Cinetica proceselor heterogene.
4.4.1 Tipuri de procese eterogene
reacții heterogene, spre deosebire de omogen, apar atunci când reactanții pentru mai mult de o faza. Suprafață care separă una de cealaltă fază, numită suprafață de interfață, sau interfață. Prin suprafața reactanților trebuie să fie transportate. faza de interfață, sau interfață este limita dintre fazele. De exemplu, în reacțiile „solid-gaz“ interfață este suprafața exterioară a solidului, care este în contact cu gazul. Pentru interfața a două lichide nemiscibile au o suprafață de contact între cele două lichide.
procesele heterogene sunt, de obicei, la uchsatii următorii pași:
1. Transportul de reactanți la interfața.
2. reactanti sorbție la interfață.
3. Reacția chimică la fazyu interfață
4. Desabsorbtia produșilor de reacție cu interfață AKF.
5. Transportul produselor de reacție în adâncimea fazei continue
Viteza totală a procesului sunt suprapuse etape individuale de viteză.
Transportul reactanți la transferul de masă interfacială este descrisă utilizând modele.
Ecuația de bază pentru a descrie rata de transfer de masă este după cum urmează:
- debit masic la suprafața de interfață, kmoli / min
- Coeficientul de transfer de masă, m / min
- suprafață de interfață, m 2
- concentrația de reactant la interfața, kmoli / m 3
- concentrația de reactant în faza continuă în vrac. kmoli / m 3
2. pe interfața vitezei de sorbție suprafata legii lui Henry bude proporțională cu concentrația de la interfața fazelor, factorul de proporționalitate - constanta lui Henry va depinde de natura substanței și a temperaturii. Acest proces este de obicei suficient de rapid, iar concentrația de suprafață poate fi scrisă astfel:
Viteza de reacție pe suprafață va fi egală cu produsul dintre viteza de reacție constantă pentru concentrația reactantului la interfață.
În absența depozitării reactivului fluxului de material interfacial transportat la interfața datorită transferului de masă este egală cu materialul de flux care intră într-o reacție chimică. Echivalând aceste fluxuri, obținem ecuația de bilanț material.
Rezolvarea acestei ecuații pentru concentrarea la interfața. Obținem o expresie pentru:
Substituind această expresie în ecuație pentru viteza reacției heterogen la interfața (4.4.3), obținem o ecuație pentru viteza reacției eterogene, exprimată în termeni de volum de reactiv concentrației în faza continuă:
Ecuația (4.4.7) exprimă rezistențe aditivitate individuale etapelor de proces eterogen. În cazul în care rezistența chimică este mult mai mare decât rezistența de transfer de masă și rata de transfer de masă la interfața limitează viteza de ansamblu a procesului. În acest caz, se spune că procesul are loc în regiunea de difuzie. Cu condiția când. Rata de transfer de masă este mult mai mare decât viteza de reacție la interfața și procesul are loc în regiunea cinetică. În cazul în care etapele individuale ale ratei constante comensurabil. proces
veniturile din regiunea mixt difuzie cinetică.
câmp flux 4.4.3.Opredelenie
FIELD procedeu eterogen poate fi determinată în funcție de rata efectivă a procesului de condițiile de proces.
· In procedeul conform ratei observată a vitezei relative a fazelor de mișcare.
Dacă rata observată a procesului depinde de viteza de faze de mișcare, viteza globală a procesului este controlată prin viteza de transfer de masă. Aceasta înseamnă că procesul are loc în regiunea de difuzie, ca masă crește rata de transfer ca debitul fazei solide, prin reducerea grosimii stratului de difuzie de delimitare în conformitate cu ecuațiile, derivate de la 1-gozakona Fick. Un pas proces de limitare în fluxul de proces în zona de difuzie este o rată de difuzie prin stratul de difuzie staționar la interfața:
În care: - difuziv grosimea stratului limita, care depinde de debitul.
De exemplu, în Fig. Influența ratei de agitare asupra vitezei de dizolvare a zincului în acid
Ris.4.4.1. Dependența vitezei de dizolvare zincului din agitatorul de viteza de rotație.
Figura arată că prin creșterea vitezei de rotație a agitatorului la „800 rot / min, o creștere suplimentară a vitezei de dizolvare, practic se oprește. Acest lucru poate fi procesul de tranziție spre regiunea cinetică, în care viteza procesului este independent de viteza de transport a reactantului la interfața pe care există o conversie chimică.
Un alt mod de a determina zona de curgere a procesului eterogen este un studiu general al dependenței ratei de temperatură.
