Внешняя диффузионная область протекания процесса в системе газ/твердое тело

Для расчета скорости процесса в системе газ/твердое тело представим, что сферическая частица обдувается газовым потоком, движущимся со скоростью ω.

Радиус частицы-R_S.

Так как частица имеет шероховатую поверхность вокруг частицы существует практичеки неподвижный пограничный слой газа, оказывающий основное сопротивление процессу диффузии газообразного реагента к поверхности твёрдой частицы.

Толщина пограничного слоя-δ.

Концентрация газообразного компонента на внешней поверхности пограничного слоя такая же, как и концентрация компонента в ядре потока.

Концентрация компонента на поверхности твёрдой частицы-ZB_S.

Скорость процесса в области внешней диффузии-U_КД.

Это область конвективной диффузии.

По первому закону Фика получаем:

-коэффициент диффузии.

-разность концентраций газообразного компонента.

-толщина пограничной плёнки.

-коэффициент массоотдачи в области конвективной диффузии.

Исходя их этих соотношений можем сказать, что скорость гетерогенного процесса в области конвективной диффузии определяется природой газообразных компонентов, концентрацией газообразных компонентов и линейной скоростью подачи реагентов.

Линейная скорость подачи реагентов определяет толщину пограничной плёнки. Среди всех факторов наиболее значимым сильно влияющим на протекание процесса является линейная скорость подачи реагентов. Основной управляющий фактор в области конвективной диффузии- линейная скорость подачи реагентов.

Окончательно получаем:

Величина неопределима.

Поэтому принимают следующее допущение: как только молекула газа достигла поверхности, то она сразу же вступает во взаимодействие. Скорость химического превращения выше, чем скорость конвективной диффузии.

Это допущение позволяет рассчитать время полного превращения при протекании процесса в области конвективной диффузии.

Используем правило, что какое количество газа подошло к поверхности частицы, такое количество твердого вещества вступило в реакцию.

Скорость может быть выражена как изменение массы твёрдого вещества, отнесенная к площади поверхности контакта фаз и промежутку времени, в течение которого происходило это взаимодействие.

Это уравнение связывает время обработки материала τ, исходный радиус частицы R и радиус непрореагировавшей части (радиус непрореагировавшего ядра).

-время полного превращения.

На интенсивность протекания процесса во внешней диффузной области помимо ранее перечисленных факторов оказывает влияние и размер обрабатываемых частиц.

Если величина поверхностного слоя δ=0, то скорость конвективной диффузии несоизмеримо больше, чем скорость химической реакции и то количество исходных газообразных реагентов, которое подводится к поверхности раздела фаз, не успевает прореагировать. В результате степень превращения твёрдого вещества будет незначительна. Легко это можно проиллюстрировать на примере термообработки в кипящем слое (определяется диапазон скоростей потока, лежащий в пределах от скорости начала взвешивания частиц, до скорости начала пневмотранспорта).

Фактически получается, что твёрдое вещество не реагирует, так как его выносит потоком из рабочей камеры.