23. Закономеpности гетеpогенных пpоцессов. Диффузионные стадии гетеpогенных пpоцессов. Скоpость гетеpогенных химико-технологических пpоцессов.

Гетерогенные процессы протекают на поверхности раздела фаз Г-Ж, Г-Т. Гетерогенный процесс является многостадийным процессом.

Основные стадии процесса:

•диффузия реагентов к поверхности раздела фаз (внешняя диффузия);

•диффузия реагентов внутри твердой фазы (внутренняя диффузия);

•химическая реакция;

•диффузия продуктов реакции внутри твердой фазы;

•диффузия продуктов реакции в газовую фазу.

Скорость процесса определяется лимитирующей стадией - ста­дией, которая характеризуется максимальной движущей силой про­ цесса и минимальной интенсивностью.

Если процесс лимитируется диффузией реагентов, то считают, что реакция протекает в диффузионной области.

Если процесс лимитируется скоростью химической реакции, то считают, что процесс протекает в кинетической области.

Если скорости диффузии и химической реакции близки по значе­ниям, то считают, что процесс протекает в промежуточной области.

Процессы диффузии описываются законами Фика. Основной задачей исследования гетерогенного процесса является установление зависимости наблюдаемой скорости превращения WHот концентрации, температуры и других условий протекания процесса.

В результате протекания гетерогенной химической реакции в разных точках реакционного пространства устанавливаются раз­личные концентрации реагирующих веществ и продуктов реак­ции. 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:

 (14.3)

Коэффициент пропорциональности D называется коэффи­циентом молекулярной диффузии, его единицы измерения (дли­на)²∙(время)^-1, например см²∙с^-1 (см²/с).

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, в общем случае, для диффузии в трехмерном пространстве

заменим в уравнении (14.3) градиент концентрации на отношение конечных приращений:

где ΔС_А – изменение концентрации на расстоянии Δz = δ – тол­щины слоя, через который проходит диффузионный поток. Тогда

где β – коэффициент пропорциональности (коэффициент массоотдачи),

 (14.4)

При протекании гетерогенного процесса у поверхности разде­ла фаз происходит 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 (14.4) 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÷Т^3/2) и уменьшается с ростом давления. Чаще всего коэффициент D определяют по опытным данным, а также по эмпирическим или полуэмпири­ческим зависимостям.

В общем виде скорость u гетерогенного процесса выражается в следующей формуле:

u=F×DC×k

F – поверхность контакта фаз

DC – движущая сила процесса

k – коэффициент скорости процесса.

Равновесие в гетерогенных системах зависит от температуры, давления, концентрации, как исходных реагентов, так и продуктов реакций. Скорость же взаимодействия реагентов находящихся в разных фазах, зависит не только от скорости u химической реакции, но и от других факторов.

Коэффициент скорости процесса.

Коэффициент скорости процесса – зависит от многих факторов, влияющих на скорость процесса. Для определения коэффициента скорости реакции необходимо прежде всего выявить лимитирующую стадию процесса. Наиболее медленными стадиями, каждая из которых может тормозить весь процесс, являются:

1. химическая реакция,

2. диффузия,

3. одновременно химическая реакция и диффузия.