Макет страницы
кая из стадий является лимитирующей, различают области про-текан-ия реакции: внешнедиффузионную, внутридиффузионную и т. д.
Внешнедиффузионная область. Скорость диффузии w из газового потока к поверхности описывается первым законом Фика:
w — pL s (С - с)
Оэф
где D„ — коэффициент молекулярной диффузии; S — поверхность катализатора; С — концентрация реагента в газовом объеме; с — концентрация реагента на поверхности катализатора; бЭф — эффективная толщина пограничного слоя, че рез который идет диффузия.
На внешней поверхности этого слоя концентрация реагента равна концентрации его в газовом потоке и поддерживается в результате конвективной диффузии.
Если скорость внешней диффузии лимитирует скорость остальных стадий, то С ^> с и (С — с) « С.
Кинетическая теория газов дает для коэффициента молекулярной диффузии следующее выражение:
9м = 7»«/
где и — средняя скорость движения молекул; / — средняя длина свободного пробега молекул; и = (8кТ/лт)]'2\ l — kTl^Jl nd2p, где k — константа Больцмана; T — абсолютная температура; т — масса молекулы; d — диаметр молекулы; р — давление газа.
Коэффициент молекулярной диффузии пропорционален температуре в степени 1,5, т. е. зависит от температуры очень мало, обратно пропорционален давлению, молекулярной массе диффундирующего вещества в степени '/г и квадрату диаметра молекул.
Эффективная толщина пограничного слоя зависит от формы частиц катализатора и гидродинамики потока и не может быть определена теоретически. Поэтому значение DM/8 = р, называемое коэффициентом массопередачи, определяется экспериментально.
Внутридиффузионная область. Обычно катализаторы — высокопористые вещества с высокой удельной поверхностью (суммарной поверхностью 1 г катализатора, доступной для молекул реагента). Поверхность пор высокопористого катализатора составляет практически всю поверхность, на которой может происходить реакция; внешняя поверхность частиц катализатора обычно не превышает 0,01 %. Если реакция протекает медленно относительно внешней диффузии, то молекулы реагентов диффундируют в поры катализатора. Сталкиваясь со стенками пор, они с некоторой вероятностью могут адсорбироваться и прореагировать; в результате концентрация реагентов по длине поры уменьшается. Если реакция протекает достаточно быстро, то уже недалеко от устья поры концентрация реагентов равна 0 (или равновесной, если реакция достигает равновесия) и реакция проходит только на части поверхности поры, соответствующей некоторой доле ее дли-
б Зак. 589
129