль их пористость. Зерна цемента представляют собой капиллярно-пористые тела, покрытые к тому же сетью мелких трещин. При соприкосновении с водой зерна цемента практически мгновенно всасывают ее и реакция гидратации протекает на сильно развитой поверхности, значительная часть которой приходится на срединную часть частицы. Развитие реакции внутри зерен приводит к расширению последних и служит источником питательного вещества для кристаллов, растущих в направлении от поверхности частицы. [c.311]

Лин Шин-лин и Амундсон приводят пример численного решения этой задачи при следующих исходных данных массовая скорость 0 = 2930 кг1 м -ч)-, линейная скорость и= 12,47 м1мин радиус зерна катализатора г — 4,24 мм порозность слоя е = 0,35 полное давление р — ат-, удельная теплоемкость зерна катализатора с, = 0,196 ккал кг-град)-, плотность газа рг=1,12 кг/м -, теплота реакции (—АЯ) = 0,667-10 ккал1моль-, средний радиус пор зерна Гпор = 40А коэффициент теплообмена сквозь газовую прослойку г = 97,6 ккал м-ч-град)-, пористость зерна еч = 0,40 теплоемкость газа с,-= 0,25 ккал кг-град)-, плотность катализатора рч = 960 кг м -, масса одного моля газа Л1 = 48 кг моль-, высота единицы теплопередачи Яс =0,018 м-, коэффициент теплопередачи г = 9,88 моль мР--ч-ат)-, константа скорости реакции к = = 22,5 ехр (—12200/Гч) моль м -ч-ат) поверхность зерна катализатора, приходящаяся на 1 объема, а = 402 м м -, б = ехр [12.98 —(12 200/г чЯ 1ч—температура частицы катализатора, °С т — время, мин. [c.268]

При одновременном протекании в пористом зерне катализатора тшических реакций и процессов массо- и теплопереноса в нем возникают градиенты температур и концентраций, т. е. концентрации реагентов и температура смеси изменяются по глубине зерна и отличаются от их значений на поверхности. Скорость же превращения в аппарате обычно определяют при значениях переменных на поверхности катализатора. А для учета внутри-диффузионных эффектов вводится вспомогательная функция т], которая носит название фактора эффективности, или степени использования внутренней поверхности зерна катализатора, и определяется отношением [c.158]

Диффузионный путь любой протяженности изображается набором стандартных диффузионных топологических единиц (см. рис. 5.7), где Т — нсевдоэнергетический транспортный элемент, характеризующий скорость диффузии. Пусть г— радиус пористого зерна катализатора, разобьем его на N шаровых слоев толщиной гШ, причем разбиение не обязательно равномерно. Пусть выполняются условия квазигомогенностиу пористой среды и изо-термичностп процесса. В этом простейшем случае диаграмма взаимосвязи каталитической реакции и диффузии в шаровом слое зерна катализатора примет вид, изображенный на рис. 5.8. [c.227]

Ниже приведен такой метод расчета, основанный на рассмотрении зерна как последовательности элементарных слоев. Каждый слой содержит поры различных радиусов- Химический процесс может протекать как на поверхности пор, так и во вкраплениях — точечных поглотителях. Этот метод позволяет выполнить численное исследование понятно, что для однородно-пористого зерна расчеты по нему и по аналитическим соотношениям Зельдовича и Тиле совпадут. Применение метода будет проиллюстрировано для реакций крекинга. [c.285]

Диффузионное торможение процесса обычно сопровонедается и затруднениями с отводом тепла реакции, ведущими к появлению перепадов температуры внутри пористого зерна катализатора и между поверхностью частицы и ядром потока. Реальные кинетические закономерности каталитического процесса определяются как истинной кинетикой реакции на активной поверхности, так и условиями массо- и теплопереноса их изучение составляет предмет макрокинетики химических процессов. [c.98]

При исследовании макрокинетики химических реакций в пористом зерне нерационально рассматривать процесс в отдельной поре. Поры реальной частицы катализатора неодинаковы по размеру и, пересекаясь друг с другом, образуют запутанную сеть более того, форма свободного объема частицы может напоминать скорее совокупность каверн неправильной форшл, чем сеть капилляров. Поэтому пористое зерно рационально рассматривать как квазигомогенную среду, характеризуя скорость диффузии реагентов эффективным коэффициентом диффузии О, а скорость химической реакции — эффективной кинетической функцией г С, Т). Последняя выражает зависимость скорости реакции в единице объема пористого зерна от концентраций реагентов и температуры в данной точке объема зерна и связана со скоростью реакции на единице активной поверхности р соотношением г = ар (С, Т). [c.100]

Примыкание зерна к разным ячейкам несущественно вследствие слабого влияния внешних градиентов на эффективность работы пористой частицы [38]. Задача исследования режимов ячейки, как и в случае реакции на внепшей поверхности зерен, сводится к тем же уравнениям, что и уравнения процесса на изолированном зерне, с той лишь разницей, что истинные коэффициенты массо- и теплопередачи на внешнюю поверхность р и а заменяются на эффективные величины Р и а. Влияние внешних коэффициентов переноса на режимы пористого зерна было рассмотрено в разделе 111.5. Нолучевщде езуяь-таты применимы, после указанной замены, и к частице, помещенной в зернистый слой. В условиях, когда внешнедиффузионное торможение не влияет на процесс внутри пористой частицы, влияние ячеистой структуры не сказывается и подавно из-за малости дополнительного сопротивления а ., [c.251]

