Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Диффузия в зернах реагента

Влияние внутренней диффузии на ход контактного процесса наблюдается, когда скорость этого процесса зависит от таких факторов, как, например, величина зерна или структура массы катализатора, с которой связано значение эффективного коэффициента диффузии. Во внутридиффузионной области концентрации реагентов на внутренней поверхности зерна отличаются от их концентраций внутри зерна. [c.289]

Основные уравнения. Чтобы понять основные закономерности диффузионного торможения каталитических реакций, начнем с простейшего случая — необратимой изотермической реакции первого порядка [17, 18]. Пусть эта реакция протекает на частице катализатора, имеющей форму пластины толщиной 21, торцы которой открыты для подачи реагента, а боковые грани запечатаны . Если такое зерно однородно, то концентрация реагирующего вещества С будет изменяться только в одном направлении — вдоль оси X, перпендикулярной к торцам пластины. В согласии со сказанным в разделе 1П.1,,будем рассматривать пористый катализатор как гомогенную среду, а перенос вещества в порах характеризовать эффективным коэффициентом диффузии D. Тогда стационарное распределение концентрации реагента по толщине пористой пластины будет описываться одномерным диффузионным уравнением [c.106]

Определение оптимального химического состава — еще пе окончательное решение задачи создания эффективного промышленного катализатора. Удельная активность, характеризующая активность единицы поверхности катализатора, —величина специфичная для данного химического состава — пе единственный фактор, определяющий производительность катализатора. Большинство катализаторов гетерогенно-каталитических процессов обладают высокоразвитой пористой структурой. Чтобы достичь активной поверхности внутри зерна, реагенты должны продиффундировать в поры катализатора. Поэтому диффузия реагентов и продуктов реакции внутри зерна катализатора является одной из стадий гетерогенно-каталити-ческих реакций. В работах [1, 2] было показано, что скорость гетерогенно-каталитической реакции в общем случае — результат взаимодействия диффузии реагентов внутри зерна катализатора и химической реакции на поверхности катализатора. Величина внутренней поверхности и скорость диффузии реагентов внутри зерна катализатора зависят от строения пористой структуры. Недостаточная скорость диффузии приводит к неполному использованию внутренней поверхности катализатора и, в конце концов, к снижению эффективности катализатора. Очевидно, регулируя пористую структуру, можно создать условия наиболее полного использования внутренней поверхности катализатора и обеспечить максимальную его производительность. [c.153]

Результаты [5.21] относятся, однако, только к случаю, когда основная реакция не лимитируется диффузией, т. е. для частицы катализатора в виде порошка или для случаев, когда модуль Тиле меньше единицы. Более общий подход к описанию обратимого отравления был развит в работе [5.22]. В ней сняты ограничения, указанные выше, а также другие, например в отношении геометрии зерна в форме полубесконечной пластины. Принято, что гранула катализатора изотермична, а эффективная диффузия основного реагента и яда однородна и не зависит от состава газовой смеси. Скорость основной реакции лимитируется диффузией. Адсорбция основного реагента и яда описывается уравнениями Ленгмюра. Внешний массоперенос не оказывает влияния на закономерности основной реакции и реакции отравления. [c.104]

С увеличением температуры происходит экспоненциальное увеличение скорости химической реакции. Если это увеличение становится достаточно большим, то диффузия газообразного реагента в порах твердой фазы приобретает роль стадии, лимитирующей скорость процесса. Такое явление может также наблюдаться и без существенного увеличения температуры, если твердая фаза имеет относительно небольшую пористость. При этих условиях газообразный реагент быстро расходуется в реакционной зоне. Сама реакционная зона может в этом случае представлять собой четкую границу раздела, перемещающуюся от внешней поверхности твердого тела по направлению к центру зерна по мере исчерпывания твердого реагента. На рис, 9.7 (б) показано изменение концентрации твердого вещества по радиусу сферической частицы через определенный промежуток времени после начала реакции. В работе [9.21] впервые был постулирован механизм для этой модели с отделенным четкой границей сжимающимся ядром. Многие другие исследователи также изучали различные аспекты этой модели. [c.217]

Второй режим. 0,1с з. По сравнению с диффузией реакция— быстрая. В этом случае в центре зерна 1 Ь Ъ. При обсуждении графика 18.2 мы уже отмечали, что при таких значениях /L концентрация реагента практически равна нулю. Итак, в этом режиме к центру зерна реагент практически не доходит, и реакция здесь не идет (нижние кривые на рис. 18.3). [c.208]

Если в зерне внутренняя диффузия отсутствует и концентрация реагента А на всей внутренней поверхности соответствует его концентрации на внешней поверхности катализатора Са , то изменение числа молей за время йх в результате прохождения химической реакции можно представить следующим образом [c.287]

