5.5. Реакции, катализируемые жидким катализатором

Если катализатор — жидкость, а реагенты находятся в газовой или жидкой фазе, не смешивающейся с фазой катализатора, то, как и в случае реакций на твердом катализаторе, кинетика про­цесса может определяться кинетикой реакции или массопередачей. Обычно реакция протекает в фазе катализатора и катализа­тор нерастворим в газовой или жидкой фазе, в которой находятся реагенты, а реагенты и продукты реакции малорастворимы в ка­тализаторе. Предельными случаями в зависимости от соотноше­ния скоростей реакции и массопередачи являются следующие.

1. Скорость реакции много меньше скорости массопередачи из фазы реагента в фазу катализатора и диффузии реагента в ката­лизаторе. В этом случае концентрация реагентов в катализаторной фазе равна концентрации насыщенного раствора, а скорость ре­акции w равна:

W = kVf (С_нас)

где k — константа скорости реакции в расчете на единицу объема катализатора; V — объем катализатора; f (C_нас)—функция концентрации реагентов в насыщен­ном растворе, определяемая механизмом реакции.

Скорость реакции в этом случае не зависит от поверхности раздела между фазами.

2. Скорость реакции много больше скорости массопередачи. Реагенты расходуются полностью в тонкой пленке катализатора, прилежащей к поверхности раздела. Скорость реакции w в этом случае равна скорости диффузии:

W =βSC

где β — коэффициент массопередачи; S — поверхность контакта между фазами; С — концентрация реагента в фазе, в которой он находится.

Скорость реакции не зависит от объема катализатора и про­порциональна поверхности контакта фаз, поэтому для обеспече­ния высокой скорости необходимо создать большую поверхность раздела между фазами. Если реагенты находятся в жидкой фазе, то большая поверхность контакта на единицу объема катализа­тора создается интенсивным перемешиванием, в результате ко­торого образуется эмульсия катализатора в фазе реагентов или реагентов в фазе катализатора. Если реагенты газообразны, то применяется барботаж газа через слой жидкого катализатора. В обоих случаях удельная поверхность контакта (суммарная по­верхность капель или пузырей в единице объема катализатора) обратно пропорциональна среднему диаметру частиц дисперсной фазы.

3. Скорость реакции сравнима со скоростью диффузии реаген­та в фазе катализатора. Предполагая, что в граничной пленке ка­тализатора концентрация реагента постоянна и равна концентра­ции насыщения (что может быть в том случае, когда массопередача к границе раздела происходит со значительно большей ско­ростью, чем диффузия реагента в катализаторе), для скорости реакции первого порядка w можно получить выражение:

где S — удельная поверхность раздела фаз; С_нас — концентрация насыщения реа­гента; k — константа скорости реакции; D — коэффициент диффузии реагента в фазе катализатора.

Рассмотренные случаи вполне аналогичны внутрикинетической, внешнедиффузионной и внутридиффузионной областям протекания реакции на твердом пористом катализаторе.