Кинетика реакций гетерогенного катализа

Гетерогенное каталитическое превращение является сложным многоступенчатым процессом, включающим диффузию исходных реагентов из ядра газового потока к поверхности гранул катализатора (внешняя диффузия), проникновение этих веществ в поры катализатора к активным центрам его внутренней поверхности (внутренняя диффузия), активированную адсорбцию продиффундировавших реагентов поверхностью катализатора с образованием поверхностных химических соединений, химическое взаимодействие адсорбированных веществ с образованием новых продуктов, десорбцию продуктов и их перенос к наружной поверхности гранул катализатора (внутренняя диффузия) и затем от этой поверхности в ядро газового потока (внешняя диффузия).

Во внешнедиффузионной области скорость реакции определяет скорость сЮА / dт переноса компонента А к поверхности зерен катализатора:

где F4 — внешняя поверхность частицы катализатора, м2; Рг — коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с; Сд, Сд — концентрация компонента А в газовом потоке и его равновесная концентрация на поверхности частицы катализатора, кг/м3.

Для внутридиффузионной области и реакции первого порядка суммарную скорость каталитического процесса находят, комбинируя уравнение массопередачи с уравнением диффузии и реакции внутри частицы:

где К, — объем частиц катализатора, м3; к — константа скорости реакции, отнесенная к 1 м3 катализатора, с-1; Эс = С а /Сд, С а — средняя концентрация компонента А внутри поры; Сд — максимально возможная концентрация компонента А у поверхности катализатора, кг/м3; Сд — начальная концентрация компонента, кг/м3.

Интенсивность, или скорость каталитического превращения, может быть выражена через количество конвертируемой в единицу времени т примеси CA или количество образующегося в единицу времени продукта Сп каталитического взаимодействия:

где к — константа скорости процесса; АС — движущая сила процесса, представляющая согласно закону действия масс произведение концентраций реагирующих веществ.

Константа скорости каталитического превращения при данной температуре является функцией констант скоростей прямой, обратной и побочной реакций, а также коэффициентов диффузии исходных реагентов и продуктов их взаимодействия. Скорость гетерогенного каталитического процесса определяется относительными скоростями отдельных его стадий и лимитируется наиболее медленной из них.

Посредством термокаталитического окисления возможно обезвреживание отходящих газов, содержащих водород Н2, оксид углерода СО, углеводороды ряда Стп и кислородные производные углеводородов С^НдО (рис. 3.20).

Схема установки каталитического дожигания отходящих газов

Рис. 3.20. Схема установки каталитического дожигания отходящих газов: 1 — сушильная камера: 2,7 — вентиляторы: 3 — брызгоотбойник;

  • 4 — теплообменник: 5 — подогреватель;
  • 6 — реактор

Термокатализ неприемлем для обработки газов (паров) высокомолекулярных и высококипящих соединений, которые, плохо испаряясь с катализатора, коксуются и «отравляют» его, т. е. заполняют активную поверхность сажевыми продуктами неполного окисления.

Конструктивно установки термокатализа обычно состоят из топки с газогорелочными устройствами и реактора, в котором размещены каталитические насадки (рис. 3.21).

Основные недостатки процесса каталитической очистки: обычно установки для каталитической очистки сложны, громоздки; в качестве эффективных катализаторов приходится применять дорогостоящие вещества — платину, палладий, рутений. Используют и более

Рис. 3.21.

Схема установки каталитического сжигания органических газовых отходов: 7 — распределитель;

  • 2— теплообменник;
  • 3 — вентилятор; 4 — камера сгорания; 5 — камера смешения; Б — катализатор; 7 — газоход;
  • 8 — регулировочный шибер дешевые вещества — никель, хром, медь, но они менее эффективны. В целом наблюдается тенденция расширения применения каталитической очистки. Эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >