ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Розовский Внешняя задача диффузионной кинетики из "Химическая кинетика и катализ 1985" В гетерогенных системах протекание химической реакции в обт -еме одной из фаз или на поверхности раздела фаз возможно только при условии транспорта реагентов в зону реакции и отвода Ц п дуктов реакции. Это значит, что неотъемлемыми стадиями суммарного процесса являются и химические, и диффузионные стадии. [c.289] Раздел химической кинетики, изучающий закономерности процессов, включающих химические и диффузионные стадии, называют диффузионной кинетикой. [c.290] В зависимости от особенностей наложения друг на друга химических и диффузионных стадий различают внешнюю и внутреннюю задачи диффузионной кинетики. Аппарат внещней задачи используют в случае, когда диффузия происходит при отсутствии химических реакций на всем пути диффузии химические реакции действуют лишь в конце пути. Аппарат внутренней задачи применяют в ситуации, когда па всем пути диффузии концентрация вещества изменяется и вследствие протекания химических реакций, так что профиль концентрации диффундирующего вещества определяется наложением этих процессов. [c.290] Для гетерогенных систем характерно разнообразное сочетание внешней и внутренней задач в разных комбинациях, поэтому существен правильный выбор модели. Для иллюстрации приведем один из простейших примеров. Пусть протекает химическая реакция газа с твердым телОхМ, погруженным в жидкость в виде отдельного куска. При этом газ растворяется в жидкости и диффундирует к поверхности куска, (рис. 71). Здесь мы имеем дело с внешней задачей. [c.290] И трудности решения и сами подходы зависят от того, стационарны ли процессы в системе. Мы будем рассматривать главным образом стационарные процессы, в первую очередь гетерогенный катализ. [c.290] Представим, что газовый поток состоит из ядра, в котором происходит полное смещение, и неподвнлшой диффузионной пленки газа толщиной б, через которую происходит диффузия к внещней поверхности зерен катализатора. Концентрация с газообразного реагента в ядре потока поддерживается постоянной. Его концентрация с у поверхности катализатора меньще с вследствие протекания реакции в результате этого различия возникает диффузионный поток реагента к поверхности. [c.291] Скорость химической реакции определяется концентрацией газового реагента у поверхности. Очевидно, что концентрация у поверхности будет изменяться во времени до тех пор, пока скорости реакции и диффузии будут отличаться друг от друга. Если, например, скорость диффузии больше скорости реакции, концентрация реагента у поверхности будет возрастать во времени. При этом скорость диффузии будет снижаться (из-за уменьшения градиента концентрации), а скорость реакции — увеличиваться. При наличии таких связей со временем установится стационарная концентрация реагента у поверхности катализатора, а скорости реакции и диффузии будут равны. При этом установится распределение концентраций реагента в плоскости нормали к поверхности катализатора, показанное на рис. 72, а. [c.291] Уравнение (б) хорошо отражает свойства модели. Если С Р величиной к в знаменателе можно пренебречь, и уравнение (5) обращается в исходное уравнение реакции первого порядка. В этом случае говорят, что реакции протекает в кинетической рбласти. [c.292] В промежуточном случае, когда значения констант скорости реакции и диффузии соизмеримы, реакция протекает в переходной области (между кинетической и внешнедиффузионной). [c.292] Поскольку скорость диффузии зависит от концентрации в первой степени, во внешнедиффузионной области реакция любого кинетического порядка будет протекать как реакция первого порядка, т. е. подчиняться уравнению (6). Уравнением (6) определяются и основные свойства реакций, протекающих во внешнедиффузионной области. Константа скорости диффузии в газовой фазе очень слабо зависит от температуры (наблюдаемая энергия активации порядка нескольких килодлюулей на моль против десятков и сотен килоджоулей на моль для химических реакций). Так же ведет себя наблюдаемая скорость реакций во внешнедиффузионной области. В переходной области наблюдаются промежуточные эффекты. [c.292] Константа скорости диффузии зависит также от газодинамических параметров она возрастает с увеличением линейной скорости потока газа и уменьшением размеров зерен (улучшается перемешивание и уменьшается б). Поэтому соответствующими приемами пользуются как для оценки влияния внешнедиффузионного торможения, так и для его устранения — повышение линейной скорости газового потока, например, позволяет перевести реакцию из внешнедиффузионной области в кинетическую. При повышении температуры к растет значительно сильнее, чем р, и влияние диффузионного торможения усиливается. [c.292] Использованный здесь подход к решению задачи был сформулирован Д. А. Франк-Каменецким и получил название метода равнодоступной поверхности. [c.293] Вернуться к основной статье