Твердые катализаторы обычно представляют собой высокопористые тела, удельная поверхность которых достигает значений 10—ЮОм /г и намного превышает геометрическую поверхность зерен (1—Юсм /г). Поэтому каталитическая реакция протекает главным образом внутри зерен катализатора и обеспечивается диффузией реагентов сначала к внешней, а затем к внутренней поверхности зерен вдоль пор. По мере проникновения в глубь зерна реагенты расходуются в реакциях на стенке поры, поэтому необходимо использовать модель внутренней задачи. [c.293]

Таким образом, при реакциях газа с твердым телом следует различать три типа диффузионных стадий, протекание которых может отражаться на наблюдаемой кинетике реакции. Это — диффузия газообразного реагента к внешней поверхности зерен твердого реагента, диффузия газообразного реагента в порах твердого и, наконец, диффузия газообразного реагента через слой твердого продукта. Первая и последняя из них, будучи медленными, обусловливают квазистационарность суммарного процесса (соответственно могут быть реализованы макрокинетические области — внешнедиффузионная и диффузионная, когда лимитирует диффузия газа через слой твердого продукта). Падение концентрации реагирующего газа в порах твердого реагента приводит к формированию узкого фронта реакции, постепенно продвигающегося вдоль пор от внешней поверхности к центру зерна. [c.304]

В свою очередь, массопередача сама может протекать в несколько последовательных стадий. Так, для гетерогенного процесса с участием пористого твердого вещества (например, кокса) и газа (например, кислорода) можно выделить несколько элементарных стадий 1) подведение путем диффузии реагирующих веществ (О2) из потока к внешней поверхности твердого тела 2) диффузия газообразных реагентов (О2) в порах зерна твердого тела к его внутренней поверхности 3) собственно химическая реакция (с образованием оксидов углерода) 4) диффузия продуктов реакции (СО, СО2) из внутренних областей твердого вещества к внешней поверхности 5) диффузия продуктов реакции с внешней поверхности в поток. [c.72]

Диффузия в зернах реагента [c.184]

Для реакций в слое зернистого материала большое значение имеет диффузия реагентов в порах зерна, т. е. внутренняя диффузия. Влияние внутренней диффузии на скорость контактного процесса будет разобрано на стр. 284—289. [c.250]

Рис. УП1-14. Изменение парциального давления реагента А в зерне, когда сопротивление диффузии через слой продукта лимитирует скорость превращения.

Когда пленка продукта реакции плотная и число пор в ней невелико, сопротивление переносу газообразного реагента на этом этапе значительно выше сопротивления диффузии в ламинарной пленке около зерна. В таких случаях сопротивление газовой пленки можно не учитывать. Необходимо также указать, что сопротивление диффузии через пленку продукта и сопротивление химической реакции не зависят от скорости основного потока газа. [c.268]

При установившемся режиме контактного процесса скорости всех последовательных этапов одинаковы. Если сопротивление диффузии реагентов и продуктов в ламинарной газовой пленке, окружающей зерно катализатора, значительно выше сопротивлений других этапов, то контактный процесс проходит во внешнедиффузионной области. [c.283]

Уравнение (УП1-266) описывает изменение числа молей реагента А в единицу времени вследствие прохождения химической реакции на внутренней поверхности зерна, когда в результате внутренней диффузии концентрация этого реагента в зерне изменяется с уменьшением г/Яо в соответствии с уравнением (УП1-2б4). [c.287]

Одной из обязательных стадий гетерогенно-каталитической реакции является перенос вещества к активной поверхности. Типичный гетерогенно-каталитический процесс идет на поверхности твердой частицы, большей частью пористой, которая омывается потоком газа или жидкости. Если химическая реакция протекает достаточно быстро, скорость процесса может лимитироваться подводом реагентов из ядра потока к внешней поверхности частицы, а также диффузией реагентов в порах внутрь зерна катализатора. В этом случае говорят соответственно о внешне- и внутридиффузионном торможении процесса. [c.98]

При описании макрокинетики каталитической реакции на составных зернах применяют двойную диффузионную модель, вводя отдельные эффективные коэффициенты диффузии для системы транспортных макропор и для микропор в мелких гранулах 19]. При этом сначала определяют зависимость скорости реакции в мелких гранулах от локальных концентраций реагентов в транспортных макропорах, а затем вычисляют макроскопическую скорость реакции в зерне в целом с учетом диффузионного торможения в макропорах. Описывать составное зерно как квазигомогенную среду с эффективным коэффициентом диффузии, найденным в отсутствие химической реакции, можно только в предельных случаях, когда реакция либо не тормозится диффузией в микропорах, либо протекает настолько быстро, что локализуется па внешней поверхности малых гранул. [c.102]

