4.4. Кинетика гетерогенных процессов.

4.4.1 Типы гетерогенных процессов

Гетерогенные реакции, в отличие от гомогенных, протекают при нахождении реагентов более чем в одной фазе. Поверхность, отделяющая одну фазу от другой, называется поверхностью раздела фаз, или интерфейсом. Через эту поверхность реагенты должны переноситься. Поверхность раздела фаз, или интерфейс, является границей между фазами. Например, в реакциях «твердое-газ» интерфейс есть внешняя поверхность твердого тела, находящаяся в контакте с газом. Для двух несмешивающихся жидкостей интерфейс есть поверхность контакта двух жидкостей.

4.4.2.Основные стадии гетерогенных процессов.

Гетерогенные процессы протекают обычно при учсатии следующих стадий:

1. Транспорт реагентов к границе раздела фаз.

2. Сорбция реагентов на границе раздела фаз. .

3. Химическая реакция на поверхности раздела фазю

4. Десорбция продуктов реакции с границы раздела фах.

5. Транспорт продуктов реакции в глубину сплошной фазы

На общую скорость процесса накладываются скорости отдельных стадий.

Транспорт реагентов к границе раздела фаз описывается с помощью закономерностей массопередачи.

Основное уравнение для описания скорости массопередачи выглядит следующим образом:

(4.4.1)

Где :

– массовый поток к поверхности интерфейса, кмоль/мин

- коэффициент массопередачи, м/мин

- площадь поверхности интерфейса, м²

- концентрация реагента на границе раздела фаз, кмоль/м³

- концентрация реагента в объеме сплошной фазы , кмоль/м³

2. Скорость сорбции на поверхности раздела фаз по закону Генри буде пропорциональна концентрации у поверхности раздела фаз, при этом коэффициент пропорциональности – константа Генри будет зависеть от природы вещества и температуры. Этот процесс протекает обычно достаточно быстро, и поверхностная концентрация может быть записана следующим образом:

(4.4.2)

Скорость реакции на поверхности будет равна произведению константы скорости реакции на концентрацию реагента на поверхности раздела фаз.

(4.4.3)

При отсутствии накопления реагента на границе раздела фаз поток вещества, переносимого к поверхности раздела фаз за счет массопередачи будет равен потоку вещества, вступающего в химическую реакцию. Приравняв эти потоки, получим уравнение материального баланса.

(4.4.4)

Где

Разрешив это уравнение относительно концентрации на поверхности раздела фаз , получим выражение для :

(4.4.5)

Подставив это выражение в уравнение для скорости гетерогенной реакции на поверхности раздела фаз (4.4.3), получим уравнение для скорости гетерогенной реакции, выраженное через концентрацию реагента в объеме сплошной фазы :

(4.4.6)

Где (4.4.7)

Уравнение (4.4.7) выражает аддитивность сопротивлений отдельных стадий гетерогенного процесса. Если химическое сопротивление много больше сопротивления массопередачи и скорость переноса массы к поверхности раздела фаз лимитирует общую скорость процесса. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. При условии, когда , скорость массопередачи много больше скорости реакции на поверхности раздела фаз и процесс протекает в кинетической области. Если константы скорости отдельных стадий соизмеримы, , процесс

протекает в смешанной, диффузионно-кинетической области.