5.4Література

1. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета [Текст] : научное издание / С. Бретшнайдер ; пер. П. Г. Романков. – М. – Л. : Химия, 1966. – 536 с. : ил.

2. Краткий справочник физико-химических величин [Текст]: справочное издание / сост. Н. М. Барон [и др.] ; ред.: А. М. Пономарева, А. А. Равдель. – 8-е изд., перераб. – Л. : Химия, 1983. – 232 с. : ил.

6Макрокінетика гетерогенно-каталітичних процесів. Зовнішньо-дифузійна область: Розрахунок окиснення аміаку

Мета роботи: розрахунок в середовищі Excel основних параметрів реактора конверсії аміаку у виробництві нітратної кислоти.

6.1Загальні положення

Прикладом перебігу промислового гетерогенно-каталітичного процесу у зовнішньо-дифузійній області є окиснення аміаку на платиновому каталізаторі у виробництві нітратної (азотної) кислоти. Швидкість процесу у зовнішньо-дифузійній області W_д описується рівнянням [1]:

(1)

Із урахуванням одиниць що зазвичай використовуються для величин, які входять до рівняння: коефіцієнт масовіддачі β – м/с; концентрації С_і – кмоль/м³; зовнішня поверхня S_зовн – м²), W виражається у кмоль/с. Внаслідок великої швидкості хімічної реакції концентрації реагенту у потоці і біля зовнішньої поверхні каталізатора дуже сильно відрізняються: С_пот>> С_пов, причому за граничних умов С_пов може наближатися до нуля. В останньому випадку:

.

(2)

З рівнянь (1) і (2) випливає, що швидкість гетерогенно-каталітичного процесу, що перебігає 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 перенесення маси, а не хімічної кінетики. Внаслідок подібності процесів перенесення маси і теплоти між потоком і поверхнею каталізатора, крім градієнта концентрацій, існує перепад температур, що досягає в промислових умовах іноді кількох сотень градусів.

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

,

(3)

де Nu – дифузійний критерій Нуссельта;

d – визначальний розмір гранул каталізатора, м;

D – молекулярний коефіцієнт дифузії, м²/с.

У свою чергу:

,

де – критерій Рейнольдса;

ω – лінійна швидкість потоку, м/с;

ν–кінематична в’язкість середовища, м²/с;

 критерій Прандтля (для газів приблизно дорівнює 1, що дозволяє, в принципі, спростити вище наведене рівняння і, відповідно, рівняння (4).

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

.

(4)

Тоді з рівнянь (3) і (4) дістанемо:

(5)

Як випливає із залежності (5), інтенсифікувати процес масовіддачі можна збільшенням лінійної швидкості руху потоку і зменшенням розміру гранул каталізатора (останнє при однаковій масі каталізатора підвищує і зовнішню поверхню S_зовн).

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 (в газових середовищах) на коефіцієнт дифузії ( ), можна було б рекомендувати зниження тиску для інтенсифікації перенесення маси, однак при цьому одночасно зменшуються парціальні тиски реагентів у потоці, а також C_пот.

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 700 К.

Для каталітичного процесу, що пербігає 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 поверхневому 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.