- •О главление
- •Введение
- •Глава 1 химико-технологический процесс и его содержание
- •§ 1.1. Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов
- •§ 1.2. Стехиометрия химических реакций
- •§ 1.3. Технологические критерии эффективности химико-технологического процесса
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 2 термодинамические расчеты химико-технологических процессов
- •§ 2.1. Равновесие химических реакций
- •§ 2.2. Способы смещения равновесия
- •§ 2.3. Зависимость константы равновесия от температуры
- •§ 2.4. Расчет равновесия по термодинамическим данным
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 3 использование законов химической кинетики при выборе технологического режима и моделировании химических процессов
- •§ 3.1. Скорость гомогенных химических реакций
- •§ 3.2. Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагентов. Кинетические уравнения
- •§ 3.3. Способы изменения скорости простых и сложных реакций
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 4 общие сведения о химических реакторах
- •§ 4.1. Моделирование химических реакторов и протекающих в них химических процессов
- •§ 4.2. Структура математической модели химического реактора
- •§ 4.3. Уравнение материального баланса для элементарного объема проточного химического реактора
- •§ 4.4. Классификация химических реакторов и режимов их работы
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 5 химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме
- •§ 5.1. Реактор идеального смешения
- •§ 5.2. Реактор идеального вытеснения
- •§ 5.3. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения
- •§ 5.4. Каскад реакторов идеального смешения
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 6 теплоперенос в химических реакторах
- •§ 6.1. Уравнение теплового баланса. Тепловые режимы химических реакторов
- •§ 6.2. Проточный реактор идеального смешения в неизотермическом режиме
- •§ 6.3. Тепловая устойчивость химических реакторов
- •§ 6.4. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 7 гетерогенные процессы
- •§ 7.1. Общие особенности
- •§ 7.2. Диффузионные стадии
- •§ 7.3. Гетерогенные некаталитические процессы в системе «газ – твердое вещество»
- •§ 7.4. Гетерогенные процессы в системе «газ – жидкость»
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 8 гетерогенно-каталитические процессы
- •§ 8.1. Общие представления о катализе
- •§ 8.2. Технологические характеристики твердых катализаторов
- •§ 8.3. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно-каталитических процессов
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Список литературы
- •Общая химическая технология Химические процессы и реакторы
§ 7.2. Диффузионные стадии
В результате протекания гетерогенной химической реакции в разных точках реакционного пространства устанавливаются различные концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции. Например, при взаимодействии газообразного реагента А с твердым реагентом В концентрация вещества А у поверхности реагента В будет в общем случае меньше, чем в ядре газового потока, обтекающего твердую частицу.
Градиент концентраций реагента А является причиной возникновения диффузии – самопроизвольного процесса переноса вещества в результате беспорядочного движения молекул до установления равновесного распределения концентраций. Хаотическое тепловое движение частиц вещества вызывает упорядоченный направленный перенос его в области, где возникают градиенты концентрации или где распределение концентраций отличается от равновесного.
При рассмотрении гетерогенных процессов важно знать, какова скорость диффузионных стадий, предшествующих химической реакции, не будут ли диффузионные процессы тормозить химическое взаимодействие.
Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия внешних сил и т. д. Закономерности диффузионных процессов описываются законами Фика.
Согласно первому закону Фика количество вещества А, перенесенного вследствие диффузии в единицу времени через поверхность S, перпендикулярную направлению переноса, пропорционально градиенту концентрации этого вещества в данный момент времени τ:
(7.3)
Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом молекулярной диффузии; его единицы измерения (длина)2∙(время)–1, например см2∙с–1.
В общем случае концентрация меняется как в пространстве, так и во времени. Изменение концентрации вещества А во времени в результате молекулярной диффузии описывается вторым законом Фика
или для диффузии в трехмерном пространстве
Заменим в уравнении (7.3) градиент концентрации на отношение конечных приращений:
где ∆cА – изменение концентрации на расстоянии ∆z = δ – толщины слоя, через который проходит диффузионный поток. Тогда
где β – коэффициент пропорциональности (коэффициент массоотдачи),
(7.4)
При протекании гетерогенного процесса у поверхности раздела фаз происходят расходование исходных реагентов и образование продуктов реакции. Для стационарного протекания процесса необходимо непрерывное пополнение убыли реагентов у реакционной поверхности и удаление от нее образующихся продуктов. Перенос осуществляется вследствие диффузии при наличии перепада концентраций. Чем быстрее идет реакция, тем выше должна быть и скорость диффузии, иначе химическая реакция будет тормозиться диффузионными процессами.
Можно считать, что перепад концентраций возникает в диффузионном подслое, находящемся у поверхности раздела фаз. Внутри этого диффузионного подслоя перенос вещества осуществляется исключительно вследствие молекулярной диффузии. Чем меньше толщина подслоя δ, тем больше в соответствии с уравнением (7.4) коэффициент массоотдачи.
Коэффициент молекулярной диффузии D (коэффициент пропорциональности в уравнениях скорости диффузии) является функцией молекулярных свойств того вещества, которое диффундирует, и того вещества, в котором происходит диффузия первого. Он слабо возрастает с ростом температуры (~Т – Т3/2) и уменьшается с ростом давления. Чаще всего коэффициент D определяют по опытным данным, а также по эмпирическим или полуэмпирическим зависимостям.