Este cunoscut faptul că energia de activare a proceselor chimice este, în general, în intervalul 40¸200 kJ / mol. In timp ce energia de activare pentru procesele de difuzie care se desfășoară în mediul lichid sau gazos este în intervalul 4¸20 kJ / mol
Ris.4.4.2: Efectul temperaturii asupra reacției C + ½O2 → CO. La temperatură intervalul 600-800 ° C, E = 174 kJ / mol (control chimic) și în intervalul de 1100-1300 ° C, E = 6,3 kJ / mol (control de difuzie)
Pe ris.4.4.2 arată efectul temperaturii asupra reacției de oxidare a carbonului cu deficit de oxigen. Figura arată că intervalul de temperatură 600-800 ° C, reacția de oxidare a suprafeței este bole etapă lentă decât viteza de transport a oxigenului la suprafața de reacție. Când temperatura a ajuns la 1000 ° C de suprafață crește viteza de reacție, astfel încât viteza de transport a oxigenului la suprafața reacției devine viteză mai mică posibil consumul și heterogene are loc procesul de oxidare la controlul de difuzie.
Efectul de formă interfaciale procese eterogene de viteză interfacială.
formă solidă care urmează să fie reacționat în lichid sau în fază gazoasă joacă un rol important în determinarea ratei procesului. Dacă solidul are forma unei plăci sau disc, suprafața va rămâne constantă în timpul reacției și, prin urmare, viteza de proces este de asemenea constant. Cu toate acestea, în cazul în care solidul este sub forma unei sfere sau tabletă, suprafața se va schimba în mod continuu în timpul reacției și, prin urmare, viteza va varia de asemenea. Dacă această modificare este de a pune în considerare, este posibil să se prevadă schimbarea vitezei de proces pe măsură ce curge
Luați în considerare reacția „solid-lichid“, de exemplu, din metal reacția de dizolvare în acid.
Viteza de dizolvare a particulelor solide de metal din acidul poate fi descrisă de ecuația:
în cazul în care de metal W-greutate, la un moment arbitrar, kg
A - suprafața particulelor de metal, m 2.
concentrația acidului la interfața
Să presupunem că particulele metalice sunt sferice raza r. atunci
- raza particulei la inițial timp, m
- Particulele de masă la momentul inițial, kg
- masa unei particule la un moment arbitrar, kg
- Densitatea particulelor, kg / m3.
- masa particulelor la momentul inițial, kg
- raza particulei la momentul inițial, m.
- numărul de particule în timpul inițial.
Presupunând că numărul de particule în proces nu se schimbă, însă modificări numai masa particulei, se poate obține următoarea expresie pentru greutatea actuală a particulelor:
- unde W - masa reală a particulelor la un moment dat, kg
-raza de particule de la un moment arbitrar, m
-suprafața particulei la un moment arbitrar, m 2.
-Suprafața totală a tuturor particulelor din greutatea actuală a particulelor W, m 2.
Notăm suprafață particule de suprafață per unitate de volum a reactorului, obținem următoarea ecuație, care exprimă valoarea curentă ca funcție a masei de metal:
- suprafața specifică a particulelor, m 2 / m 3.
Substituind această valoare a suprafeței specifice în ecuația pentru viteza etapelor individuale ale procedeului înregistrate atât reacția omogenă, obținem ecuația vitezei reacției care apar pe suprafața fazei solide conținută într-o unitate de volum reacției:
În cazul în care - viteza reacțiilor eterogene și omogene. respectiv.
Acum exprimă valoarea actuală a greutății reactantului solid prin concentrația sa molară și volumul reactorului:
Ms - greutatea moleculară a fazei solide, kg | kmoli
- concentrația molară a particulelor solide din volumul reactorului, kmoli / m 3.
Diferențierea ambele părți ale ecuației (12) în timp, luând în considerare ecuația (11), obținem expresia pentru viteza de schimbare a greutății reactantului solid:
În cazul în care au dimensiune kg / m3.
Folosind ecuația (4.4.12), putem scrie ecuațiile modelului matematic pentru restul componentelor în felul următor:
Astfel, pentru a obține un model matematic al unui proces eterogen folosind folosind modelul cvasi-omogen, puteți utiliza pachet software ReactOp, a crea un model personalizat, după cum urmează:
- Scrieți ecuațiile reacțiilor chimice pentru toate etapele.
- Scrieți o ecuație pentru valoarea curentă a masei fazei solide (atunci când este schimbat.
- Scrieți expresia suprafeței de contact specific fazei.
- Concentrațiile de componente sol Înmulțire obținute programul ReactOp asupra valorii suprafeței specifice de contact fază.
Această procedură durează ceva timp și este foarte ușor de utilizat Fortran limbaj algoritmic, aproape de limba de înregistrare normală a formulelor matematice.
Secțiunea 5. Sinteza modele de obiecte tehnologice pe baza modelelor hidrodinamice și ecuații de cinetica chimică.
Pagina generata pentru: 0,009 sec.