Реферат: Хіміко-технологічні процеси - складова хімічного виробництва. Кінетичні закономірності гетерогенних хіміко-технологічних процесів

Графічне зображення зміни ступеня перетворення твердої речовини x від часу це криві лінії, що мають S-образну форму (сигмоїда за Дельмоном). (рис.1 ) На початковій ділянці 0 – 1 кривої рис. 1 швидкість перетворення досить висока оскільки перетворення протікає на первинній поверхні, яка має найбільший розмір. Потім швидкість перетворення сповільнюється й в індукційному періоді (ділянка 1–2) воно протікає із меншою швидкістю .

У період прискорення (ділянка 2–3 ) швидкість перетворення найбільша .

Рис.1. Загальний вид зміни ступеня перетворення від часу

Прискорення пов’язано з розвиненням реакційної поверхні із-за нерівномірності витрат твердої речовини на різних ділянках поверхні. За цим періодом випливає період спаду швидкості перетворення це пов’язано зі зменшенням кількості реагенту в ході хімічної реакції. Усі ці ділянки одночасно представляються тільки на теоретичному графіку.

На графіках, побудованих за експериментальними даними, звичайно відбивають якісь переважаючі ділянки залежності α = φ(τ), характерні для основних етапів розвитку топохімічного перетворення. Наявність переважаючої ділянки залежить від реакційної поверхні, характеру перетворення, порушень кристалічних решіток, співвідношення молярних об’ємів вихідної фази і фази, що утворюється, форми і числа зародків, а також від особливостей швидкості зростання числа ядер зародків від часу.

Між тим вважають, що рівняння Єрофеєва, не зважаючи на свою універсальність не відображує механізму процесу, тому, що в результаті експериментальних досліджень можуть бути отримані значення показника ступені, які позбавлені фізичного змісту. Тому, для опису кінетики перетворень в системі Г-Т застосовують інші моделі. Найпопулярніші з них – квазігомогенна модель та модель з фронтальним переміщенням зони реакції.

2.3 Модель з фронтальним переміщенням зони реакції

Відповідно до цієї моделі процес проходить спочатку на зовнішній поверхні частинки, доти доки зовнішній шар твердого реагенту повністю не перетвориться в тверді або газоподібні продукти реакції більш глибокі шари твердого реагенту в реакцію не вступають. (рис.2)

В довільний момент часу тверда частинка являє собою внутрішнє ядро, яке оточене зовнішньою оболонкою, яка складається з твердого продукту та інертних речовин.

Такий процес можна розділити на такі 5 етапів:

1)Зовнішня дифузія – постачання газоподібного реагенту до поверхні твердої частинки через шар газу, який збіднений цим реагентом.

2)Внутрішня дифузія – проникнення газоподібного реагенту через пори твердого продукту до поверхні ядра твердого реагенту.

3)Хімічна реакція на поверхні ядра твердого реагенту.

4)Внутрішня дифузія газоподібного продукту через шар твердого продукту.

5)Зовнішня дифузія газоподібного продукту в реакційний об’єм.

На загальну швидкість процесу впливає швидкість окремих його стадій.

Зовнішня дифузія.

Нехай межа шару зі зниженою, у порівнянні з газовим потоком, концентрацією реагенту А знаходиться на відстані δ від твердої частинки, таким чином навколо твердої частинки існує плівка речовини А. Переніс речовини А з газового потоку до поверхні через граничну газову плівку здійснюється за рахунок конвекційної дифузії, для визначення швидкості якої користуються рівнянням:

,

де - коефіцієнт масовіддачі (D – коефіцієнт молекулярної дифузії, δ – товщина плівки). Інтенсифікувати процес зовнішньої дифузії можна зменшуючи товщину плівки δ шляхом збільшення швидкості газового потоку або перемішуванням твердих частинок (використання апаратів з киплячим шаром).

Внутрішня дифузія.

Якщо в результаті гетерогенної взаємодії газоподібного та твердого реагентів утворюються тверді продукти реакції, то стадією яка передує хімічній реакції буде внутрішня дифузія, або проникнення газу через шар твердого продукту до поверхні ядра.

,

де Dеф – ефективний коефіцієнт дифузії, що враховує пористість твердої речовини, форму та розмір пор.

Так як шар твердої речовини вчинює опір руху речовини А, то концентрація його біля ядра , якщо товщина шару твердого продукту невелика, то

,