Химические транспортные реакции - Шефер Г.
Скачать (прямая ссылка):
Для определения количества перенесенного твердого или жидкого вещества воспользуемся уравнением реакции в общем виде:
*А(ТВ, ж) + &В(Г) = /С(Г) .
Расчет выхода транспортной реакции
35
Вещество А транспортируется из зоны с температурой Т2 в зону с температурой Гь Если известно количество молей газообразных веществ, транспортируемых из одной зоны в другую, то, основываясь на стехиометрии уравнения реакции, можно определить количество молей перенесенного вещества А:
i i
«а=—-Пв = —- Пс. (г)
* /
2.3.2.1. Газовая фаза содержит только два компонента
Если гетерогенная реакция протекает с изменением мольных количеств газообразных веществ то в
соответствии с очевидным требованием равенства общего давления по длине трубки возникает перемещение всей массы газа. Этот газовый поток непосредственно связан с диффузией.
Введем следующие обозначения: Пъ. tic — количества молей веществ В и С, переходящих из зоны 2 в зону / благодаря перемещению всей массы газа и диффузии; Св , Cq — 'концентрации В и С, моль/см3;
D—-коэффициент диффузии, см2/сек, для газовой
смеси В + С при условиях опыта Г);
q — сечение диффузионного участка, см2; s — длина диффузионного участка, см; t — продолжительность опыта, сек. Используя эти обозначения, получим для количества молей транспортируемого газа [9]:
acB k(cB+cc) *B = ??- — ¦ }.CB + k.Cc . (Д)
n t dcc Ясв + CC ) ,ч
В уравнении, характеризующем процесс диффузии газа, направление диффузии часто указывают знаками плюс или минус. Для наших целей в этом нет необходимости. Дробь, стоящая в конце уравнения, характеризует перемещение всей массы газа в потоке (так на-3*
36 Экспериментальные и теоретические основы
зываемый «фактор потока»). Для реакций, протекающих без изменения мольных количеств газов (&=/), эта дробь равна 1. Если реакция протекает с изменением мольных количеств газообразршх веществ, эту дробь также можно без существенной ошибки принять равной 1, но в этом случае при св <сс расчет проводят по уравнению (д), а при сс<св— по уравнению (е).
Переходя от концентраций к давлениям при равенстве фактора потока 1, получим
Пс =- • А Рс моль, (ж)
где АРС =РС(2)— РС{1).
Используя уравнение (г), вычислим затем количество перенесенной фазы А:
«А = ~т ' • д моль, (з)
где Т — температура диффузионного участка, °К; Я — универсальная газовая постоянная, 82 см3 • ат ¦ град~1; Рс{2) и Рс(1)—парциальные давления, ат, в зонах 2 и 1.
Для расчета выхода транспортной реакции при данных условиях опыта требуется, таким образом, знать коэффициент диффузии й и равновесные парциальные давления Рс(1) и Рс(2).
Значения коэффициентов диффузии 1)0 при 2Ро = = 1 ат и Г0 = 273°К известны для большого числа пар газов [39] (см. табл. 1).
Используя коэффициенты диффузии, установленные опытным путем, можно с достаточной точностью оценить значения Д> и для неизученных еще газовых смесей. Кроме того, существует возможность рассчитать значения коэффициентов диффузии по известным из газовой кинетики величинам эффективного диаметра молекул.
Для расчета значений коэффициентов диффузии при условиях опыта (2Р, Т) можно использовать полуэмпирическое уравнение [40]
ГР0 / Т \1.8
°-Ъ-яг-(т) ¦ (и)
Расчет выхода транспортной реакции
37
Таблица 1
Коэффициенты диффузии В0 для 2Р0 = 1 ат и Т0 = 273°К
Смеси газов Д,, см2 • сек 1
н2 + о2 0,70
Н20 0,69
СО 0,65
сн4 0,63
Вг2 0,56
со2 0,54
СБа 0,37
СС14 0,30
Ы2 (а также воздух или 02) + н2о 0,22
NH3 0,20
0,11
СБ2 0,09
л2 0,07
СС14 0,06
со2 + н2о 0,13
со 0,13
Вг2 0,09
С52 0,06
(С2Н5)аО 0,05
Данное уравнение выражает также довольно точно зависимость коэффициентов диффузии от температуры; это подтверждается сопоставлением коэффициентов диффузии, полученных опытным и расчетным путем, для следующих газовых смесей в температурном интервале от 300 до ~ 1000°К: Не/К2, Не/Аг, С02/М2, Н.,/02, Н20/02, СО/02, С02/02 и СН4/02 [41].
Комбинирование уравнений (г), (ж) и (и) приводит в конечном итоге к уравнению, позволяющему определить количество молей перенесенного вещества А:
* АРС Бо-1:Ро-Т0,8-д^
па = —--• - . (к)
/ 1Р 7у.8 • 8 • Д 4 '
38 Экспериментальные и теоретические основы
Если реакция протекает без изменения мольных количеств газообразных веществ, то в отсутствие инертного газа величины равновесных парциальных давлений пропорциональны общему давлению, т. е. ДРс/2Р— величина постоянная. В этом случае при конкретных условиях проведения эксперимента выход транспортной реакции не зависит от общего давления, если только опыт проводится в интервале давлений, относящихся к диффузионной области.
Для расчета выхода транспортной реакции, осуществляемой посредством диффузии, была использована модель установки (рис. 9), в которой четко ограниченный диффузионный участок находится при постоянной температуре. Однако опыты показали, что и для обыкновенных реакционных трубок, изображенных на рис. 3, производительность транспортной реакции можно рассчитать аналогичным путем с достаточной точностью (см. раздел 2.2). При этом в качестве Т берется средняя температура диффузионного участка.