При 1 наиболее медленной стадией процесса является химическая реакция при этом диффузия в порах протекает достаточно быстро, глубина проникновения реагента в поры катализатора велика и его концентрация должна быть практически постоянной по всему объему зерна. При > 1 скорость процесса должна лимитироваться скоростью диффузии вещества в порах проникнув в поры, исходное вещество быстро вступает в химическую реакцию и его концентрация спадает практически до нуля в тонком слое близ внешней поверхности частицы. [c.107]

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]

Постановка задачи идентификации. Процесс адсорбции реагентов на катализаторах принято рассматривать протекающим в 4 стадии диффузия в объеме газовой фазы диффузия из объема газа к внешней поверхности катализатора диффузия внутри пор катализатора диффузия из объема поры к внутренней поверхности (обратимая адсорбция на активных центрах [56, 57]). Такому упро-щеннохму механизму соответствует математическое описание процесса адсорбции в зернах катализатора, модель пористой структуры которого предлагается квазигомогенной, в следующем виде [c.212]

Когда адсорбция яда протекает медленно — его диффузия в порах не является лимитирующим фактором — концентрация яда станет постоянной по всему объему зерна. В этом случае отравление поверхности будет практически равномерным (различия локальных-значений со, появляющиеся вследствие изменения концентраций реагирующих веществ по глубине зерна, как правило, не играют заметной роли). Отравление такого типа равносильно уменьшению эффективной константы скорости к основной реакции. Так как скорость реакции во внутридиффузионном режиме пропорциональна к (и, соответственно, фактор эффективности т] А ), равномерное отравление снижает скорость реакции во внутридиффузионном режиме слабее, чем в кинетическом. Аналогичным образом воздействует на скорость основной реакции и обратимое отравление активной поверхности. В обоих случаях основная часть яда сорбируется во внутренних областях зерна, которые при переходе во внутридиффузионный режим становятся практически недоступными для реагентов. [c.147]

Перенос вещества из потока газов к внешней поверхности зерен происходит двумя. способами . нормальной (обычной молекулярной) диффузией и конвекцией. Промышленные процессы проводятся в условиях интенсивного движения реагирующего газа при этом в основной части потока нормальная диффузия играет пренебрежимо малую роль, а благодаря конвекции достигается выравнивание состава по сечению аппарата. Вблизи внешней поверхности зерен создается тонкий слой, внутри которого концентрация реагентов меняется от значений в основном потоке Ср до концентраций на внешней поверхности зерен С , определяемой соотношением скоростей тепло- и массопереноса и химической реакции. Эта область называется диффузионным пограничным слоем. Поток вещества сквозь диффузионный пограничный слой сферического зерна катализатора определяется из уравнения [c.53]

Если скорость крекинга тормозится диффузией реагентов в глубь зерна катализатора, то вид уравнения ( 11.12) не изменяется и только величины аир приобретают иной физический смысл. [c.246]

Механизм состоит из последовательных стадий диффузии молекул азота и водорода к катализатору (I), хемосорбции молекул реагентов на поверхности катализатора (II), химического взаимодействия азота и водорода на зернах катализатора с переносом электронов от молекул водорода к молекулам азота и образованием поверхностных неустойчивых комплексов (Ш), [c.198]

Кинетическое исследование гидратации 2-метил-1-пентеиа и 2-ме-тил-2-пентена проводили на крупнопористом катионите КУ-2П-6 в среде изопропилового спирта, чтобы по возможности исключить влияние внутренней диффузии исходных реагентов и продуктов реакции в зерне катионита. [c.3]

Представим, что газовый поток состоит из двигающегося ядра, в котором происходит полное перемешивание, и неподвижной диффузионной пленки толщиной б, через которую происходит диффузия к внешней поверхности зерен твердого материала. Если удельная поверхность твердого Материала составляет см /г и более, то для разумных размеров зерен их внешней поверхностью по сравнению с внутренней можно пренебречь. В соответствии с этим можно считать, что реакция протекает внутри зерен твердого материала (на внутренней поверхности). Тогда процесс будет состоять из следующих макростадий диффузия газообразного реагента из ядра потока к внешней поверхности зерна, диффузия в порах и химическая реакция. При наличии газообразных продуктов реакции эти стадии будут воспроизводиться в обратном направлении. Несмотря на то что стадии диффузии к внешней и внутренней поверхности зерна имеют одну и ту же физическую природу, их математическое описание, как будет видно из дальнейшего, различно. [c.75]

Для типичной топохимичестой реакции суммарный процесс включает ряд макростадий различной природы. Среди них можно назвать стадии диффузии газообразного реагента к внешней поверхности зерна (внешняя диффузия), диффузии газообразного реагента в порах (внутренняя диффузия), адсорбции, растворения, диффузии через слой твердого продукта (диффу- [c.86]

