Лекция №12 Внешняя диффузная область протекания гетерогенного процесса в системе газ/твердое вещество.
Для расчета скорости процесса в системе газ/твердое вещество представим, что сферическая частица обдувается газовым потоком, движущимся со скоростью W.
W
Rs – радиус частицы.
Поскольку частица имеет шероховатую поверхность, вокруг частицы существует практически неподвижный пограничный слой газа, который оказывает основное сопротивление процессу диффузии газообразного реагента к поверхности твердой фазы. Толщина этого пограничного слоя – δ, концентрация газообразного компонента на внешней поверхности пограничного слоя такая же, как и в ядре потока. Концентрация компонента на поверхности частицы ZBs.
Скорость процесса в области внешней диффузии (Uкд) (область конвективной диффузии) мы можем определить, используя первый закон Фика
Произведение коэффициента диффузии на отношение разности концентрации газообразного компонента и толщины пограничной пленки.
Отношение коэффициента диффузии к толщине пограничной пленки называется коэффициентом массоотдачи в области конвективной диффузии
Исходя из этих соотношений, мы можем сказать, что скорость гетерогенного процесса, протекающего в области конвективной диффузии, определяется природой газообразных компонентов, концентрацией газообразных компонентов и линейной скоростью подачи реагентов. Поскольку, именно линейная скорость подачи реагентов определяет величину толщины пограничной пленки.
Среди всех факторов, которые мы перечислили, наиболее существенно влияющим является линейная скорость подачи реагентов и основным управляющим фактором, применимым в области конвективной диффузии является скорость подачи реагентов.
Окончательно
мы получаем
От
этого уравнения нет толка, потому что
ZBs
неопределима, поэтому здесь говорят,
что как только молекула газа достигла
твердой частицы, наступает химическая
реакция. Скорость химического превращения
на несколько порядков выше, чем Uкд
и получается тогда
ZB – концентрация газа в ядре газового потока.
Наше допущение позволяет рассчитать время полного превращения если процесс протекает в области конвективной диффузии, т.е. используется правило: какое количество газа подошло к поверхности твердой частицы, такое же количество твердого вещества и вступило во взаимодействие.
Соответственно
скорость может быть выражена
Изменение
массы вещества отнесенное к площади
поверхности контакта фаз и промежутку
времени в течение которого происходит
это взаимодействие
Уравнение
позволяет связать время обработки
материала (τ), исходный радиус частицы
Rs
и радиус непрореагировавшей
части или радиус непрореагировавшего
ядра.
в
области внешней диффузии
На интенсивность протекания процесса во внешней диффузионной области помимо ранее перечисленных факторов оказывает влияние и размер обработанных частиц.
Внутренняя диффузная область протекания гетерогенного процесса в системе газ/твердое вещество.
Основное сопротивление процессу во внутренней диффузной области сосредоточено при транспорте реагентов через слой продукта реакции, образующегося на поверхности твёрдой частицы.
Скорость процесса, протекающего во внутренней диффузной области, будет определяться концентрацией компонента на поверхности твердой частицы и размерам исходных твердых частиц.
Коэффициент диффузии во многом определяется пористой структурой слоя продукта, поскольку при прохождении через слой продукта молекулы газовых реагентов сталкиваются не только между собой, но и со стенками пор. Определяющим фактором управления при протекании процесса во внутридиффузной области является размер обработанных частиц.
не
применяется для реальных реакций
При проведении процессов в кипящем слое внутридиффузная область практически никогда не наступает, потому что слой продукта механически удаляется с поверхности, и в химическую реакцию постоянно вступает обновленная поверхность твердой частицы, образующая более мелкие дисперсные частицы.
Как только молекула газового реагента подошла в поверхности раздела фаз она сразу вступает в химическую реакцию и, следовательно, его концентрация на поверхности раздела фаз равна 0.
И тогда получаем
Формула позволяет определить скорость процесса, протекающего во внутридиффузной области.
И, используя методику, которую мы применяли для области конвективной диффузии, определить время полной обработки твердого материала
Основной момент: время полной обработки зависит от Rs2, именно поэтому размер обработанных частиц является основным управляющим параметром.
Граница раздела фаз меняется по времени.