Лекция №4. Гетерогенные процессы

Выбор оптимальной концентрации.

Выбор оптимального давления.

Примеры:

Ограничения при выборе оптимального давления:

1. При повышении давления возрастают энергозантаты на сжатие реагентов. (нарисовать график)

2. Повышение давления приводит к увеличению капитальных затрат на оборудование и его обслуживание.

необходимо учитывать:

1. Экономическую целесообразность обогащения или концентрирования сырья.

2. Предел взрывоопасности реакционно смеси.

3. Возможность перехода реагентов в конденсированное состояние (конденсация, кристаллизация)

4. Концентрация определяет количество выделяемого или поглощаемого тепла в зоне реакции, т.е. оказывает непосредственное влияние на температуру процесса. Поэтому при неправильном выборе концентрации может быть нарушен температурный режим

Гетерогенные химические процессы. Стадии гетерогенных процессов. Диффузия в газовых, жидких, твердых средах. Законы Фика. Взаимное влияние химической реакции и переноса массы на скорость гетерогенных процессов. Лимитирующая стадия и ее определение. Область протекания гетерогенных процессов.

Большинство процессов, используемых в химической технологии являются гетерогенными.

В гетерогенном химическом процессе компоненты (исходные вещества, продукты, катализатор) находятся в различных фазах. По виду участвующих фаз различают следующие гетерогенные системы (привести примеры):

1) Г-Т; 2) Ж-Т; 3) Г-Ж; 4) Ж-Ж; 5) Т-Т; 6) многофазные системы (Г-Ж-Т, Ж-Ж-Г).

Участники таких процессов находятся в различных вазах, а химическая реакция в данных системах протекает на границе раздела фаз или в одной из фаз. Поэтому для осуществления таких процессов необходим перенос компонентов из объема фазы в зону реакции. Таким образом гетерогенный процесс является многостадийным и включает в себя перенос массы (массообменная стадия) и химическое превращение.

Перенос массы в направлении поверхности соприкосновения фаз может происходить в результате молекулярной диффузии и конвекции, вызванной гидростатическими силами, течением потока или использованием перемешивающих устройств. Отдельный случай представляет собой движение турбулентного потока, в котором можно различить две зоны: ламинарную (слой около поверхности соприкосновения фаз – пограничный слой) и турбулентную (в глубине фазы – ядро потока). В ламинарном слое вещество переносится главным образом молекулярной диффузией, а в турбулентной зоне в основном вследствие завихрений и флуктуаций локальных скорости движения потока. Считая, что в турбулентой зоне концентрация практически выравнивается, перенос массы в такой системе можно представить как молекулярную диффузию через пограничный ламинарный слой с эффективной (приведенной) толщиной. Перенос вещества до границ разделе фаз называется массоотдачей.

Диффузия.

Закономерности диффузионных процессов описываются законами Фика. Согласно первому закону Фика количество вещества А, перенесенного за счет диффузии в единицу времени через поверхность F, перпендикулярную направлению переноса, пропорционально градиенту концентраций этого вещества в данный момент времени τ:

Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом молекулярной диффузии; его размерность (длина)²/ время.

В общем случае концентрация меняется как в пространстве, так и во времени. Изменение концентрации вещества А во времени в результате молекулярной диффузии описывается вторым законом Фика:

Коэффициент молекулярной диффузии D является функцией молекулярных свойств (плотность, вязкость) того вещества, которое диффундирует, и того вещества, в котором происходит диффузия.

Из кинетической теории газов следует, что значение коэффициента диффузии обратно пропорционально давлению, и пропорционально темпертуре в степени 3/2:

Коэффициент диффузии в газах при атмосферном давлении составляют 0,1-1 см²/с, а для жидкости их значения в 10⁴-10⁵ раз меньше. зависимость коэффициента диффузии в жидкостях от температуры выражается эмпирическим уравнением:

В твердых телах диффузия еще более медленна, а коэффициент диффузии составляет 1 см²/год.

Под скоростью гетерогенного химического процесса понимают количество одного из реагентов или продуктов реакции, которое прореагирует или образуется в единицу времени на единице поверхности раздела фаз.

Из кутепова формула 9.3.

Скорость гетерогенных процессов

В многостадийном процессе интенсивность его составляющих этапов, стадий может быть различна. Часто скорость гетерогенного процесса определяется не скоростью химической реакции, а скоростью массопереноса. (Сравнить с гомогенными). В данном случае вводятся понятие лимитирующая стадии процесса, ограничивающая его скорость и режим процесса, определяемый этой стадией.

Скорость отдельной стадии процесса определяется ее параметрами (константой вкорости или коэф массопередачи) и движущей силой. Предположим,что процесс протекает в стационарном режиме. Тогда:

Система газ-твердое. Характеристика и классификация процессов, протекающих в системе газ-твердое. Диффузионные стадии процессов в системе Г – Т. Кинетические модели процесса. Математическое описание скорости процессов, протекающих во внешне-, внутридиффузионной, кинетической областях.

Система газ-жидкость. Пленочная модель газожидкостных процессов. Влияние растворимости газа, лимитирующей стадии на зону реакции. Скорость процессов в системе газ-жидкость при физической и химической абсорбции.

Система твердое-жидкость. Характеристика и классификация процессов в системе твердое-жидкость. Лимитирующая стадия процессов и их кинетические модели.