ในการทำปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์บนตัวรองรับ
(supported
heterogeneous catalyst) นั้น
สารตั้งต้นจะแพร่จากเฟส
bulk fluid
ที่ล้อมรอบอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา
เข้าไปในรูพรุนของตัวรองรับเพื่อเข้าไปเกิดปฏิกิริยาบน
active species
ที่เคลือบอยู่บนพื้นผิวรูพรุนของตัวรองรับ
(catalyst support)
เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ที่จะแพร่สวนทางออกมา
ดังนั้นเมื่อสารตั้งต้นแพร่ลึกเข้าไปในรูพรุนเรื่อย
ๆ ความเข้มข้นของสารตั้งต้นก็จะลดต่ำลง
ส่วนจะลดต่ำลงมากแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างอัตราเร็วในการแพร่ต่ออัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยา
ถ้าอัตราเร็วในการแพร่นั้นสูงเมื่อเทียบกับอัตราการเกิดปฏิกิริยา
ความเข้มข้นของสารตั้งต้นก็จะลดลงไม่มาก
แต่ถ้าอัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยานั้นสูงมากจนสารตั้งต้นแพร่เข้าไปไม่ทัน
ความเข้มข้นของสารตั้งต้นก็อาจจะลดลงเป็นศูนย์อย่างรวดเร็ว
และเราก็ได้นำความรู้ตรงนี้มาใช้ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาว่า
ในการเคลือบ active
species เข้าไปในรูพรุนของตัวรองรับนั้น
จำเป็นหรือไม่ที่ต้องให้
active species
มีอยู่ตลอดทั้งความลึกของรูพรุน
เพราะถ้าปฏิกิริยาเกิดเร็วมากจนสารตั้งต้นหมดไปก่อนที่จะสามารถแพร่เข้าไปได้ลึก
active species
ที่อยู่ลึกเข้าไปในรูพรุนก็ไม่ได้ใช้ประโยชน์
การมี active
species ที่อยู่ลึกเข้าไปในรูพรุนก็จะเป็นการสูญเปล่า
(เพราะใส่มันเข้าไป
แต่ใช้ประโยชน์ไม่ได้)
ในการศึกษาด้านตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์เรื่องเหล่านี้อยู่ในหัวข้อเรื่อง
effectiveness factor
วันนี้เราจะมาลองคำนวณหาโปรไฟล์การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นสารตั้งต้นในรูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยา
โดยเริ่มจากแบบจำลองอย่างง่ายก่อน
โดยสมมุติว่าเรามีตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูปร่างเป็นแผ่นแบน
(slab) ที่มีความหนา
2
หน่วยและมีความกว้างยาวเป็นอนันต์
(อันนี้เป็นข้อสมมุติเพื่อให้โจทย์ปัญหาเป็นเพียงแค่
1
มิติคือเฉพาะในทิศทางความหนาเท่านั้น)
กำหนดให้ตำแหน่งกึ่งกลางคือตำแหน่ง
x = 0
และขอบด้านซ้ายและด้านขวาคือ
x = -1 และ
x = 1 ตามลำดับ
สิ่งที่เราคาดการณ์ได้ก็คือโปรไฟล์ความเข้มข้นควรมีความสมมาตร
ณ ตำแหน่งแกนกลาง (x
= 0) ดังแสดงในรูปที่ ๑
โดยความเข้มข้นที่ขอบนอกจะสูงสุด
และจะลดลงต่ำสุดที่แนวเส้นกึ่งกลาง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น