Химические транспортные реакции - Шефер Г.
Скачать (прямая ссылка):
Расчет выхода транспортной реакции
31
лениях, напротив, сильно увеличивается тепловая конвекция.
В общем следует ожидать, что диффузионная область (рис. 7, //) при увеличении температуры расширится в сторону меньших давлений. Увеличить диффу-
2
о
О 1 2.3 4 56
Общее давление [ат]—»•
Рис. 8. Наблюдаемый транспорт СгС1з
(500400°) в присутствии хлора. «Относительный транспорт» ф (см. текст и рис. 7) в зависимости от общего давления.
зионную область можно также, используя большие количества первичной фазы вещества А или же изменяя размеры ампулы, в особенности за счет создания более узкого диффузионного участка.
2.3. Расчет выхода транспортной реакции по движению газа между зонами равновесия
В предыдущем разделе было показано, что в процессах транспорта особенно большое практическое значение имеет тот случай, когда основным фактором, определяющим скорость переноса вещества, является процесс перемещения газа между зонами равновесия.
32 Экспериментальные и теоретические основы
Рассмотрим, как рассчитывается в этом случае выход транспортной реакции, когда перемещение газа осуществляется в потоке, диффузией или конвекцией.
Гетерогенные равновесные системы могут различаться по количеству переносимого вещества на много порядков. Точность, с которой можно рассчитать количество перенесенного вещества, зависит от конкретных условий. На практике обычно достаточно бывает правильно оценить порядок величины, характеризующей выход транспортной реакции. Ошибки в 2 или 3 раза зачастую несущественны; их легко устранить путем незначительных изменений в условиях проведения эксперимента. Поэтому для расчета выхода транспортной реакции большей частью достаточны приближенные формулы. Повышения точности можно добиться в случае необходимости экспериментальным путем и расчетом.
2.3.1. Методы потока
Транспорт вещества в потоке поддается наиболее простому и точному расчету на основе измерения параметров равновесного состояния. Этот раздел непосредственно относится к случаю, представленнному на рис. 1, когда транспорт вещества происходит при перепаде температуры Т2-+Тх в соответствии с реакцией
*А(ТВ> Ж) + Ш(Г) = /С(Г),
для проведения которой используется чистое газообразное вещество-переносчик В. В данном случае прямая реакция протекает при температуре Т2, обратная — при Т\. При этих условиях для мольных количеств веществ я до и после реакции при температурах 7\ и Т2 имеют силу следующие соотношения:
к к
ЯВ(исх) = ПВ{\) Н--J Пс(\) = ЯВ(2) + у ЯС(2) •
Количество твердой или жидкой фазы А, вступающее в реакцию с В при температуре Т2, в пересчете на моль вводимого в систему вещества В составляет
1 ПС(2)
]' лВ(исх)
Расчет выхода транспортной реакции
33
Количество вещества А, выводимого из системы током газа при температуре Тх, равно
* пс(1)
/ пВ(исх)
Количество вторичной фазы Па» выделяющееся при температуре Т\, получается из разности
па 1 _ пс(2) пс( i)
пВ(исх) 1 лВ(исх) / пВ(исх)
/ Л Пг
=-.---— . (а)
' пВ(исх)
Переход от мольных количеств к величинам давления при постоянном общем давлении приводит к выражению (б), в котором Рс обозначает равновесное дав-
ление:
лВ(исх) ^В(исх)
(1-к)
^В(исх) 1
(б)
Количество перенесенного вещества А можно точно рассчитать, объединив уравнения (а) и (б).
Если реакция протекает без изменения мольных количеств газообразных веществ (] = к), то выражение, стоящее в уравнении (б) в скобках, равно единице. Часто РсС^в", в этом случае, даже при изменении мольных количеств газов, выражение, стоящее в скобках, можно принять равным единице. Произведя указанное упрощение, получим из уравнений (а) и (б) выражение, характеризующее количество перенесенного вещества А:
Я ' ¦ АРС '"вех, (в)
Выбрав температуры Т\ и Т2, зная общее давление системы 2Р = Рв(исх), а также величины констант равновесия /(р, и Кра, можно рассчитать равновесные парциальные давления Рс(1) и Рс(2> и, следовательно, узнать численные значения величин, входящих в уравнения (а), (б) и (в).
3 Г. Шефер
34 Экспериментальные и Теоретические ОсНовы
Аналогичным путем проводят расчет и в том случае, если в реакционное пространство вводится не чистый газ В, а смесь В и С или если образуются более сложные равновесные системы.
В методе потока, в его чистом виде, все газовые составляющие движутся с одинаковой скоростью. Поэтому протекающие здесь процессы проще, чем для рассматриваемых ниже диффузионных методов (см. в особенности раздел 2.3.2.2).
2.3.2. Методы диффузии
На практике часто можно вполне удовлетворительно работать с замкнутыми реакционными сосудами, в которых транспорт вещества зависит в основном от диффузии. Этот случай показан на рис. 9.
5
А (тв) Равновесная зона 2
Диффузионный участок
У "К
хА(тв)
Равновесная зона i
•у
Рис. 9. Схема установки для осуществления транспорта вещества при движении газа посредством диффузии.
Мы ограничимся рассмотрением простого и нередко встречающегося на практике случая, когда диффузия газообразного вещества происходит вдоль оси ампулы. Однако столь же несложно учесть и диффузию газа в направлении между осью цилиндра и его стенками. Аналогичным образом можно проанализировать работу установки с раскаленной проволокой. Данные для расчета диффузии газов в таких аппаратах приведены в работе Шапиро [23].
