безградиентный реактор
безградие́нтный реактор
статья сверена с оригиналом и вычитана
БЕЗГРАДИЕНТНЫЙ РЕАКТОР
лаб. прибор для измерения скоростей хим. реакций; проточный реактор, в котором концентрации реагентов и температура одинаковы по всему реакц. пространству, благодаря чему скорость реакции определяется наиб. просто. Условия в Б. р. называют режимом идеального смешения.
Для жидкофазных гомог. реакций безградиентность проточного реактора осуществляется с помощью мешалки; при гомог. газовых реакциях достаточное перемешивание м. б. достигнуто тангенциальным вводом газовой смеси, вызывающим вращение содержимого реактора.
Кинетика газовых гетерогенно-каталитич. реакций обычно сложна, поэтому применение к их исследованию Б. р. дает большие преимущества. Для этого М. И. Темкиным и др. в 1950 был предложен проточно-циркуляционный метод. На схеме проточно-циркуляционной системы (см. рис.) 1 и 2 — вход и выход газовой смеси для протока сквозь систему, 3 — циркуляционный насос с электромагнитным приводом поршня, 4 — печь и реактор с катализатором. Скорость циркуляции должна значительно (напр., в 50 раз) превышать скорость протока; этим обеспечивается практич. отсутствие градиентов концентраций и температуры по слою зерен катализатора. Чтобы не было градиентов внутри пористых зерен катализатора, зерна должны быть достаточно малы. С др. стороны, измерения с крупными зернами позволяют определить влияние на процесс макроскопических факторов, что важно для техн. катализа.
Схема проточно-циркуляционной системы: 1 и 2 — вход и выход газовой смеси для протока сквозь систему, 3 — циркуляционный насос с электромагнитным приводом поршня, 4 — печь и реактор с катализатором.
Имеются проточно-циркуляционные установки для высоких давлений. Разработан ряд конструкций Б. р. для атмосферного и высоких давлений, в которых под действием поршня газовая смесь совершает возвратно-поступательное движение сквозь слой катализатора. Применяют также реакторы, в которых зерна катализатора помещены во вращающуюся корзинку, и такие, в которых зерна катализатора беспорядочно движутся в результате вибрации реактора.
Если скорость реакции в Б. р., соответствующая составу находящейся в нем смеси, устанавливается быстро, то при постоянном расходе смеси, после того как через систему прошел объем смеси, в 5–7 раз больший своб. объема системы, реакция практически становится стационарной. При стационарной реакции в Б. р. количество nВ вещества В, образующееся за время t, равно [В]V — [В]0V0, где [В]0 и [В] — концентрация вещества В на входе и на выходе, V0 и V — объемы смеси, входящей в систему и выходящей из нее за время t. Скорость образования вещества В rВ = nВ/tφ, где φ — объем или поверхность реакц. пространства в зависимости от того, гомогенна реакция или гетерогенна. Можно также принять величину φ равной массе или объему слоя зерен катализатора, тогда rВ будет характеризовать активность единицы массы катализатора или единицы объема слоя. Для реакции, идущей в неск. направлениях, определяют скорости образования ключевых веществ.
Скорость реакции в Б. р. отвечает концентрации веществ в смеси, выходящей из системы. Изменяя подачу веществ на входе, можно по значениям скорости реакции при разл. концентрациях на выходе непосредственно судить о кинетике реакции и определять кинетические константы. Отпадает надобность в интегрировании кинетических уравнений или дифференцировании опытных данных (в отличие от загрузочных и трубообразных реакторов). Т. наз. дифференциальный реактор, т. е. проточный реактор с малой степенью превращ. исходных веществ, не равноценен Б. р., поскольку не позволяет исследовать влияние продукта реакции на ее скорость (иногда употребляют как синоним Б. р. термин "дифференциальный реактор"), Б. р., предназначенный для исследования реакции в нестационарных условиях, должен иметь по возможности малый объем.
Лит.: Темкин М. И., "Кинетика и катализ", 1962, т. 3, в. 4, с. 509; Корнейчук Г. П., в кн.: Проблемы теории и практики исследований в области катализа, под ред. В. А. Ройтера, К., 1973, с. 203; Jankowski H. [u.a.], "Chem. Techn.", 1978, Bd 30, № 10, S. 441; № 11, S. 555.
М. И. Темкин
