Механизм и скорость процессов взаимодействия газа (жидкости).

При анализе механизма процесса для частиц с невзаимодействующим ядром можно выделить 5 стадий развития процесса (рис 2.2.):

1) диффузию газообразного (жидкого) реагента через ГЛП к поверхности твердого вещества - (внешнедиффузионная область);

2) диффузию газообразного жидкого реагента через слой «золы» к поверхности реагента - (внутридиффузионная область);

3) химическое взаимодействие газообразного (жидкого) реагента с твердым реагентом - (кинетическая область);

4) диффузию газообразных (жидких) продуктов через слой «золы» к поверхности частицы - (обратная внутренняя диффузия);

5) диффузию газообразных (жидких) продуктов реакции через ГЛП в основной поток газообразного (жидкого) реагента, окружающего частицу твердого реагента - (обратная внешняя диффузия).

А _ГВ_Т В_Т А _Г

Рис. 2.2. Механизм процесса для модели с невзаимодействующим ядром

В зависимости от лимитирующей стадии для топохимических процессов различают внешнедиффузионную(I; V), внутридиффузионную(II; IV) и кинетическую области(III) протекания процесса.

Если сопротивление химической реакции и сопротивление переноса исходного реагента через слой «золы» будет значительно меньше сопротивления диффузии исходного реагента через ГЛП, считается, что топохимический процесс протекает во внешнедиффузионной области.

При внешнедиффузионной области протекания топохимической реакции для частиц сферической формы и одинакового размера (лимитирующими стадиями являются стадии 1, 5) , процесс описывается кинетическим уравнением вида:

Если сопротивление диффузии жидкого (газообразного) реагента газовой пленке, окружающей ядро твердого реагента и сопротивление химической реакции на границе раздела фаз: исходное вещество – продукт значительно меньше, чем сопротивление через слой «золы», то общая скорость процесса лимитируется внутренней диффузией реагента через слой «золы».

Для внутренней диффузии (лимитирующими стадиями являются стадии 2, 4) в этом случае уравнение кинетики выглядит следующим образом:

Когда скорость топохимического процесса целиком определяется химической реакцией (лимитирующей стадией является стадия 3) , то время пребывания твердого реагента в реакционной зоне, т.е. в кинетической области можно определить по формуле:

В уравнениях:

r_В - мольная плотность вещества В, моль/см³;

n_B - стехиометрический коэффициент при твердом веществе В;

R - радиус твердой частицы;

r - радиус невзаимодействующего ядра;

b - коэффициент массопередачи;

D - коэффициент диффузии;

k - константа скорости;

t_n - время полного превращения твердого исходного реагента;

X_B - степень превращения вещества В.

Экспериментальные методы определения области протекания топохимического процесса:

1. Изучение зависимости скорости топохимического процесса от температуры.

Для этого проводят топохимический процесс в широком интервале температур и определяют скорость процесса при полном превращении твердой фазы.

U₁

U₂

U₃

Первая область характеризуется экспериментальны увеличением скорости от времени, что соответствует кинетической области. Вторая область характеризуется соизмерительными скоростями, что говорит о том, что топохимический процесс протекает в переходной области. На третьей стадии слабая зависимость скорости от температуры, а также зависимость от линейной скорости движения газа – диффузионная область.

2. Сопоставление теор. и эксер. зависимости

Для внешнедиффузионной области:

Для внутридиффузионной:

Для кинетической области:

По этим уравнениям строят теор. зависимости. Далее проводят эксперимент и с помощью аналитического метода определяют степень превращения.

Если экспериментально точки ложатся на одну из теоретических зависимостей, то предполагают, что процесс протекает в той области, которой соответствует данная теоретическая зависимость.

III

3. Оценка влияния размеров частиц твердой фазы

Согласно этому методу проводят серию опытов при постоянной температуре, давлению, скорости движения газовой фазы и различных размеров твердой фазы.

Строят график зависимости Хв от времени

Хв=1

Хв

время

Определяют время полного превращения твердой фазы и рассчитывают время полного превращения твердой фазы и размеров.

Для внешнедиффузионной области:

Для внутридиффузионной области:

Для кинетической области:

14. Общие положения, понятие о химических реакторах, классификация химических реакторов: периодические, непрерывнодействующие и полупериодические реакторы.

Под химическим реактором подразумевают аппарат, в котором осуществляют химическую реакцию. Конструкция реактора и химический процесс, протекающий в нем оказывают важное влияние на технологию производства целевого продукта, прежде всего на стадии выделения целевого продукта.

Химические реакторы классифицируют по:

1) Тепловому режиму:

- изотермический режим (температура на входе, выходе и в самом реакторе одинакова);

- адиабатический режим (отсутствует теплообмен с окружающей средой);

- политропический режим.

В изотермическом реакторе поддерживается постоянная температура за счет циркуляции хладагента (теплоносителя), за счет испарения веществ, находящихся в реакторе.

В адиабатическом реакторе тепло выделяющееся или поглощающееся в результате химической реакции идет на нагрев (охлаждение) реакционной массы.

В политропическом режиме (смешанный тепловой режим) существуют зоны, где реализуется изотермический режим и зоны в адиабатическом режиме.

2) По гидродинамическому режиму (реакторы смешения, реакторы вытеснения).

Реакторы смешения – за счет эффективного перемешивания выравниваются концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции во всех точках объема реакционной массы.

Реакторы вытеснения называют также проточными реакторами. При эффективном перемешивающем устройстве и небольшом объеме реактора можно создать в нем режим идеального смешения.

3) По способу подвода исходных реагентов и отвода продуктов классифицируют:

1. Реакторы периодического действия - подвод и отвод осуществляется периодически.

2. Реакторы непрерывного действия – подвод и отвод осуществляется непрерывно.

3. Реакторы полунепрерывного действия - подвод осуществляется периодически, а отвод продуктов непрерывно.

4. Реакторы полупериодического действия – подвод сырья осуществляется непрерывно, а отвод продуктов периодически.

4) По конструкции: (аппараты емкостного типа, шахтного типа, колонного типа, типа котел (автоклав) и т. д.).

5) По стационарности процесса: (реактора стационарного типа, нестационарного типа).

В стационарных реакторах отсутствует градиент параметров во времени (реактора изотермического типа непрерывного действия).

К нестационарным реакторам относят реактора периодического действия.

6) Для гетерогенно-каталитических и топохимических процессов реактора классифицируют по движению твердой фазы (катализатора):

- с неподвижной твердой фазой;

- с движущейся твердой фазой (прямоток, противоток);

- реактора с кипящей твердой фазой (псевдоожиженный режим).

При расчете любого химического реактора используют уравнение материального баланса записанного в виде мольного потока i-го исходного реагента:

- количество i-го исходного реагента, поступающего в элементарный объем реактора в единицу времени;

- количество вещества, выходящего из элементарного объема реактора в единицу времени;

- количество i-го исходного реагента накапливаемого в элементарном объеме реактора;