5Макрокінетика гетерогенно-каталітичних процесів: зовнішньо-дифузійна область

Прикладом перебігу промислового гетерогенно-каталітичного процесу у зовнішньо-дифузійній області є окиснення аміаку на платиновому каталізаторі. Швидкість процесу у зовнішньо-дифузійній області W_д описується рівнянням (6.1). Із урахуванням одиниць, що зазвичай приймаються для величин, які входять до рівняння β – м/год;  – кмоль/м³; – м²), W_д виражається в кмоль/год. Внаслідок великої швидкості хімічної реакції концентрації реагенту у потоці і біля зовнішньої поверхні каталізатора дуже сильно відрізняються: , причому за граничних умов може наближатися до нуля. В останньому випадку:

.

(6.1)

З рівнянь (4.1) і (6.1) випливає, що швидкість гетерогенно-каталітичного процесу, який перебігає (лімітується) у зовнішньо-дифузійній області, завжди описується рівнянням першого порядку, якою б не була істинна кінетика перетворень вихідних речовин на продукти, оскільки швидкість W_д визначається закономірностями масопереносу, а не хімічної кінетики. Внаслідок подібності процесів масо- і теплопереносу між потоком і поверхнею каталізатора, крім градієнта концентрацій, існує перепад температур, що досягає в промислових умовах іноді кількох сотень градусів.

Зазвичай визначення швидкості процесу в зовнішньо-дифузійній області проводиться з використанням критеріальних рівнянь. Так, коефіцієнт масовіддачі β можна обчислити за рівнянням:

,

(6.2)

де Nu – дифузійний критерій Нуссельта;

d – визначальний розмір гранул каталізатора, м;

D – молекулярний коефіцієнт дифузії, м²/год.

У свою чергу:

,

де – критерій Рейнольдса;

ω – лінійна швидкість потоку, м/год;

v–кінематична в’язкість середовища, м²/год;

– критерій Прандтля (для газів приблизно дорівнює 1, що дозволяє, в принципі, спростити вище наведене рівняння і, відповідно, рівняння (6.3).

В стаціонарному шарі каталізатора при значеннях Re = 30–5·10⁵ критерій Нуссельта становитиме:

.

(6.3)

Тоді з рівнянь (6.2) і (6.3) дістанемо:

(6.4)

Як випливає із залежності (6.4), інтенсифікувати процес масовіддачі можна збільшенням лінійної швидкості руху потоку і зменшенням розміру гранул каталізатора (останнє при однаковій масі каталізатора підвищує і ).

Підвищення температури процесу незначною мірою впливає на збільшення оскільки коефіцієнт дифузії слабко залежить від температури ( ), при цьому в’язкість газового середовища з підвищенням температури збільшується. Враховуючи вплив тиску (у газових середовищах) на коефіцієнт дифузії ( ), можна було б рекомендувати для інтенсифікації перенесення маси зниження тиску, однак при цьому одночасно зменшаться парціальні тиски реагентів у потоці, а також .

Виходячи з того, що процеси перенесення маси і теплоти є подібними, градієнт концентрації реагенту у потоці і біля зовнішньої поверхні каталізатора: обумовлює градієнт температури . Так, для реакції окиснення аміаку градієнт концентрації, що дорівнює 10%, обумовлює градієнт температури рівний 973 К (700 ^оС).

Для каталітичного процесу, що відбувається у зовнішньо-дифузійній області, недоцільно збільшувати активність каталізатора, оскільки, чим вона більша, тим вища швидкість хімічної взаємодії і тим більше процес занурюється у зовнішньо-дифузійну область. Враховуючи те, що реакція відбувається на зовнішній поверхні каталізатора або в тонкому приповерхневому шарі, недоцільно також збільшувати пористість каталізатора. Як наслідок, спосіб приготування каталізаторів для роботи в цій області – метод просочування, або приготування каталізатору в вигляді металевих плівок чи сіток.