ль/с через поверхню S, м ВІ; - градієнт концентрації речовини А за напрямком нормалі до реакційної поверхні, моль/м4; d е - ефективний коефіцієнт молекулярної дифузії, м ВІ/с.
Якщо тверда частинка пориста, то в вузьких порах, діаметр яких порівняємо з довжиною вільного пробігу молекул, спостерігається кнудсеновская дифузія, не підкоряється закону Фіка. У порах більшої діаметра дифузія відповідає цьому закону. p> Розглянемо основні макро-і мікростадіі процесу перетворення газоподібного речовини А в газоподібний продукт В на поверхні твердого пористого каталізатора (рис. 2). Це перетворення може здійснюватися як на зовнішній поверхні, так і на внутрішній поверхні пор. br/>
Рис. 2. Адсорбція речовин А і В і хімічна реакція на зовнішній поверхні і в порах твердої частинки: А г , В < span align = "justify"> г ? молекули речовин А і В у газовому потоці;: А вп , В вп ? молекули речовин А і В у зовнішній поверхні частинки; ? молекули, сорбовані на зовнішній поверхні; А п , В п ? молекули речовин А і В у внутрішній поверхні пор; ? молекули, сорбовані на внутрішній поверхні пор
Запишемо основних стадії обох варіантів протікання реакції (рис. 3).
Рис. 3. Основні стадії хімічного процесу, що протікає на зовнішній поверхні твердої частинки і в її порах Як видно, в будь-якому випадку процес є багатостадійним, стадії здійснюються послідовно. Значить, будь-яка з них може виявитися лімітуючої. Зазвичай при математичному моделюванні вважають, що швидкість найбільш повільної стадії, як мінімум, на порядок менше за інших і тільки вона одна визначає загальну швидкість процесу. Якщо найбільш повільна стадія - перенесення речовини через ПГС, то це внешнедіффузіонная область, якщо хімічна реакція на зовнішній поверхні - внешнекінетіческая. Якщо лімітуючим стадія - перенесення речовини в порах, то мова йде про внутрідіффузіонной області, якщо хімічна реакція на внутрішній поверхні пор - про внутрікінетіческой.
Розглянемо розподіл концентрацій реагенту А при протіканні реакції під внешнекінетіческой і внешнедіффузіонной областях.
Якщо швидкість дифузії речовини до поверхні частки каталізатора набагато вище, ніж швидкість хімічної реакції (внешнекінетіческая область), то спад речовини А за рахунок перетворення в В на поверхні негайно повністю компенсується підведенням його з ядра потоку. Тоді по всій товщині ПГС і у поверхні частки встановиться концентрація речовини А рівна його концентрації в ядрі потоку, тобто (Рис. 4, а, пряма 1). Під внешнедіффузіонной області, навпаки, швидкість реакції настільки велика, що всі молекули А, достигнувшие поверхні, відразу ж перетворюються на продукт, і поверхнева концентрація (рис. 4, а, пряма 2). Нарешті, в перехідній області, де швидкості реакції і масопереносу порівняти, на поверхні частки каталізатора встановлюється проміжна концентрація між нулем і концентрацією А в ядрі потоку (рис. 4, а, пряма 3). У міру просування газового потоку по довжині апарату концентрація реагенту А в ньому падає, а продукту В зростає за рахунок реакції перетворення А в В. Відповідно, змінюється і концентрація речовин на поверхні (рис. 4, б, криві 4, 5).
Рис. 4. Залежність концентрації газоподібного реагенту: а ? від товщини ПГС (1-3), б ? від довжини апарату (4, 5)
Якщо частка каталізатора пориста, і діаметр пір настільки великий, що дифузія в порах протікає набагато швидше, ніж хімічна реакція на внутрішній поверхні пор (і зовнішньої поверхні каталізатора), то в обсязі пір по всій їх довжині встановлюється постійна концентрація речовини А, збігається з його концентрацією в ядрі потоку (рис. 5, крива 1). У цьому випадку часткою реакції на зовнішній поверхні частинки можна знехтувати, так як сумарна поверхня пір зазвичай на кілька порядків більше зовнішньої поверхні. Така область перебігу процесу називається внутрікінетіческой. Це найвигідніша область проведення процесу, так як працює вся поверхня каталізатора (зовнішня і внутрішня поверхня пор). Якщо ж швидкість дифузії з ядра газового потоку до зовнішньої поверхні дуже низька (нехтує мала) порівняно зі швидкістю реакції на цій поверхні, то речовина практично не встигає проникнути в глибину пори і реакція йде тільки на зовнішній поверхні. У такому вип...
