Гетерогенные процессы в системе газ - твёрдое вещество
Гетерогенные процессы в системе газ – твёрдое вещество очень распространены в промышленности. К ним относятся процессы горения твёрдых топлив, обжига различных руд, получения цемента и т.д.
Для описания таких процессов используют кинетические модели. Наиболее распространёнными являются модель с фронтальным перемещением зоны реакции (модель с непрореагировавшим ядром) и квазигомогенная модель. Рассмотрим эти модели на примере гетерогенной реакции
Квазигомогенная модель основана на представлении, что внешний газ проникает внутрь частицы и взаимодействует с веществом во всём объёме твёрдой частицы. Это возможно, если газообразный реагент может достаточно свободно проникнуть внутрь твёрдой фазы, т.е. если частица твёрдого вещества пронизана большим числом пор, а химическая реакция, протекающая на поверхности этих пор, достаточно медленная. Внутренняя поверхность твёрдой частицы намного больше наружной, и реакция происходит в основном на внутренней поверхности. При этом скорость реакции одинакова на различных участках частицы. Таким образом, всё вещество постепенно превращается в продукты реакции.
Рис. 3.4. Схематическое изображение твердой частицы в ходе гетерогенного процесса, описываемого квазигомогенной моделью: 1 – до реакции; 2 – почти полностью превращенная частица; С - концентрация твёрдого реагента в частице; R – радиус частицы.
На рис. 3.4. показано, как изменяется по объёму твёрдой фазы в разные моменты времени от начала реакции концентрация твёрдого реагента В, если процесс протекает в соответствии с квазигомогенной моделью. Эта модель достаточно хорошо отражает явления, протекающие при очень медленных реакциях, в которых участвуют сильно пористые тела.
Модель с фронтальным перемещением зоны реакции. Согласно этой модели химическая реакция протекает на внешней поверхности частицы. Зона реакции постепенно продвигается внутрь частицы с образованием твердых и газообразных продуктов реакции. В произвольный момент времени твердая частица представляет собой внутреннее ядро, окруженное внешней оболочкой. Ядро состоит из непрореагировавшего реагента (поэтому эту модель называют ещё моделью с непрореагировавшим ядром). Окружающая его оболочка состоит из твердого продукта и инертных веществ, условно называемых "золой". Следовательно, в любой момент имеется невзаимодействующее ядро твердого материала, размер которого в ходе реакции постепенно уменьшается (рис. 3.5.).
Рис. 3.5. Профиль изменения концентрации твёрдого реагента В по мере протекания гетерогенного процесса, описываемого моделью с фронтальным перемещением зоны реакции: а – до реакции; б – промежуточный момент реакции; в – почти полностью превращённая частица. 1- низкая степень превращения; 2- зола; 3- невзаимодействующее ядро частицы; 4- зона реакции; 5- высокая степень превращения; C – концентрация твердого реагента в частице; R – радиус частицы.
Простое наблюдение за процессом горения угля, дров, брикетов, а также туго свернутого рулона бумаги дает представление о модели частицы с невзаимодействующим ядром. Эта модель является более распространённой, чем квазигомогенная модель.
Гетерогенный процесс, описываемый моделью с фронтальным перемещением зоны реакции, можно разделить на пять элементарных стадий:
внешняя диффузия – подвод газообразного реагента А из потока газа к поверхности твёрдой частицы;
внутренняя диффузия – проникновение газообразного реагента через поры твёрдого продукта реакции (золы) к ядру твёрдого реагента;
собственно химическая реакция на поверхности непрореагировавшего ядра;
внутренняя диффузия газообразных продуктов реакции через слой твёрдых продуктов (золы) обратно к поверхности частицы;
внешняя диффузия газообразных продуктов реакции через пограничный слой газа в основную массу газового потока.
В реальных условиях некоторые из указанных стадий обычно отсутствуют. Если, например, не образуется газообразных продуктов, и если реакция необратима, то две последние стадии можно исключить из рассмотрения.
Любая из этих стадий при определённых условиях может оказаться лимитирующей. Если лимитирующей является внешняя диффузия, то процесс протекает во внешнедиффузионной области. Если лимитирующей является внутренняя диффузия, то процесс протекает во внутридиффузионной области. Если лимитирующей является химическая реакция, то процесс протекает в кинетической области. Если скорости диффузии и химической реакции соизмеримы, то процесс протекает в переходной области.
Для воздействия на гетерогенным процесс важно выяснить лимитирующую стадию, т.е. определить область протекания ХТП.