Диффузионная область гетерогенных процессов

В результате протекания гетерогенной химической реакции в разных точках реакционного пространства устанавливаются различные концентрации реагирующих веществ и продуктов реак­ции. Например, при взаимодействии газообразного реагента А с твердым реагентом В концентрация вещества А у поверхности реагента В будет в общем случае меньше, чем в ядре газового потока, обтекающего твердую частицу.

Градиент (разница) концентраций реагента А является причи­ной возникновения диффузии - самопроизвольного процесса переноса вещества в результате беспорядочного движения моле­кул до установления равновесного распределения концентраций. Хаотичное тепловое движение частиц вещества вызывает упорядоченный направленный перенос его в области, в которой воз­никают градиенты концентрации или в которой распределение концентраций отличается от равновесного.

При рассмотрении гетерогенных процессов важно знать, какова скорость диффузии на стадиях, предшествующих химической реакции, не будут ли диффузионные процессы тормозить хими­ческое взаимодействие.

Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия внешних сил и т.д. Закономерности диффузионных процессов описываются законами Фика.

Согласно первому закону Фика количество вещества А, перенесенного путем диффузии в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению переноса, пропорционально градиенту концентрации этого вещества в данный момент времени.

В общем случае концентрация меняется как в пространстве, так и во времени. Изменение концентрации вещества А во времени в результате молекулярной диффузии описывается вторым за­коном Фика

При протекании гетерогенного процесса у поверхности разде­ла фаз расходуются исходные реагенты и образуются продукты реакции. Для стационарного протекания процесса необходимо не­прерывное пополнение убыли реагентов у реакционной поверх­ности и удаление от нее образующихся продуктов. Перенос осу­ществляется путем диффузии при наличии перепада концентра­ций. Чем быстрее идет реакция, тем выше должна быть скорость диффузии, иначе химическая реакция будет тормозиться диффу­зионными процессами.

Можно считать, что перепад концентраций возникает в так называемом диффузионном подслое, находящемся у поверхности раздела фаз. Внутри этого подслоя перенос вещества осуществля­ется исключительно молекулярной диффузией. Чем меньше тол­щина подслоя (м), тем больше коэффициент массоотдачи (м/с)

Коэффициент молекулярной диффузии Dявляется функцией молекулярных свойств того вещества, которое диффундирует, и того вещества, в котором происходит диффузия первого. Этот ко­эффициент слабо возрастает с ростом температуры и уменьшает­ся с ростом давления. Чаще всего коэффициент Dопределяют опыт­ным путем, а также расчетом по эмпирическим или полуэмпири­ческим зависимостям.