2. Способы интенсификации гетерогенных процессов в системе газ - твёрдое вещество

Исходя из модели частицы с непрореагировавшим ядром, рассмотрим три случая взаимодействия, когда процесс лимитируется внешней диффузией, внутренней диффузией, либо скоростью химической реакции.

Задача состоит в том, чтобы установить влияние различных факторов на интенсивность процесса. В данном случае интенсивность процесса характеризуют временем τ, в течение которого сферическая частица твердого реагента В первоначального радиуса Ro прореагирует настолько, что ее радиус станет равным R, или же прореагирует полностью, когда R = 0.

Процессы, протекающие во внешнедиффузионной области. При протекании процесса во внешнедиффузионной области лимитирующей стадией является массопередача реагентов из потока газа к наружной поверхности раздела фаз. Массопередача (перенос вещества) осуществляется в результате конвекции (движения масс газа) и молекулярной диффузии (теплового движения молекул).

Признаки протекания процесса во внешнедиффузионной области:

1. сильное влияние скорости потока или интенсивности перемешивания на скорость процесса;

2. слабое влияние температуры на скорость процесса.

На рис. 3.6. а изображен профиль изменения концентрации газообразного реагента А, отвечающий протеканию процесса во внешнедиффузионной области. Так как в этом случае стадии, следующие за диффузией реагента А через пограничную газовую пленку не оказывают сопротивления дальнейшему проникновению А через слой твердых продуктов реакции и взаимодействию с ядром реагента В, то можно принять, что концентрация реагента А на поверхности твердой частицы равна нулю и концентрационная движущая сила, равная С_А, неизменна в течение всего периода взаимодействия материала частицы с газом.

а б в

Рис. 3.6. Изменение концентрации газообразного реагента А в ходе реакции лимитируемой: а – внешней диффузией; б – внутренней диффузией; в – химической реакцией. 1 – пограничная газовая плёнка, окружающая частицу, с концентрацией реагента А ниже, чем в газовом потоке; 2 – слой твёрдых продуктов реакции (зола); 3 – уменьшающееся ядро непрореагировавшего реагента В; С_А – концентрация вещества А в окружающем газе; R – радиальная координата.

Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия внешних сил и т.д. Закономерности диффузионных процессов описываются двумя законами Фика.

Согласно первому закону Фика скорость процесса, равную в этом случае скорости конвективной диффузии, можно выразить уравнением:

где υ_дифф – скорость конвективной диффузии, т.е. количество газообразного реагента А, перенесённое вследствие конвективной диффузии через единицу поверхности в единицу времени; ΔС_А – движущая сила процесса (изменение концентрации реагента А на расстоянии δ – толщины слоя, через который проходит диффузионный поток); β – коэффициент массоотдачи, зависящий от гидродинамики потока

где D – коэффициент молекулярной диффузии.

Повысить скорость внешней диффузии можно, увеличивая движущую силу ΔС_А, либо коэффициент массоотдачи. Для увеличения коэффициента массоотдачи нужно повышать линейную скорость газового потока, обтекающего твёрдую частицу, увеличивать перемешивание реагентов, менять вязкость, плотность и другие физические свойства среды, от которых зависит скорость диффузии.

Процессы, протекающие во внутридиффузионной области. В этом случае лимитирующей стадией является диффузия реагентов или продуктов реакции в порах твёрдой частицы.

Признаки протекания процесса во внутридиффузионной области:

1. сильная зависимость скорости процесса от диаметра частиц твёрдого материала;

2. незначительное влияние температуры на скорость процесса.

В этом случае концентрация газообразного реагента А меняется от С_А до нуля на пространстве от внешней оболочки частицы до ядра (рис. 3.6. б).

Скорость внутренней диффузии в соответствии с законом Фика выражается уравнением

(3.6)

где D_эфф – эффективный коэффициент диффузии, учитывающий пористость твёрдого вещества, извилистость пор и т.д.; ΔR=R_o-R; R_o – начальный внешний радиус твёрдой частицы; R – радиус ядра, уменьшающийся по мере протекания процесса.

Интенсивность процесса, протекающего во внутридиффузионной области, сильно зависит от степени измельчения твёрдого вещества, т.к. радиус частицы входит в уравнение скорости (3.6). Повысить скорость внутридиффузионной стадии можно, уменьшая размер твёрдой частицы (измельчением), а также увеличивая средний диаметр пор и повышая давление (с ростом давления увеличивается движущая сила процесса диффузии ΔС_А).

Процессы, протекающие в кинетической области. Лимитирующей стадией является стадия химической реакции, и скорость процесса в целом зависит от её скорости, так как скорости внешней и внутренней диффузии велики.

Признаки протекания процесса в кинетической области:

1. сильная зависимость скорости процесса от температуры;

2. независимость скорости процесса от линейной скорости газа и интенсивности перемешивания, а также от размера пор.

Если химическая реакция необратима (например, реакция горения твёрдых тел), концентрация газообразного реагента на поверхности ядра уменьшится от исходной концентрации С_А до нуля, т.е. до его полного израсходования (рис. 3.6. в).

Скорость поверхностной реакции может быть описана законами химической кинетики:

Скорость химической стадии может быть увеличена либо вследствие возрастания концентрации газообразного реагента (как и в случае предыдущих стадий), либо же, главным образом вследствие роста константы скорости реакции k, что достигается повышением температуры.