Диффузионно-кинетическая модель реагирования

реклама
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
Скачать