Для сложных неоднородных структур трудно определить процессы переноса вещества и тепла от химического процесса. При строгом расчете скорости реакции в пористом зерне надо знать полную геометрию пористой структуры, а не только функции распределения пор по радиусам и общее число неоднородностей. Так, например, точный расчет возможен для правильных, бидисперсных структур. При наличии структуры, состоящей из длинных макропор с короткими микропорами, эффективный коэффициент диффузии равен коэффициенту диффузии в макропорах. Для сложных неправильных структур значения эффективного коэффициента диффузии, определяемые соответствующими уравнениями переноса, в отсутствие реакции и при ее протекании различны они зависят от глубины работающего слоя катализатора. Еще более отличаются один от другого стационарный и нестационарные эффективные коэффициенты диф- фузки. [c.474]

Так, например, если в окрестности неустойчивого режима увеличивают начальную температуру или начальные концентрации исходных реагирующих веществ, то новый стационарный режим отвечает более низким значениям температур. Общий анализ устойчивости стационарных решений указанным методом удается провести для пористого зерна, адиабатического слоя неполного смешения и реактора с внутренним теплообменом. Некоторь1е результаты нахождения области устойчивых стационарных режимов для экзотермических реакций первого порядка приведены на рис. 27 и в табл. 62. [c.515]

Здесь введены следующие обозначения Ск, Ср — теплоемкости катализатора и потока ек, е — пористости зерна катализатора и слоя Хк, Яс2, X R, Xfz, Ярн — коэффициенты температуронроводно-сти зерна катализатора, скелета катализатора и потока Dk, Dfz, DpB — коэффициенты диффузии в зерне катализатора и в потоке акр, O.KW, 2, O.FW — коэффициенты теплообмена между катализатором и потоком, холодильником и входным потоком и между потоком и холодильником — коэффициент массообмена между зерном катализатора п потоком R , Ra, L — радиус зерна, радиус и длина аппарата VF(Г, Z) — скорость химической реакции Q — тепловой эффект реакции к — константа скорости реакции Ё — энергия активации Д — газовая постоянная и — скорость потока. [c.129]

Математическое описание процессов в адиабатическом слое катализатора имеет вид (3.26) — (3.31), если выполнены следующие предноложения а) градиенты температур внутри зерен катализатора незначительны б) химические процессы на внутренней поверхности зерен катализатора и диффузионные процессы внутри пористого зерна катализатора квазистационарны по отношению к процессам переноса в газовой фазе в) в реакторе протекает одна экзотермическая реакция типа А В без изменения объема. [c.81]

Как уже отмечалось, при больших размерах зерен катализатора, больших скоростях химической реакции, высоком адиабатическом разогреве с.л1ееи возможны ситуации, когда необходимо учитывать процессы переноса внутри пористого зерна катализатора. Это может произойти, например, тогда, когда нарушаются условия (3.10) —(3.11). Существенное влияние на характеристики фронта может оказывать и величина теплопроводности скелета слоя катализатора с увеличе1нием значения максимальная температура во фронте уменьшается. Также уменьшается и скорость движения фронта. [c.93]

Основные результаты расчета при различных технологических параметрах представлены в табл. 10.1. В расчетах варьировались теплопроводность зерна катализатора, линейные размеры гранул катализатора, состав смеси на входе в аппарат, скорость фильтрации и время контакта. В таблице представлены средние за цикл концентрации аммиака на выходе из слоя и максимальная температура катализатора. Из данных, приведенных в таблице, можно сделать вывод о влиянии размеров зерна катализатора на технологические характеристики нестационарных режимов. С ростом размеров зерна катализатора уменьшается максимальная температура, что вызвано снижением коэффициента межфазного теплообмена и ростом характерного времени теплопереноса в пористом зерне. Сов-иместное действие этих двух факторов увеличивает ширину зоны реакции, и, как следствие, максимальная температура понижается. Выход аммиака увеличивается. Это еще раз подтверждает уже обсуждавшийся ранее вывод о том, что при осуществлении процесса в нестационарном режиме часто при увеличении размера зерна внутренний массоперенос оказывает меньшее влияние на выход продукта, чем межфазный теплообмен и теплоперенос внутри зерна катализатора. Например, по данным расчетов при увеличении диаметра зерен катализатора с 5 до 14 мм максимальная температура в слое уменьшается с 587 до 552°С. При этом средняй- за цикл выход аммиака увеличивается с 15,5 до 17,2%. Дальнейшего снижения максимальной температуры можно добиться за еявт использо- [c.213]

Тепло, выделяющееся при проведении реакции, отводится за счет теплопроводности из глубины пористого зерна к его поверхности. Теплообмен между кипящим слоем и теплообмепным устройством характеризуется коэффициентом теплоотдачи. Поверхность теплообменного устройства, часто работающего в широком диапазоне температур и давлений, зависит от правильной оценки коэффициента теплоотдачи. [c.42]

Во внешнедиффузионной области протекают прежде всего процессы на высокоактивных катализаторах, обеспечивающих быструю реакцию и достаточный выход продукта за время контакта реагентов с катализаторами, измеряемое долями секунды. В этом случае нецелесообразно применять пористые зерна с высокоразвитой внутренней поверхностью катализатора, а нужно стремиться развить наружную поверхность катализатора. Так, например, при окислении аммиака на платине последнюю применяют в виде тончайших сеток (см. гл. IV, стр. 160), содержащих более тысячи переплетений платиновых проволочек на 1 см площади сетки. Серебряные сетки или мелкие частицы (крупинки) серебра применяли при окислении метанола в формальдегид, которое, как. и предыдущий процесс, проходит во внешнрдиффузионной области. [c.30]

В уравнениях (7.7) и (7.8) — концентрация кокса т— время А — константа скорости реакции pQ — парциальное давление кислорода Ок. Ок— количество кокса в зерне катализатора в текущий и начальный моменты регейе-рации, соответственно а—коэффициент пропорциональности О — коэффициент ди(1х1)узии кислорода в пористом зерне. [c.364]