ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Характеристика и моделирование процессов в системе газ (жидкость) — твердое из "Основы химической технологии" К ХТП с участием газообразных и твердых реагентов (Г — Т) относят адсорбцию газов твердыми поглотителями, катализ на твердых катализаторах, пиролиз и горение твердого топлива, обжиг твердых материалов, их термическую диссоциацию, коррозионные процессы и т. д. [c.89] Процессы с участием твердых и жидких реагентов (Т — Ж) включает растворение и плавление твердых веществ, кристаллизацию их из растворов и расплавов, экстрагирование и выщелачивание, адсорбцию растворенных в жидкости веществ твердыми поглотителями и обратный процесс — десорбцию, иоиообмеи, катализ в жидкой фазе на твердых катализаторах и т. п. [c.90] Кинетические зависимости такого рода превращений с учетом химических реакций и диффузии газообразного реагента в зону реакции рассмотрим на примере обжига твердого непористого материала. [c.90] Процесс начинается обычно в активных точках (центрах) наружной поверхности кристалла, в которых зарождается новая твердая фаза, как правило, пористая. На этом первом этапе осуществляется диффузия газообразного исходного вещества А через газовую ламинарную пленку, окружающую зерно, к поверхности раздела фаз, химическая реакция и диффузия продуктов О в газовый поток. [c.90] По мере образования новой твердой фазы, химически инертной к воздействию реагента А, появляется внутридиффузионное торможение, связанное с диффузией реагента А (или продукта О) к поверхности непрореагировавшего вещества В (или от нее). При этом граница раздела фаз, на которой протекает химическая реакция, перемещается во времени к центру частицы. [c.90] Аналогичный механизм можно наблюдать (или представить) и при растворении или выщелачивании. Например, при разложении непористых материалов кислотами можно также выделить отмеченные в предыдущем примере этапы. В частности, при выщелачивании растворимой части минералов скорость замедляется в результате появления внутридиффузионных торможений при диффузии растворителя через поры нерастворимой части породы к поверхности минерала. И в этом случае граница раздела фаз или радиус сферы, на которой протекает реакция, перемещается к центру частицы. [c.90] Такова простейшая мысленная модель последовательности протекания основных этапов рассматриваемого процесса. Ее называют моделью частицы с невзаимодействующим ядром. Рис. 5.12 поясняет сущность такой модели. Характер изменения концентрации газообразных веществ в зависимости от лимитирующей стадии и области протекания процесса показан на рис. 5.13. [c.90] Для процесса горения твердого непористого топлива, когда твердый продукт может не образовываться, также используют модели частицы с невзаимодействующим ядром. Однако отсутствие внутридиффузионных торможений существенно упрощает математическое описание. [c.91] Характер изменения концентрации газообразных реагентов при протекании процесса по модели частицы с невзаимодействующим ядром. [c.91] Степень превращения вещества А а —низкая б—средняя в —высокая. [c.92] Рассмотрим другой случай взаимодействия в системе Г — Т, когда твердое вещество является пористым. Такими процессами могут быть горение кокса, восстановление металлов из пористых гранул окислов (в металлургии, при получении катализатора синтеза аммиака и др.), каталитические процессы на твердых пористых катализаторах, процессы отравления таких катализаторов и т. д. [c.92] Использование модели частицы с невзаимодействующим ядром для анализа таких процессов недопустимо, так как она не отражает в данном случае особенностей их протекания. Действительно, при наличии крупных пор, достаточно высокой скорости диффузии реагентов внутри твердых частиц и малой скорости химической реакции последняя будет протекать практически на всей внутренней поверхности. В этом случае используют так называемую ква-зигомогенную модель, согласно которой газ проникает внутрь частицы и взаимодействует с ее веществом во всем объеме до тех пор, пока частица находится в зоне реакции или пока она не превратится в продукты реакции. Типичным примером может служить отравление зерен катализатора. Квазигомогенная модель наиболее хорощо отражает явления при малой скорости химической реакции на поверхности крупнопористых тел. Рис. 5.14 поясняет сущность квазигомогенной модели для некаталитического процесса А(г.)-1-В (тв.) = В(тв.). [c.92] При проведении каталитических процессов в зависимости от внутридиффузионных торможений изменяется форма профиля концентраций по диаметру частицы катализатора (рис. 5.15). [c.92] Расчет сводится к составлению системы уравнений, описывающих диффузионные потоки вещества к внешней поверхности, внутри зерна катализатора и скорость химической реакции по длине пор. Решение системы уравнений позволяет получить характеристики профиля концентраций по диаметру зерна и определить степень использования внутренней поверхности, знание которой необходимо для расчета скорости процесса при известном кинетическом уравнении. [c.92] Как уже отмечалось, от правильного выбора мысленной модели процесса, которая отражала бы основные этапы его протекания, зависит возможность использования полученной математической модели для расчета различных показателей и управления химикотехнологическим процессом. В значительной степени успех зависит от квалификации технолога. [c.93] Вернуться к основной статье