Выбор моделей процессов гетерогенного реагирования

Для того, чтобы получить уравнение для скорости взаимодействия твердой частицы с газом или жидкостью, необходимо представить себе, что каждое подобное уравнение является упрощенным математическим представлением мысленно выбранной модели реагирования.

Ливеншпиль: Необходимо твердо помнить, что самый мощный математический аппарат, приложенный к модели, не соответствующей картине процесса, является просто математическим упражнением ничего не дающем инженеру, который должен рассчитать процесс.

Это применимо не только к моделям, касающимся кинетических уравнений, но и ко всем вопросам химической технологии.

К модели процесса предъявляются два основных требования:

1. она должна достаточно точно отражать картину действительного реагирования.

2. Для ее описания ненужно применять чрезмерно сложный математический аппарат.

Для некаталитических реакций твердой частицы с газом или жидкостью имеются две простые идеализированные модели – квазигомогенная и модель с фронтальным перемещением зоны реакции.

Квазигомогенная модель основана на представлении того, что внешний газ проникает внутрь частицы и взаимодействует с веществом во всем объеме. При этом скорость реакции одинакова на различных участках частицы. Таким образом все вещество постепенно превращается в продукты реакции.

Рассмотрим реакцию:

аA(г) + bB(т) = rR(г) + sS(т)

	CB CS C0

а б в

Рисунок 9. Схематическое изображение твердой частицы в ходе гетерогенного процесса, описываемого квазигомогенной моделью: а – до реакции; б – в промежуточный момент реакции; в – почти полностью превращенная частица.

ЛЕКЦИЯ 7.

Области реагирования применительно к реакции твердое + газ = газ.

Сферическая модель процесса. Решающую роль в определении характера процесса играет распределение концентраций газа. С_г – концентрация газа в объеме газовой фазы. С_п – концентрация газа на поверхности твердой частицы. С_ц – концентрация газа в центре частицы.

С_г С_ц С_г

R

Рисунок 10. Схематичное изображение профиля концентрации газа при условии С_г = С_п = С_ц. Внутренне кинетическая область.

При равенстве С_г = С_п = С_ц, , реакция с приблизительно равными скоростями проходит как в глубине твердой частицы (в порах, трещинах), так и на ее поверхности. Скорость реакции будет выражаться уравнением:

(64)

где – F_пов – общая площадь реакционной поверхности, F_уд – удельная площадь поверхности, G – количество твердого вещества. F_пов= F_конт + F_пор. F_конт - площадь поверхности контура; F_пор – площадь поверхности пор.

При таком режиме реагирования скорость суммарного процесса определяется только скоростью химической реакции. Поэтому область, где С_г = С_п = С_ц чисто-кинетической или внутренне кинетической.

При проведении реакции в этой области можно экспериментально определить кинетические параметры химической реакции, т.к. диффузия не искажает действительной картины процесса и скорость его меняется лишь при повышении температуры.

1-я переходная область. Обычно С_г » С_п » С_ц при низкой температуре, когда скорость химической реакции невелика, а подвод газа к поверхности твердой частицы обеспечен при необходимом диффузионном напоре. С увеличением температуры или диаметра частицы выше некоторых пределов, соотношение между скоростями диффузии и химической реакции может изменяться, что приводит к нарушению условия равенства концентраций. Реакция в переходной области, для которой справедливы уравнения С_г = С_п > С_ц и С_ц > 0,1С_г. В этой области, называемой 1-ой переходной, процесс протекает на контурной поверхности частицы. Поскольку влияние скорости реагирования газа в порах частицы еще значительно, то математическое описание процесса затруднено. Уравнение не приводится.

С_п С_п

С_г С_г

С_ц

Рисунок 11. Схематичное изображение профиля концентрации газа при условии С_г = С_п > С_ц и С_ц > 0,1С_г. 1-я переходная область.

Поиск по сайту: