45.Гетерогенный химический процесс:Лимитирующие стадии и режимы процессы.Скорость отдельной стадии процесса(реакция массоперенос)

Скорость отдельной стадии процесса(реакция, массоперенос)определяется его параметром(константой скорости, коэффициентом массообмена) и движущей силой( концентрацией – для реакции, разностью концентраций -для массопереноса.)

Параметр процесса является характеристикой интенсивности его стадий.

Если k<<β – реакция малоинтенсивна и в уравнении (6) C_n= получаем c_n≈c₀ , - то есть реакция будет протекать при максимально возможной в этих условиях концентрации ( у реакции максимально движущая сила).

Из уравнений (8) К_H=и (9)W_H= - K_H C₀ получим, что наблюдаемая скорость превращения равна скорости реакции W_H= - k c₀ и не зависит от параметра массопереноса β.

Таким образом, данный процесс протекает в кинетическом режиме, а реакция является лимитирующей стадией.

В случае когда k>>β – интенсивность массообмена мала, из уравнения (6) C_n= получим c_n<<c₀ , а из выражений (8) К_H= и (9) W_H= - K_H C₀ => W_H= - β c₀.

Массоперенос осуществляется при максимальной движущейся силе

(c₀-c_n)=c_0, а скорость превращения не зависит от параметра реакции (константы скорости k).

Это диффузионный режим, а массоперенос -лимитирующая стадия.

Режим и лимитирующая стадия – понятия и характеристики, присущие многостадийному процессу.

Лимитирующая стадия - этап многостадийного процесса, который происходит при максимальной движущей силе или минимальной интенсивности.

Лимитирующая стадия определяет режим или область протекания процесса .т.е это не скорость самой медленной стадии т.к. в стационарном режиме скорости всех стадий равны.

46. Гетерогенный химический процесс:Система"газ-жидкость"

Взаимодействие «газ-жидкость» представлено в промышленности несколькими разновидностями по способу контакта фаз:

1. барботаж (диспергированный газ в виде пузырей поднимается в слое жидкости);

2. орошение (диспергированная в виде капель жидкость перемещается через газ);

3. пленчатое течение (жидкость пленкой стекает по поверхности, поток газа проходит вдоль нее);

4. контакт в насадочной колоне (близок к пленочному течению: жидкость стекает по насадке в виде нерегулярной , возмущенной пленки, газ проходит в свободном пространстве);

5. газожидкостый поток (потоки газа и жидкости перемещаются в одном направлении)

Схема процесса взаимодействия газа с жидкостью, обобщающая все рассмотренные способы контакта , представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема гетерогенного процесса «газ-жидкость».

Компоненты из газообразного и жидкого потока переносятся через поверхность раздела фаз и реакция протекает в одной фазе или в обеих. В пределах выделенного элемента , в качестве которого можно выделить газовый пузырь с некоторым объемом жидкости, или элементарный участок пленчатого газожидкостного потока, концентрация компонентов по участку каждой фазы распределяется равномерно. Рассмотри один из вариантов процесса:

Исходные компоненты А и В содержатся в газе и жидкости соответственно.

Их содержание определенно условиями процесса: парциального давление А в газе Р_А и концентрации В в жидкости С_В. Реакция протекает в жидкой фазе и продукты остаются в жидкости или могут перейти в газ.

Запишем уравнение следующим образом:

A_r+B_ж=R_ж + (S_r) (18)

Скорость реакции(18) описывается кинетическим уравнением: r = k c_Ac_B (19)

где С_A- концентрация А в жидкой фазе.

Структура процесса.

Одно из отличий данной системы от предыдущей заключается в существовании в обеих фазах пограничных слоев, что обусловлено их текучестью.

Выделим основные этапы(стадии) процесса (см. рис.2).

1. Перенос компонента А из объема через пограничный слой к поверхности раздела фаз (этап I). 2) Перенос А через поверхность раздела из газа в жидкость (этап II). 3)Перенос А от поверхности раздела через пограничный слой жидкости в ее объем (этап III). 4)Реакция между А и В в жидкости (этап IV).

Возможное распределение концентраций А представлено в нижней части на рис.2.

Математическая модель указанной последовательности этапов основано на равенстве потоков W_I:W_II и W_III на стадиях переноса и W_IV превращения компонента А: W_I=W_II=W_III=W_IV (20)

1. Поток компонента А через газовый пограничный слой : W_I=β_r S (-) (21)

где - коэффициент масообмена между объемом газа и поверхностью раздела фаз;

- парциальное давление А у поверхности раздела фаз -площадь поверхности раздела фаз

При переносе через поверхность раздела фаз можно полагать, что при поверхностные парциальное давление в газе и концентрациив жидкости находятся в равновесии:=K_a (22) гдеK_a – константа абсорбции.

