Выше отмечалось, что при увеличении скорости потока скорость гетерогенного процесса начинает определяться условиями внутренней массопередачи. Такие процессы характеризуются
493
следующими особенностями: а) скорость не зависит от скорости движения газа (или жидкости относительно твердого тела, т.е. ω ≠ f(α); б) скорость существенно зависит от пористости твердого тела; в) диффузионное сопротивление растет со временем.
Процесс затормаживается по мере его течения. Это торможение является следствием увеличения пути внутренней диффузии со временем и проявляется в том что при малых временах скорость диффузии убывает обратно пропорционально квадратному корню из времени, а количество поглощенного вещества пропорционально корню из времени. Наличие такой закономерности - весьма характерный признак внутренней массопередачи. Следует отметить, что диффузия в полубесконечное тело подчиняется закону квадратного корня для любого времени диффузии.
Примем, что размер твердого тела намного больше, чем расстояние, на котором проникает диффундирующее вещество. Тогда можно рассматривать задачу как диффузию в полубесконечпое тело. Кроме того, ввиду достаточной скорости внешней массопередачи можно принять, что на поверхности тела сразу после начала процесса устанавливается концентрация с0, сохраняющаяся постоянной в течение всего процесса. При этих условиях для определения количества вещества, продиффундировавшего в направлении х, воспользуемся законом Фика:
D
=
.
Величина концентрации в объеме тела будет функцией расстояния, времени и коэффициента диффузии, т.е. с = f(x, τ, D). Отсюда количество поглощенного вещества а определяется из уравнении:
a =
f(
x, τ,
D)d
x.
Зависимость этого интеграла от времени может быть найдена при помощи теории размерностей. Выберем в качестве безразмерного комплекса отношение концентрации в объеме к концентрации на границе с/с0. Величина этого комплекса в свою очередь должна быть функцией безразмерного комплекса, который должен быть образован из х, τ и D. Согласно π-теореме, может быть один такой независимый комплекс x√Dτ и, следовательно:
c/cc = φ(x/√Dτ).
494
Подставляя в интеграл с из этого выражения, найдем
Введем обозначение x/√Dτ = y. Отсюда dx = √Dτdy и
a =
c0f(y)√Dτdy = c0√Dτ
f(y)dy.
(XVIII.47)
Очевидно, для данных τ и x величина
f(
y)d
y есть некоторое определенное число, и поэтому уравнение (XVIII.47) может быть переписано в виде:
a = kc0√Dτ.
(XVIII.48)
В случае диффузии в тело ограниченного размера возникает новая величина, имеющая размерность длины (размер тела), и, кроме того, интегрирование при определении а должно производиться в конечных пределах. Поэтому в случае конечного тела пропорциональность между а и √τ для больших времен нарушается. Физический смысл уравнения (XVIII.48) ясен из следующего приближенного рассмотрения.
Согласно уравнению диффузии, скорость поглощения вещества составит:
=
DS
.
Очевидно, что количество поглощенного вещества пропорционально толщине слоя, т.е. a = k1x. Подставляя это в написанное выше уравнение диффузии и объединяя постоянные величины D, S, c0 и k1 в новую постоянную k2, получим:
da/dτ = k2/a или ada = k2dτ.
После интегрирования этого уравнения получаем:
ad
a =
k2dτ и
a2 = 2
k2τ или
a ≈
√τ.
Из этого вывода непосредственно следует, что замедление скорости внутренней диффузии со временем вызвано увеличением пути диффузии.
495
В начале этой главы отмечалось, что скорость процесса, восстановления твердых оксидов железа газами может определяться как внешней, так и внутренней массопередачей. Опыты показали, что при малых скоростях потока газов процесс определяется внешней массопередачей. В этом случае, согласно уравнению (XVIII. 17), при условии постоянства D, α, d и с количество прореагировавшего (или поглощенного) вещества пропорционально времени. При этом скорость реакции оказывается пропорциональной √τ. При увеличении скорости потока течение процесса начинает определяться внутренней массопередачей. Как отмечалось, при этом колйчество поглощенного вещества пропорционально 1/τ и скорость поглощения не зависит от скорости потока.
