Лабораторные работы / Теория (3 работы) - Бесков - 2003 / Pr-g_s

ГЕТЕРОГЕННАЯ РЕАКЦИЯ (обработка эксперимента)

Обработка экспериментальных данных процесса "газ(жидкость)–твердое" проводится с помощью программы "Гетерогенная реакция" лабораторного программного комплекса Lab-OXT.

Назначение - определение области протекания гетерогенного процесса “газ-твердое вещество”

_A A(газ) + _BB(тв) = _RR(тв) + _SS(газ) (1)

с корректировкой измеренных данных на искажения, вносимые изменением концентрации О₂ в течение эксперимента. Пример гетерогенной реакции - обжиг сульфида цинка

ZnS + 3/₂O₂ = ZnO + SO₂

Постановка задачи

Твердый реагент - сульфид цинка - помещают в реактор, через который продувается воздух. Протекание реакции контролируют по концентрации продукта - SO₂ - после слоя твердого компонента. Изменение концентрации SO₂ на выходе из слоя показано кривой 1 на рис. 1 при условии, что процесс протекает при неизменной концентрации кислорода c₀, равной, например, его содержанию в воздухе. В действительности, вследствие расходования кислорода на реакцию концентрация О₂ в слое меньше начальной и будет меняться во времени по мере изменения скорости превращения - пунктир на рисунке. Соответственно, из-за меняющейся концентрации О₂ по иному будет меняться и выход продукта SO₂ (кривая 2 на рис. 1). Скорость полного превращения t_к.э. в этом случае будет больше, чем t_к при постоянной начальной концентрации О₂.

Рис. 1. Изменение концентрации продукта реакции “газ-твердое” (SO₂) при постоянной концентрации (1) и в эксперементе при изменяющейся в реакторе концентрации (пунктир) исходного реагента (О₂) в газе (2)

Для анализа процесса, т.е. определения режима его протекания: кинетического, внутри- или внешнедиффузионного, - необходимо экспериментальную зависимость с(t) привести к зависимости, которую можно было бы получить при постоянной концентрации O₂ в реакторе (этого можно достичь, но при очень большой нагрузке по газу в реакторе, что практически трудно реализуемо).

Обработка экспериментальных данных подробно описана в [ ].

Корректировка экспериментальных данные на начальную концентрацию кислорода. Перерасчитываем измеренную в эксперименте скорость превращения твердого компонента (изменение его степени преврашения  во времени t - d/dt) к скорости превращения (d/dt)₀ при концентрации газообразного реагента с₀:

(2)

Определение области протекания реакции. Скорректированные данные позволяют определить область протекания процесса, для чего сопоставляем экспериментальную зависимость () с теоретическими (рис. 2) [2,12,13]. Здесь  = t/t_к - относительное время реакции, t_к - полное время превращения, определяемое также из эксперимента.

Рис. 2. Зависимость степени превращения  твердого компонента от относительного времени превращения t/t_к во внешнедиффузионной (1), внутридиффузионной (2) и кинетической (3) областях

Кинетическая область

 = 1 - (1 - )³ (3)

Внутридиффузионная область

1 - 3(1 - )^2/3 + 1(1 - ) =  (4)

Внешнедиффузионная область

 =  (5)

Из сопоставления экспериментальных _э и расчетных _р данных определяют среднеквадратичное _кв и среднеарифметическое _ар отклонения

; (6)

где i - номер экспериментальной точки; N - число экспериментальных данных.

Исходные данные

N - общее количество вводимых данных;

t_э - полное время эксперимента (время полного реагирования);

c_i,э - значения концентраций SO₂, измеренные через равные интервалы времени t = t_к/(N - 1) (конечное значение c_N = 0);

c₀ - начальная концентрация О₂, на которую производится перерасчет;

_A, _S - стехиометрические коэффициенты перед компонентами в стехиометрическом уравнении реакции.

Результаты расчета

t_э,i - время измерений c_i,э;

_i - степени превращения твердого (ZnO) в точках t_э,i;

t_i - время достижения c_i, если бы реакция протекала при концентрации c_о (последняя точка при t_k соответствует времени полного превращения t_к при концентрации c_о);

t_i/t_к - относительное время превращения при c_о;

_теор - степень превращения твердого компонента в кинетическом, внутри- и внешнедиффузионных режимах при значениях t_i/t_к (уравнения (3)-(5));

_кв, _ар - среднеквадратичное и среднеарифметическое отклонения _i от _теор для всех режимов.

Результаты можно также просмотреть в графическом виде в координатах с(t) и (t/t_к).

3