Кинетика гетерофазных химических. Процессов в системах газ-жидкость, жидкость-жидкость (несмешивающиеся). Диффузионная, кинетическая и переходная области гетерофазного процесса

Газожидкостные реакции – это гетерогенные процессы, включающие химические взаимодействия между реагентами, один из которых находится в газовой фазе, а другой в жидкой. В виду схожести механизмов к этим процессам относят и системы жидкость-жидкость несмешивающаяся. Газожидкостные реакции находят широкой применение в промышленности: хлорирование ароматических соединений, в экологии, адсорбция кислых газов водными растворами щелочей, поглощение угарного газа и др. Газожидкостным реакциям предшествует процесс абсорбции газа жидкостью. Этот процесс является равновесным. Количество абсорбированного газа зависит от температуры, давления, концентрации, с увеличением давления и уменьшением температуры количество абсорбируемого газа возрастает, т.к абсорбция протекает на границе раздела фаз, то существенное значение имеет величина поверхности раздела фаз.

Кинетические модели газожидкостных реакций получила модель Льюиса – Уитмана. Согласно этой модели между газом и жидкостью существует граница раздела фаз. Вблизи границы располагаются пограничные пленки, в которых сосредоточены диффузионные сопротивления. Диффузия вещества происходит через эти пограничные пленки и описывается уравнением молекулярной диффузии.

Конвективный перенос вещества в пленках отсутствует. В объемах жидкой и газовой фазах происходит интенсивное перемешивание. В связи с этим отсутствует градиент концентрации.

В зависимости от используемой системы реагентов различают:

1. Однопленочную модель имеет место в системах г-ж

2. Двухпленочную модель имеет место в системах ж-ж несмешивающаяся.

В соответствии с моделью Л-У зона реакции может находится на границе раздела фаз в пограничных пленках и в объемах фаз. При этом расположенные в зонах реакции зависит от концентрации или парциального давления исходных реагентов, поверхности раздела фаз, соотношение скоростей диффузии и скорости химической реакции. Если скорость диффузии меньше, чем скорость самой реакции, то газожидкостная реакция протекает в диффузионной области, а зона реакции, располагается либо на границе раздела фаз, или на пограничных пленках. Если наоборот, то в кинетической области. При этом зона реакции находится в объемах жидкой фазы.

Диффузионная область.

Рассмотрим наиболее общий случай, когда зона реакции расположена внутри пограничной диффузионной пленки.

Применяя двухпленочную модель для реакции типа Аж + Вж = продукты нарисуем профиль изменения концентраций реагентов в данной области. Наиболее общий случай когда реакция протекает в пограничной пленке одной из фаз.

Профиль изменения концентрации исходных реагентов Аж и Вж в диффузионной области в случае протекания реакции в пограничной области фазы 1.

Уравнение диффузионных потоков для стационарного режима складывается из уравнений диффузий вещества В через свою пограничную пленку, через чужую пограничную пленку.

В установившемся процессе скорости диффузионных потоков равны и соответствуют общей скорости массопередачи.

Решая это уравнение можно найти расположение зоны реакции в пограничной пленке.

- коэффициент растворимости.

Если в зависимости от соотношения величин в этом уравнении отношение может иметь различные значения:

1. Если , то ---à1; это значит, что зона реакции находится на внутренней границе поверхности пограничной пленки.

2. Если примерно равны, тогда ---à0, то реакция находится на границе раздела фаз.

3. Если намного меньше, тогда <0, то зона реакции переходит в другую фазу.

Общее уравнение скорости диффузии процесса, протекающего в диффузионной области можно записать:

Числитель характеризует движущую силу процесса, а знаменатель диффузионное сопротивление, сосредоточенное в пограничной пленке.