Кинетика гетерогенных химических реакций.

Несмешивающиеся системы- г-тв, ж-тв, г-ж-тв, ж-ж.

Где имеется поверхность раздела фаз, там идет реакция.

Особенности: прежде чем произойдет химическая реакция должен осуществиться перенос реагентов из ядра потока менее плотной фазы к поверхности более плотной фазы, учет скорости этого переноса очень важен вследствие затрудненности этой стадии, движущей силой которой является диффузия и как правило скорость всего гетерогенного процесса в целом определяется не скоростью химической реакции, а скоростью процесса переноса.

Скорость гетерогенного процесса (W_A) – это количество вещества, прореагировавшего или образовавшегося в единицу времени на единицу поверхности раздела фаз.

Скорость диффузионных стадий (W_g) – это количество вещества, которое продифундировало перпендикулярно поверхности раздела фаз на единичную поверхность раздела фаз.

Так как конечный результат любого ХТП это образование продукта в результате химической реакции, то скорость всего гетерогенного процесса в целом в любом случае не может быть выше, чем скорость реакции.

Закон Фика: количество вещества, перенесенное за счет диффузии в единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную к направлению диффузионного потока, пропорционально градиенту концентрации этого вещества в направлении потока:

где С – разность концентраций;

х – толщина величины диффузионного слоя;

Д – коэффициент диффузии.

где  - коэффициент массоотдачи.

При протекании гетерогенного процесса у поверхности раздела фаз, наблюдается расходование исходных компонентов и образование продуктов реакции. Для стационарного протекания процесса необходимо непрерывное пополнение убыли реагентов на поверхности раздела фаз и удаление от нее образовавшихся продуктов. Эти переносы осуществляются за счет диффузии, при наличии перепада концентраций и чем быстрее идет реакция, тем больше будет скорость диффузии, иначе реакция будет тормозиться.

Для того, чтобы увеличить скорость диффузии надо иметь меньшую толщину диффузионного слоя, т.е. высокий .

Вставить 1 лекцию

Гетерогенный процесс в системе газ – твёрдое.

Существует несколько моделей для описания такого рода моделей.

Модель с фронтальным перемещением зоны реакции.

Допущения: о глубине протекания процесса судят по изменению объёма твёрдого реагента, принимается что частица твёрдого реагента имеет правильную сферическую форму ив ходе процесса размер твёрдой частицы остаётся неизменным; весь гетерогенный процесс делится на пять основных стадий.

стадия 1: внешняя диффузия газообразного реагента А из ядра потока к поверхности твёрдой частицы через пограничный диффузионный слой ;

стадия 2: внутренняя диффузия газообразного реагента А через слой продукта S и поверхность твёрдого реагента B;

стадия 3: ХР между газообразным реагентом A и твёрдым реагентом B на его поверхности с образованием газообразного продукта R и твёрдого продукта S;

стадия 4: внутренняя диффузия газообразного продукта R через слой твёрдого продукта S;

стадия 5: внешняя диффузия газообразного реагента R через пограничный слой.

Процесс в целом может лимитироваться либо внешней, либо внутренней диффузией, либо собственно ХР. Считают что скорость всего процесса в целом равна скорости лимитирующей стадии.

а) Если скорость всего процесса лимитируется скоростью внешней диффузии.

r - текущий радиус частицы реагента B;

R - первоночальный радиус частици реагента;

 - пограничный слой;

С_Ад - концентрация реагента в ядре потока (действительная);

С_Аf - концентрация реагента А на поверхности твёрдого реагента.

В этом случае на момент заканчивания диффузии реакция заканчивается.

Приравниваем скорость диффузии к скорости всего процесса в целом.

Поскольку частица шарообразна, то первоначальное количество реагента B равно первоначальному объёму вещества на плотность вещества.

Для того чтобы интенсифицировать гетерогенный процесс лимитирующийся внешней диффузией необходимо чтобы время полного превращения было минимальным. Это достигается за счёт уменьшения размеры частицы, максимальный коэффициент массоотдачи, т.е. уменьшение пограничного слоя, максимально возможная концентрация реагента в газовой фазе.

б) Если процесс лимитируется внешней диффузией.

Изменение концентрации от текущей концентрации будет происходить в слое твёрдого продукта.

в) Если процесс лимитируется скоростью ХР идущей на поверхности раздела фаз.

Все расчётные формулы выведены для одной сферической частицы.