Закономерности управления простым необратимым гетерогенным процессом
Характеристика модели:
1) Процесс простой – можно описать одним стехиометрическим уравнением а + bВ → cС + dD, где С – целевой продукт;
β = α, так как весь реагент превращается только в целевой продукт.
2) Процесс необратимый – αmax = 100%.
Поэтому, как и в рассмотренной ранее модели простого необратимого гомогенного процесса единственным объектом управления является скорость процесса.
3) Однако процесс гетерогенный – скорость процесса не всегда равна скорости химической реакции.
Вполне очевидно, что любой химической реакции (т.е. акту разрушения одних связей и образования других) предшествует стадия диффузии, то есть движение молекул реагентов друг к другу. Эти две стадии являются последовательными, и общая скорость процесса равна скорости самой медленной стадии, которую называют лимитирующей. Лимитирующей может быть как химическая, так и диффузионная стадия.
В гомогенном процессе движение молекул реагентов осуществляется внутри одной фазы, скорость диффузии достаточно легко увеличить. Поэтому в гомогенном процессе практически всегда лимитирующей является сама химическая реакция, и скорость процесса равна скорости химической реакции. Местом протекания реакции в этом случае является весь объем реактора.
В гетерогенном процессе молекулы реагентов находятся в разных фазах или, находясь в одной фазе, они эффективно контактируют лишь на поверхности твердого катализатора. В первом случае процесс будет гетерофазным и гетерогенным, во втором – гомофазным, но гетерогенным. В гетерогенном процессе стадии химического превращения предшествует диффузионная стадия переноса молекул реагента через границу раздела фаз. Место протекания реакции локализовано, это граница раздела фаз или более плотная фаза вблизи границы раздела фаз.
Поскольку перенос через границу раздела фаз обычно затруднен, диффузионная стадия в гетерогенном процессе очень часто является лимитирующей, то есть определяет скорость всего процесса в целом.
В зависимости от природы лимитирующей стадии различают три области протекания гетерогенного процесса: кинетическую, диффузионную и переходную. Область протекания определяет выбор инструментов управления гетерогенным процессом.
| Область протекания процесса | Лимитирую-щая стадия | Признаки | Инстру-менты управления | Закон, лежащий в основе управления |
| 1.Кинетичес-кая | химическая реакция | 1) скорость процесса не зависит от гидродинамических параметров; 2) коэффициент Вант-Гоффа ра-вен k = 2 – 4; 3)Еа>40кДж/моль порядок реакции обычно > 1. | кинетичес-кие фак-торы (t, p, C, kat) |  |
| 2.Диффузи-онная | диффузия | 1) скорость процесса сильно зависит от гидро-динамических параметров; 2) коэффициент Вант-Гоффа ра-вен k = 1,3 – 1,7; 3)Еа<25кДж/моль порядок реакции обычно =1. | гидродина-мические факторы (скорость перемеши-вания ω, линейная скорость подачи реагента W, удельная поверхность контакта фаз f и др.) | r = Kм f ∆C |
| 3. Переход-ная | скорость химической реакции ≈ скорости диффузии | при изменении параметров процесс легко переходит из диффузионной области в кинетическую и обратно. | кинетические и гидродинамические факторы |
Один и тот же процесс в зависимости от условий проведения может протекать в разных областях. Если изобразить на графике зависимость скорости процесса от гидродинамических факторов, то та область, где скорость сильно возрастает при увеличении ω, W, f, является диффузионной. При дальнейшем увеличении этих величин зависимость становится менее выраженной – это переходная область. В кинетической области гидродинамические факторы перестают оказывать влияние на скорость процесса. Увеличение скорости в этой области требует использования кинетических факторов управления процессом (t, p, C, kat). Однако и здесь постепенно степень влияния выбранных инструментов управления снижается, процесс переходит опять в диффузионную область.
