Презентация лекция 6

Общая скорость химико-технологического процесса однозначно

определяется скоростью химической реакции только в случае гомогенных

систем. В таких системах все реагирующие вещества находятся в одной фазе, и

реакция протекает во всем объеме реактора.

В гетерогенных системах реагенты находятся в разных фазах:

- газ – жидкость

-газ – твердая фаза

-жидкость – твердая фаза

-газ – жидкость – твердая фаза и т.д.

 Соответственно механизм гетерогенных процессов помимо химического

взаимодействия реагентов, включает диффузию реагентов к границе раздела фаз и диффузию продуктов реакции из зоны реакции.

Рассмотрим в качестве примера необратимую реакцию первого порядка между реагентом А, находящимся в газовой фазе и твердым реагентом В,

собразованием газообразного продукта С.

А(газ) + В (тв) С (газ)

Реагент А из турбулентного потока газа, движущегося параллельно плоской

поверхности твердого реагента В, диффундирует через прилегающий к поверхности пограничный ламинарный слой газа толщиной δ (дельта).

Изменение концентрации в этом слое газа происходит по линейному закону:

3

Движущей силой массообменного процесса является разность

(градиент) концентраций. Если в разных точках объема фазы концентрация вещества различна, молекулы вещества

самопроизвольно перемещаются в том направлении, в котором

концентрация его меньше:

С1

С1 > С2

С2

Очевидно, что скорость переноса вещества тем больше, чем больше разность концентраций ∆C = С1 - С2 . Пределом протекания процесса является равенство концентраций во всем объеме фазы С1 = С2. В этот

момент ∆C = 0 и скорость массопереноса равна нулю.

Скорость расходования вещества А в химической реакции, отнесенная к единице

реакционной поверхности выражается уравнением первого порядка:

где

rХР – количество вещества А, расходуемое в единицу времени на единице реакционной поверхности, моль/(м2*с)

F – реакционная поверхность, м2

СА,п – концентрация реагента А у твердой поверхности, моль/м3

(эту концентрацию, в отличие от концентрации в ядре потока мы измерить не

можем)

5

Скорость физического (молекулярного) переноса вещества А, отнесенная к

единице поверхности выражается уравнением:

где

D – коэффициент диффузии, м2/с;

–толщина пограничного (ламинарного) слоя газа, м;

СА,я – концентрация реагента А в ядре потока, моль/м3;

СА,п - концентрация реагента А у поверхности (в зоне реакции), моль/м3;

β – коэффициент скорости масоотдачи в газовой фазе, отнесенный к единице

поверхности, м/с

Для стационарного процесса количество вещества перенесенного 6

диффузией равно количеству вещества вступившего в химическую реакцию, соответственно сумма прихода и расхода вещества равна нулю:

rФ rХР 0

таким образом

СА, я СА,п k CА,п

раскрываем скобки и разделяем переменные

выражаем концентрацию у поверхности

7

Подставив значение поверхностной концентрации реагента А в уравнение скорости химической реакции, получаем:

Это уравнение аналогично уравнению

но вместо величины поверхностной концентрации CА,п, которую мы не можем непосредственно измерить, в уравнение входит величина измеряемой концентрации в ядре потока CА,я

kэфф - это эффективная константа скорости, зависящая и от скорости химической

реакции (через истинную константу скорости k) и от скорости диффузии (через коэффициент массоотдачи β)

8

Величина обратная эффективной константе скорости называется «общим

сопротивлением процесса» и равна сумме кинетического и диффузионного

сопротивлений:

1/k – кинетическое сопротивление

1/ β –диффузионное сопротивление

1. Кинетическая область протекания процесса (скорость процесса лимитируется

кинетикой химической реакции)

Величина β >> k, то есть или очень велика скорость массоотдачи, либо очень мала

скорость реакции, соответственно концентрация вещества у поверхности

практически не отличается от концентрации в ядре потока

и скорость процесса определяется скоростью химической реакции

эффективная константа скорости приблизительно равна истинной константе

скорости kэфф k