Для определения зависимости скорости поглощения от диаметра зерна d следует учесть, что поверхность единицы объема (s0) зернистого материала (шариков) обратно пропорциональна диаметру, а средний путь диффузии Δ пропорционален диаметру. Поэтому β ≈ s0/Δ ≈ d-1/d ≈ 1/d2.
Рассмотрим кинетику гетерогенного процесса, в котором диффузионный перенос вещества через поверхность раздела фаз сопровождается химической реакцией. При этом будем пользоваться методом, предложенным Д.А. Франк-Каменецким. Пусть диффузия происходит из фазы I в фазу II, в которой протекает химическая реакция и концентрация вещества в объеме фазы I и на границе фаз c = c0.
Учет баланса вещества при диффузии (см. гл. XIV) приводит к уравнению Фика.
Реакция создает дополнительный источник или сток вещества. Для простоты примем, что реакция в фазе II имеет первый порядок. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:
D
=
+
kc.
Вследствие диффузии первый член в правой части уравнения должен увеличиваться со временем. Однако протекание химической реакции будет приводить к расходованию вещества и замедлению роста концентрации. Через некоторое время наступает стационарное состояние, в котором ∂c/∂τ = 0.
Решение рассматриваемого дифференциального уравнения
496
при этом имеет вид:
c = Ae-√k/Dx + Be√k/Dx.
При x = ∞, очевидно, с = 0. Отсюда следует, что В = 0. Таким образом, c = Ae-√k/Dx, и, так как при х = 0 с = с0, то
c = c0-√k/Dx
(XVIII.49)
Это уравнение показывает, на какую глубину проникает диффузия во вторую фазу при химической реакции. В качестве меры глубины зоны реакции используется расстояние L, на котором концентрация падает в е раз по сравнению с с0, а именно L = √D/k.
Отсюда видно, что глубина проникновения вещества зависит от соотношения между коэффициентом диффузии и константой скорости реакции. Уравнение (XVIII.49) позволяет найти выражение для скорости процесса в целом, которая определяется величиной потока П через единицу поверхности,- т.е. в точках, где х = 0;
П = -D(∂c/∂x)0.
Дифференцирование уравнения (XVIII.49) дает
= -
√
c0e
-√k/Dx
Подставляя величину этой производной в выражение для потока и учитывая, что x = 0, находим
П = -c0√Dk.
(XVIII.50)
Из этого уравнения может быть найдена энергия активации сложного процесса. Так как D = D0e-Eдиф/RT и k = k∞e-E/RT, то энергия активации процесса должна быть равна полусумме энергий активации диффузии и химической реакции.
Пусть в стационарном состоянии на границе фаз устанавливается концентрация с’. Тогда в силу стационарности процесса поток вещества к поверхности раздела фаз должен быть равен потоку в глубину второй фазы, т.е. П = β'(с0 - с') = с'√Dk.
Отсюда
Это уравнение позволяет различать четыре случая:
497
1. β′ ≪ √Dk поток определяется выражением П = β′c0, что соответствует области внешней диффузии. Такое протекание процесса должно наблюдаться при относительно малых скоростях потока и при высоких температурах, при которых произведение Dk достаточно велико.
2. β′ > √Dk, в этом случае можно пренебречь величиной √Dk в знаменателе. Тогда П = с0√Dk, т.е. скорость определяется внутренней диффузией и протеканием химической реакции.
3. Если в предыдущем случае глубина зоны реакции L значительно больше диаметра зерна, что осуществляется, если D ≫ k, то в зерне практически отсутствует градиент концентрации и, следовательно, реакция будет протекать во внутренней кинетической области.
4. Если D ≪ k, то зона реакции L очень мала и стационарный процесс протекает только на поверхности зерен.
В большинстве случаев энергия активации химических реакций существенно больше, чем процессов диффузии. Поэтому при низких температурах развитие процесса обычно лимитируется скоростью химического превращения. Отличительными особенностями гетерогенных процессов, протекающих в кинетической области, являются следующие:
- а) скорость реакции не зависит от величины зерен твердых реагентов, поскольку процесс развивается во всем объеме тела;
- б) скорость реакции не зависит от скорости газового потока;
- в) скорость реакции сравнительно быстро увеличивается с ростом температуры.
498