Химические транспортные реакции - Шефер Г.
Скачать (прямая ссылка):
В трубке, содержащей никель и иод, транспорт никеля происходит в зону с более высокой температурой [10]. Протекающие в системе равновесные процессы характеризуются двумя уравнениями:
№(ТВ) + ^(г) = №Лг(г) » №(та) + 2Л(Г) = Ш2(Г) •
Если объединить величины, характеризующие условия проведения опыта и являющиеся постоянными, в один член [см. уравнение (3)] и обозначить его 7% то количество перенесенного никеля можно рассчитать по уравнению
лм = Ягш2 ¦ А Рии, • ^ = Ага • ДЛг2 • Р = 1/2Аг ¦ Д Рз • -Р.
При этом не учитывается перемещение всей массы газа, вызванное изменением мольных количеств газообразных веществ. Однако это допущение правомерно, если при расчете количества перенесенного вещества использовать значение АРких,, поскольку Рки2 С Лга < <Рт (см. раздел 2.3.2.1).
Дополнительные сведения об участии в транспорте вещества нескольких равновесных систем можно найти
42 Экспериментальные и теоретические основы
в работах Шефера с сотрудниками [12, 13], а также в разделе 4.2.
2.3.3. Движение газа посредством конвекции
Движение газа за счет конвекции может привести к транспорту значительных количеств твердого вещества, если только давление газообразной фазы не слишком мало. Рассмотрим сперва с теоретической точки зрения схему установки, показанную на рис. 10.
Рис. 10. Схема движения газа за счет конвекции.
Трубка радиусом г находится при температуре Т\, за исключением короткого отрезка длиною 1Ж, который нагрет до более высокой температуры Т2. Различие в плотностях газа, находящегося в различных по температуре зонах, вызывает движение газа. Длина общего пути газа равна /. По уравнению Хагена — Пуазейля рассчитываем объем V газа, протекающего за единицу времени через трубку:
/•4яДР
V =- см3-сек-1, (м)
8 т«з /
где г —радиус трубки, см; АР —разность давлений газа в «горячей» и «холодной» зонах трубки, г • см~1 • сек~2\ г) — вязкость газа, г • см~1 • сект1; I — длина пути газа, см.
Расчет выхода транспортной реакции
43
Значение АР получают из величины разности усилий, действующих на единицу поверхности на конце «горячей» и «холодной» зон. Если массы газа, находящегося в зонах с температурами Т\ и Г2, равны соответственно Ш\ и т2, а его молекулярный вес М и среднее значение общего давления Р, то (т,— т2)
ДР = —--- -981 г-см-^сек-2
г2 я
1„гЧРМ /1 1 т, — т9 =-• I---I г • см-сект1.
R \ тх т2 Комбинируя вышеприведенные уравнения, получаем
г* я/WPM 981 /1 1 \
V =----(---см3-сек~1 (н)
i
AJrHPM /1 1 \
V =--- ¦---см3-сек~1 (о)
fil \ТХ 72 /
при условии, что вязкость газа г) измеряется в г • см~1 • сек—1, радиус трубки г — в см и давление Р — в ат [42]; величины V и г| относятся к температуре Т\.
Обозначив мольное количество газообразного вещества В, поступающего в «горячую» зону, /гв(исх), а продолжительность транспортного процесса 1(сек) и используя известное уравнение п = PV/RT, получим
A,7r4wMBt I 1 1
г>2
ЯВ(исх) — ^В(исх)
(п)
Таким образом, мольное количество вещества А, перенесенного методом потока [уравнение (в)], может быть рассчитано по следующему уравнению:
i „ ~ [A,7rilwMBt /1 1 Y
Можно яяметить, что выхо/т тпанспоптной ne?
• (Р)
Можно заметить, что выход транспортной реакции при движении газа посредством диффузии [уравнение
(к)] пропорционален -р\ при перемещении же газа путем конвекции выход транспортной реакции [уравнение
44 Экспериментальные и теоретические основы
(р)] пропорционален Р. В связи с этим транспорт вещества, осуществляемый в ампулах при малых давлениях, происходит в значительной степени вследствие диффузии газа, в то время как при больших давлениях он происходит за счет конвекции (см. также раздел 2.2 и рис. 7, 8).
На практике часто работают на установках, более простых, чем та, которая была положена нами в основу рассуждений о конвекции (рис. 10). Например, используют обыкновенные ампулы, изображенные на рис. 5. В этих случаях рекомендуется определить постоянную прибора [член, стоящий в уравнении (р) в квадратных скобках] путем проведения какой-либо химической транспортной реакции.
Если работать при таких давлениях газовой фазы, когда транспорт вещества обусловлен и диффузией и конвекцией, то и в этом случае также необходимо опытным путем установить зависимость процесса перемещения газа от давления. Полученные данные могут быть использованы и для других транспортных реакций, если они проводятся при сравнимых условиях.
2.4. Выход и термодинамические параметры транспортной реакции
Количество перенесенного вещества можно рассчитать, если известны закон движения газа и разность парциальных давлений АР над первичной и вторичной фазами транспортируемого вещества. При сопоставлении различных гетерогенных реакций становится очевидным, что разность парциальных давлений может очень сильно варьировать, в то время как характер движения газа претерпевает менее заметные изменения. На этом основании величине АР приписывают решающее значение при оценке транспортных свойств данной реакции: как правило, транспорт вещества происходит в том случае, если разность парциальных давлений достаточно велика.
