Введення
Гетерогенні процеси протікають на межі розділу двох фаз. Найчастіше це газові або рідинні реакції, які у присутності твердого каталізатора. Крім того, в окремий клас виділяють некаталітичного реакції, якщо серед учасників реакції есть хоча одне початково тверда речовина або твердий продукт. Такі реакції називають Топохимічеськие. p align="justify"> Математичний опис гетерогенних процесів набагато складніше, ніж гомогенних. Ці труднощі пов'язані з багатьма чинниками - багатостадійну (в т.ч. зі стадіями масопереносу), неоднорідністю твердих речовин, непостійністю складу твердої фази. Кінетичне опис ускладнюється тим, що відсутній єдиний кінетичний закон, аналогічний закону діючих мас (об'ємних концентрацій реагентів) у гомогенної кінетиці. На відміну від гомогенних реакцій, гетерогенні протікають на поверхні розділу фаз, тому кількість реагентів слід відносити не до реакційного обсягом (моль/м Ві ), а до реакційної поверхні (моль/м ВІ ). При цьому визначення величини реакційної поверхні значно складніше завдання, ніж встановлення величини реакційного об'єму.
Стадії гетерогенного процесу прийнято ділити на макростадіі (масоперенос) і мікростадіі (адсорбція і власне хімічна реакція). Макростадіі описуються фізичними законами переносу речовини (наприклад, закон Фіка), мікростадіі підкоряються законам адсорбції і рівнянням хімічної кінетики, адаптованим до умов гетерогенних реакцій. Зокрема, швидкість хімічної реакції зазвичай висловлюють через зміну або об'ємних концентрацій речовин на суцільний (газової або рідкої) фазі, або поверхневих концентрацій (число молей реагентів, віднесених до поверхні реакції):
,
де А і В - вихідна речовина і продукт реакції відповідно; N A та N B ? число молей цих речовин; n А , n В ? стехіометричні коефіцієнти, S? площа реакційної поверхні. Розмірність швидкості складе, приміром [моль/(с В· м ВІ )].
Часто виявляється корисним введення поняття швидкості хімічного процесу. Вона являє собою у разі гетерогенних реакцій твір швидкості реакції на повну реакційну поверхню (r x.п = r xp S), а в разі гомогенних? твір швидкості на повний реакційний об'єм (r x.п = r xp V). Розмірність швидкості хімічного процесу буде збігатися з розмірністю мольного потоку речовини, наприклад, моль/хв, кмоль/с і т.п.
гетерогенності-каталітичні та Топохимічеськие реакції, як правило, проводять у проточних апаратах. У них потік газу (або рідини) омиває тверду поверхню каталізатора або реагенту. Стикаючись з твердою частинкою, потік формує перехідну від ядра потоку до поверхні зону - прикордонне газовий шар (ПГС) або дифузійний подслой. За межами ПГС розташоване ядро ​​потоку, в якому спостерігаються постійні по перетину апарату концентрації реагентів і постійна лінійна швидкість потоку. Усередині зони ПГС відбувається гальмування лінійної швидкості потоку до нульового значення швидкості біля поверхні твердого тіла (рис. 1). Хімічна реакція на зовнішній поверхні призводить до зниження концентрації газоподібного реагенту на ній у порівнянні з концентрацією в потоці. Тоді в ПГС формується градієнт концентрацій речовин. Цей градієнт викликає дифузійний потік вихідної речовини, спрямований з ядра потоку до поверхні розділу фаз. Навпаки, підвищена концентрація продукту на поверхні розділу в порівнянні з концентрацією в ядрі газового потоку викликає дифузійний потік продукту, спрямований від поверхні частки в ядро ​​газу. br/>
Рис. 1. Тверда частинка в газовому потоці ( а ) і залежність лінійної швидкості потоку в ПГС від товщини ПГС ( б ). w 0 ? лінійна швидкість потоку в ядрі; w? лінійна швидкість потоку в ПГС; d ? товщина ПГС
Якщо перенесення речовини здійснюється за законом Фіка, то
В
де FA-мольний потік речовини А, мо...
