Диффузионно-кинетическая модель реагирования
advertisement
Химическая кинетика гетерогенных процессов Лекция 6 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования На поверхности раздела любых гетерогенных реакций возникает образование диффузионного (пограничного или двойного электрического) слоя. Диффузионный слой образуется, когда в состав обеих фаз входят заряженные частицы (ионы, электроны, молекулы). 2 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Диффузионный слой, состоящий из неподвижной газовой пленки, существует между твердым веществом и газом или между жидкостью и газом. Диффузионный слой, состоящий из неподвижной жидкостной пленки, имеет место между двумя несмешивающимися жидкостями, а твердый диффузионный слой – между двумя твердыми веществами (слой продуктов реакции, 3 постепенно возрастающий со временем). Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Для того чтобы произошел элементарный химический акт необходимо проникновение вещества через диффузионный слой. 4 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Варианты гетерогенных процессов: 1. Скорость химической реакции велика и превышает скорость диффузионных стадий. 2. Скорость химической реакции при данном режиме осуществления процесса мала по сравнению со скоростью диффузионных стадий 5 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Стадии взаимодействия между твердым телом и газом (жидкостью) складывается из следующих стадий: 1. Перенос газа (жидкости) к поверхности твердого тела (молекулярная и конвективная диффузия). 2. Сорбция (хемосорбция) газа (жидкости) на поверхности твердого тела. 3. Химическая реакция между сорбированным газом (жидкостью) и твердым веществом. 6 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования 4. Кристаллизационные процессы (разрушение кристаллической решетки исходных веществ и образование новой кристаллической решетки продуктов реакции, в случае образования твердых продуктов реакции). В случае образования газообразных продуктов реакции – перенос газообразных продуктов реакции из глубины твердых продуктов реакции к поверхности твердой частицы. 5. Десорбция газообразных продуктов реакции с поверхности твердой фазы (диффузия продуктов от поверхности). 7 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования 8 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования В результате протекания гетерогенной химической реакции в разных точках реакционного пространства устанавливаются различные концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции. Градиент концентраций более подвижного реагента является причиной возникновения диффузии – самопроизвольного процесса переноса вещества в результате движения молекул до установления равновесного распределения концентраций. 9 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия внешних сил и т. д. Закономерности этих процессов описываются законами Фика. 10 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования 𝑑𝐶 𝑑𝑀 = −𝐷 𝑆𝑑τ 𝑑𝑥 Количество вещества А, перенесенного за счет диффузии в единицу времени через поверхность S, перпендикулярную направлению переноса, пропорционально градиенту концентрации этого вещества в данный момент времени 11 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Коэффициент называется пропорциональности коэффициентом D молекулярной диффузии; его единицы измерения (длина)2(время)-1, например см2/с. 12 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования В общем случае концентрация меняется как в пространстве, так и во времени. Изменение концентрации вещества во времени в результате молекулярной законом Фика диффузии описывается вторым 𝑑𝐶 𝑑2 𝐶 =𝐷 2 𝑑τ 𝑑𝑥 2 2 2 𝑑𝐶 𝜕 𝐶 𝜕 𝐶 𝜕 𝐶 13 2 = 𝐷𝛻 𝐶 = 𝐷 + 2+ 2 2 𝑑𝜏 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Следовательно: 1 𝑑𝑀 𝑑𝐶 ∆𝐶 𝜔=− =𝐷 ≈𝐷 𝑆 𝑑τ 𝑑𝑥 ∆𝑥 где С – изменение концентрации на расстоянии x = – толщины слоя, через который проходит диффузионный поток 14 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Следовательно: 1 𝑑𝑀 𝑑𝐶 ∆𝐶 𝜔=− =𝐷 ≈𝐷 𝑆 𝑑τ 𝑑𝑥 ∆𝑥 где С – изменение концентрации на расстоянии x = – толщины слоя, через который проходит диффузионный поток 𝜔 = 𝛽∆𝐶 𝐷 𝐷 𝛽= = ∆𝑥 𝛿 15 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования Требования к моделям процессов гетерогенного реагирования: 1. она должна достаточно точно отражать картину действительного реагирования; 2. для ее описания ненужно применять чрезмерно сложный математический аппарат. 16 Шагалов Владимир Владимирович Диффузионно-кинетическая модель реагирования О. Ливеншпиль: «Необходимо твердо помнить, что самый мощный математический аппарат, приложенный к модели, не соответствующей картине процесса, является просто математическим упражнением ничего не дающем инженеру, который должен рассчитать процесс». 17 Шагалов Владимир Владимирович