В реакциях с участием катализатора реагенты, находящиеся в потоке, должны проникнуть к зернам катализатора и от зерен вернуться в поток, а продукты реакции в результате диффузии должны поступить в поток газа. Таким образом, химическая реакция, осуществляющаяся на поверхности катализатора, связана с диффузлей, обеспечивающей поступление вещества в ту часть аппарата, где происходит реакция. Значительная часть реакции происходит в порах катализатора. Учитывая это, будем различать следующие этапы химической реакции [c.83]

Использование метода квазистацнонарных процессов или равнодоступной поверхности. Этот метод позволяет упростить задачу и указывает на важные предельные случаи макрокинетики. Для упрощения задачи принимается, что диффузия в первом приближении не зависит от протекания химической реакции. При этом можно принять простое граничное условие с = 0. Обозначим концентрацию реагента на поверхности через с, а в массе потока через с. Действительная скорость реакции на поверхности зерна зависит от величины с. При установившемся протекании реакции эта концентрация определяется количеством реагента, доставляемого к граничной поверхности благодаря молекулярной или вихревой диффузии. [c.94]

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]

Тепловой баланс. До сих пор мы не занимались определённем температуры активной поверхности. Между тем, как отмечалось в разделе III. 1, в условиях, когда скорость процесса лимитируется диффузией реагентов, следует также ожидать затруднений с теплообменом между активной поверхностью и ядром потока. Температура зерна катализатора, на внешней поверхности которого протекает химическая реакция с тепловым эффектом h, определяется из уравнения теплового баланса [c.115]

Типы реакционных устройств. Из-за низких коэффициентов теплоотдачи от газа к стенке проблема теплоотвода при газофазном гидрировании значительно сложнее, чем при жидкофазном. Она еще более усложняется при неподвижном слое катализатора, зерна которого препятствуют диффузии реагентов и их охлаждению. В заЕисимости от степени экзотермичности реакции отвод тепла дости. ается тремя основными способами, которые определяют кон-струк ивные особенности реакторов гидрирования. [c.519]

В промышленности наиболее распространен гетерогенный катализ на твердых катализаторах, который и рассматривается ниже. Механизм гетерогенно-каталитического процесса слагается из массообменных и химических стадий. В общем случае при катализе на твердых катализаторах имеют место следующие эле-ментарлые стадии 1) диффузия реагентов из ядра потока к поверхности зерен катализатора 2) диффузия в порах зерна ката- [c.106]

Во внутридиффузионной области, т. е. когда общая скорость процесса лимитируется диффузией реагентов в порах зерна катализатора, существует несколько путей ускорения процесса. Можно уменьшать размеры зерен катализатора и соответственно путь молекул до середины зерна это возможно, если одновременно переходят от фильтрующего слоя катализатора к кипящему. Можно изготовить для неподвижного слоя крупнопористые катализаторы, не уменьшая размеров зерен во избежание роста гидравлического сопротивления, но при этом неизбежно уменьшится внутренняя поверхность и соответственно понизится интенсивность работы катализатора по сравнению с мелкозернистым тонкопористым. Можно применять кольцеобразную контактную массу с небольшой толщиной стенок. Наконец, можно готовить бидисперсные [25] или полидисперсные (мультидисперсные) [33, 34] катализаторы, в которых крупные поры являются транспортными путями к высокоразвитой поверхности, создаваемой тонкими порами малой длины (глубины). [c.32]

Зерна катализатора, как правило, пронизаны сложной системой весьма топких пор, на внутренней поверхности которых и протекают химические реакции. Внутренняя поверхность катализатора значительно превышает наружную поверхность, обычный ее порядок 10 —10 мУг. Радиус пор обычных катализаторов 10 —10 см, пористость 20—60%. Движение компонентов в катализаториых порах (подвод реагентов и отвод продуктов реакции) осуществляется в основном в результате молекулярной диффузии, нормальной или кнудсеновской. [c.39]

Перенос вещества внутри пористого зерна катализатора характеризуется эффективным коэффициентом диффузии л ". В реальном зерне катализатора поры извилисты, неодинаковы по диаметру и длине,имеют разную шероховатость, могут образовывать замкнутую сеть каналов и каверны различной формы. Поэтому будем рассматривать пористое зерно как квазигомогенную среду и характеризовать скорость дифйгзии реагентов эффективным коэффициентом диффузии /19, 43-4 . [c.68]

Смотреть страницы где упоминается термин Диффузия в зернах реагента: [c.138] [c.120] [c.96] [c.268] [c.111] [c.28] [c.81] [c.52] [c.131] [c.158] [c.72] [c.129]

Смотреть главы в:

Кинетика гетерогенных реакций -> Диффузия в зернах реагента

ПОИСК

Смотрите так же термины и статьи:

Диффузия реагентов

Зерно