2. Поток компонента через жидкостной пограничный слой:

W_III= - β_ж S() (23) гдеβ_ж- коэффициент массообмена между поверхностью раздела и объемом жидкости.

3. Реакция протекает в жидкости и скорость превращения А в ее объеме V_ж:

W_IV= - k C_AC_BV_ж (24) Сопоставляя уравнение (20-24) получаем:

(25) где - удельная поверхность раздела фаз=S/V_ж ,используется для характеристики развитости площади контакта жидкости и газа.

Если перенос из одной среды в другую проходит через несколько последовательных этапов, его интенсивность определяет общим коэффициентом массопереноса между газом и жидкостью –β:=+(26)

В химической технологии удобно использовать объемный коэффициент массопереноса - количество вещества, переносимого между фазами через поверхность, находящегося в единице объема одной или обеих фаз, в единицу времени при единичной разности концентраций вещества в фазах: Β_об=β S_уд (27)

Преобразуем уравнение (25) используя выражение (26),(27): С_А=(28)

Наблюдаемую скорость превращения W_H получим подставив (28) в кинетическое уравнение (24): W_H=W_A= - k C_AC_B= - (29)

Режимы процесса.

В кинематическом режиме определяют стадией является реакция, вызванная максимальной движущей силой.

В данном случае это произойдет если жидкость будет насыщена компонентом А , то есть при условии С_А=K_аP_{A ,} что исходя из (28) возможно при >>1 и как следует из (29):W_H= - β_об K_a P_A (31)

Отсюда наблюдаемая скорость превращения W_H равна скорости переноса компонента А в не содержащую его жидкость, и зависит от коэффициента переноса β_об

Анализ процесса «газ-жидкость».

Обращает на себя внимание иной вид выражения (29) для W_H по сравнению с кинетическим уравнением (24) согласно которому скорость реакции описывается уравнением первого порядка по компонентам А и В. Выражение же (29) имеет вид характерной для реакций с торможением их скорости одним из компонентов. В данном случае с увеличением концентрации В реакция приобретает нулевой порядок по В, то есть ее скорость не зависит от концентрации В. Причина «торможения» скорости реакции связана с нехваткой компонентов А в жидкости для протекания реакции.

Температурная зависимость скорости превращения.

При небольших температурах константа скорости мала: <<1 и в системе устанавливается кинетический режим ( уравнение (30)). Однако с возрастанием температуры на скорости реакции начинает сказываться константа абсорбции К_а и реакция начинает переходить в диффузионный режим.

По этой причине скорость превращения с ростом температуры сначала возрастает, а затем уменьшается. При больших температурах наблюдается диффузионный режим и, соответственно >>1. (см. (29)).

Здесь температура может даже отрицательно сказываться на скорости превращения из-за уменьшения растворимости газообразного компонента.

Коэффициент массопредачи β_об практически не зависит от температуры.

Интенсификация процесса.

1. Повышение температуры- наиболее эффективный способ ускорения процесса в кинетической области.( см. k=k₀ exp ). В диффузионном режиме, как указывалась, рост температуры может отрицательно сказаться на скорости процесса.

2. Увеличение скорости потоков и их турбулизация, от которых зависит коэффициент массопередачи β_об – основной способ интенсификации процесса в диффузионном режиме(см.(31)).

3. Увеличение удельной поверхности контакта влияет на интенсивность процесса , так как β_об пропорционален S_уд.(см. (27)). Β_об=β S_уд Это достигается диспергированием потоков (уменьшением размеров пузырей или капель). Но здесь есть ограничения. В барботаже движение пузырей, их всплытие в слое жидкости определяется гравитацией, явлением неуправляемым.

При подъеме мелкие пузыри сливаются, крупные- дробятся и реально можно достигнуть значения объемного коэффициента массопереноса β_об=0,2-0,3с^-1.

Увеличить поверхность контакта фаз возможно путем принудительного создания развитой поверхности с помощью насадки. Но и этот прием так же ограничен.

В слое мелкой насадки с развитой поверхностью пространство для потоков газа и жидкости ограничено. Этим путем можно достигнуть значение объемного коэффициента массопередачи β_об = 0,5÷0,6 с^-1.

4. Изменение растворимости газа в жидкости – эффективный способ управления интенсивностью газожидкостного процесса в любом режиме.

С увеличение константы абсорбции К_а вызванным, например, подбором хорошего растворителя, наблюдаемая скорость превращения будет возрастать.