Кинетические модели газожидкостных реакций

В промышленных условиях взаимодействие газообразных и жидких реагентов происходит в реакторах, где на процесс абсорбции значительное влияние оказывает интенсивность перемешивания. Перемешивание газожидкостной системы ведет к увеличению и обновлению поверхности контакта фаз и тем самым способствует росту производительности реактора.

Перемешивание может осуществляться разными методами. Одним из вариантов перемешивания является применение барботажа газа через жидкость, когда пузырьки служат перемешивающими агентами. Перемешиванию жидкости способствует турбулентный характер движения потока при ее стекании по вертикальной или наклонной поверхности. Возможно, также распределение жидкости в виде капель или струи в газовом потоке.

Во всех этих случаях для полного описания процесса абсорбции необходимо совместно решить уравнения диффузионного и конвективного переноса, химической кинетики и т.д. Однако часто затруднительно не только решить, но и правильно составить такую систему уравнений. Поэтому на практике используют упрощенные модели, которые хорошо подтверждаются экспериментальными данными. Наиболее распространены пленочная модель и модели обновления поверхности.

Пленочная модель.

Пленочная модель основывается на предположении о том, что у поверхности жидкости, граничащей с газом, имеется неподвижная пленка (диффузионный слой) толщиной d. В пределах этой пленки перенос газообразного реагента осуществляется исключительно за счет молекулярной диффузии при полном отсутствии конвективного переноса. Принимается, что состав основной массы жидкости за пределами пленки однороден за счет перемешивания, а изменение концентрации растворяемого реагента от величины С_Аг (постоянная концентрация в газовой фазе) до С_Аж (концентрация в основной массе жидкости) происходит внутри пленки.

Газ Жидкость

Газ Жидкость С_Аг

М

С_Аж

d

Рисунок 47. Схематическое изображение пленочной модели (а) и профиль изменения концентрации растворяемого компонента А (б).

При отсутствии химической реакции между растворяемым компонентом А и растворителем профиль концентрации компонента А будет линейным. Массоотдача от газа к жидкости через пограничную пленку описывается законом Фика для молекулярной диффузии. В стационарном режиме поток через поверхность будет постоянным, следовательно, при постоянстве коэффициента молекулярной диффузии

(178)

где D- коэффициент молекулярной диффузии; b_Ж – коэффициент массоотдачи в диффузионной пленке,

(179)

При химической реакции между растворяемым реагентом А и веществом В, находящимся в жидкой фазе,

аА_(г) + вВ_(ж) ® продукты

уменьшение концентрации реагента А в пограничной пленке происходит не только вследствие диффузионных процессов, но и в связи с расходованием его на реакцию. Профиль концентрации в пограничном слое вследствие этого искривляется. Это приводит к увеличению градиента концентрации у границы раздела фаз. В результате произойдет увеличение скорости переноса вещества из газовой фазы в жидкую, что является характерной чертой газожидкостных реакций.

Формально, в рамках пленочной модели вводят коэффициент ускорения абсорбции под влиянием химической реакции. Криволинейный профил концентрации реагента А внутри пограничной пленки при наличии реакции можно условно изобразить ломаной линией.

Газ Жидкость

С_Аг

С_Аж

d^!

d

Рисунок 48. Аппроксимация нелинейного концентрационного профиля при наличии химической реакции: 1 – реальный (нелинейный); 2 – приближенное изображение.

В соответствии с этим приближением изменение концентрации реагента происходит в пленке, имеющей толщину d^!. Уменьшение толщины пленки приведет к росту коэффициента массотдачи

(180)

где b^!_Ж – коэффициент массотдачи при наличие химической реакции; e - коэффициент ускорения абсорбции при наличие химической реакции, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость абсорбции при наличие химической реакции в жидкой фазе

(181)

С учетом уравнения (181) уравнение (173) принимает вид

(182)

В рамках двупленочной модели считают, что пограничный диффузионный слой, примыкающий к границе раздела фаз, имеется не только со стороны жидкой фазы, но и со стороны газовой фазы.

Пленочные модели газожидкостных реакций лишь приближенно описывают гетерогенный процесс Г – Ж. В действительности, изменение концентрации растворяемого реагента происходит не только внутри очень тонкой пленки одинаковой толщины, но и в основной массе потока. Однако, как показала практика, количественные результаты на основе пленочной модели, как правило, мало отличаются от результатов полученных с использованием более сложных моделей.

Поиск по сайту: