4.2.8 Методы определения лимитирующей стадии процесса

_{Расчет реакторов для проведения гетерогенных процессов в системе Г-Т удобно вести, если известна лимитирующая стадия процесса, т.к. в этом случае зависимость между временем пребывания частицы в реакторе и степенью превращения твердого реагента выражается однозначным уравнением. Поэтому важно определить лимитирующую стадию гетерогенного процесса.}

_{Для этой цели наиболее пригодны экспериментальные методы определения лимитирующей стадии. При увеличении значения величины одного из внешних параметров будет увеличиваться скорость той элементарной стадии, которая в большей степени зависит от этого параметра. Так, лимитирующую стадию можно определить экспериментально, изучая изменения скорости гетерогенного процесса в зависимости от температуры, линейной скорости газового потока и степени измельчения твердого материала.}

_{1. По влиянию температуры на скорость химической реакции. Как известно, суммарная скорость процесса зависит от изменения температуры νсум=f(T)}

_{а) Если Wг=const}

_{Ранее было показано, что при увеличении температуры на 100С скорость химической реакции в некоторых случаях возрастает в 2-4 раза.}

_{Скорость диффузии газов зависит от температуры в значительно меньшей степени, приближенно эта зависимость выражается уравнением: D≃aT² т.о., при повышении температуры на 100С скорость диффузии увеличивается всего на 3-5%. Это различное влияние температуры используют для определения лимитирующей стадии процесса.}

_{Так, если опыт показывает, что повышение температуры оказывает сильное влияние на скорость процесса, то процесс протекает в кинетической области (Рис.4.24, область 1).}

_{Если при дальнейшем повышении температуры ее влияние на скорость общего процесса уменьшается, значит, процесс перешел в переходную область (область 2). Если же далее при повышении температуры общая скорость процесса практически не изменяется, значит, процесс протекает в диффузионной области (3).}

_{б) Если Wг ≠const}

_{Рис. 4.24.}

_{В лияние скорости потока на общую скорость процесса можно проследить на графике, отражающем зависимость ν=f(T), если нанести кривые этой зависимости для различных скоростей потока(Рис.4.25).}

_{При этом W1<W2<W3. Ход кривых ν=f(W) подтверждает тот факт, что область 3 является диффузионной (с увеличением W скорость процесса возрастает). В области низких температур определяющей стадией является химическая реакция. В этой области скорость процесса возрастает пропорционально температуре. При высоких же температурах скорость}

_{Рис. 4.25.}

_{реакции настолько возрастает, что процесс переходит в диффузионную область, т.е. лимитирует его общую скорость.}

_{2. Изменение скорости потока также может быть использовано для определения лимитирующей стадии процесса, поскольку она оказывает существенное влияние на скорость внешней диффузии.}

_{Так, на кривой зависимости общей скорости процесса от скорости потока ν=f(W) при Т=const можно выделить три области: диффузионную, переходную и кинетическую(Рис.4.26).}

_{Рис. 4.26.}

_{В диффузионной области наблюдается значительное влияние скорости потока(область 1), в переходной области влияние скорости потока невелико(область 2), а в кинетической области скорость потока не влияет на скорость процесса(область 3).}

_{3. Влияние степени зернения твердого материала, ν=f , где R- радиус частиц}

_{исходного материала.}

_{Опыты проводят при такой температуре и такой скорости потока когда дальнейшее их увеличение не влияет}

_{на скорость процесса, т.е. Т = const, Wr = const.}

_{Из графика видно(Рис.4.27), что при 1/R<1/R1 размер частиц оказывает влияние на общую скорость процесса, следовательно, эта область является внутридиффузионной, т.е. уменьшение размера частиц оказывает большое влияние на скорость процесса (скорость уменьшается).}

_{4. По энергии активации.}

_{Энергия активации для процессов, лежащих в диффузионной области на 1-2 порядка ниже, чем для процессов, относящихся к кинетической области.}