Bài giảng Đại học: Động học dị thể

Động học các quá trình dị thểMở đầu quá trình dị thể  Tính nhiều giai đoạn trong quá trình dị thể  Khái niệm miền động học, miền khuếch tán và miền quá độ Khuếch tán trong quá trình

Nguyễn Văn Khánh

Lớp: Hoá Dầu 1

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Động học các quá trình dị thể

Mở đầu quá trình dị thể

 Tính nhiều giai đoạn trong quá trình dị thể

 Khái niệm miền động học, miền khuếch tán và miền quá độ

Khuếch tán trong quá trình dị thể

 Các định luật khuếch tán

 Khuếch tán ngoài, khuếch tán trong

 Quan hệ trở lực khuếch tán và trở lực phản ứng

I Mở đầu về quá trình dị thể.

• Quá trình dị thể là những quá trình xảy ra trên bề

mặt phân chia pha Các phản ứng đốt cháy nhiên

liệu rắn, lỏng, quá trình oxy hoá bởi oxy trong

không khí, các phản ứng xảy ra trên bề mặt chất xúc tác, nhiều quá trình hoà tan khí, rắn vào dung

dịch đều là quá trình dị thể.…

• VD: SO2 + O2 SO→V2 O5 3

• Các quá trình dị thể không những xảy ra trên bề mặt phân chia pha mà còn xảy ra trong một vùng nhất

định của thể tích một pha Ví dụ như trong phản

ứng của 2 chất rắn sẽ có một vùng làm vùng trung gian để phản ứng Lúc này các phân tử sẽ khuếch

tán lẫn nhau các phân tử chất rắn còn lại đóng vai trò làm môi trường, phản ứng khi này gọi là phản

ứng vùng.

Mở đầu

ý nghÜa ph¶n øng dÞ thÓ

Ph¶n øng dÞ thÓ

Më ®Çu

Nhìn chung quá trình dị thể là quá trình gồm nhiều giai đoạn.

• Giai đoạn khuếch tán: Giai đoạn chuyển chất tham gia tới bề mặt phản ứng và chuyển chất tạo thành ra

xa bề mặt phản ứng

• Giai đoạn động học: Sau giai đoạn khuếch tán các chất phản ứng được hấp thụ trên bề mặt, phản ứng giữa các chất với nhau trên bề mặt phản ứng và khử các chất ra khỏi bề mặt phản ứng

Mở đầu

Và như vậy thì quá trình nào có vận tốc chậm nhất sẽ

quyết định tới vận tốc của toàn bộ quá trình Vì thế ngư

ời ta gọi giai đoạn chậm nhất là giai đoạn khống chế (hoặc giai đoạn quyết định động học) của quá trình phản ứng.

• Nếu quá trình có vận tốc của miền khuếch tán thấp

(chậm) thì gọi là quá trình xảy ra ở miền khuếch tán.

• Nếu quá trình động học có vận tốc thấp thì gọi quá

trình xảy ra ở miền động học.

• Nếu quá trình động học và quá trình khuếch tán có vận tốc tương đương nhau thì gọi phản ứng xảy ra ở miền quá độ.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ các miền phản ứng

Sù khuÕch t¸n

Më ®Çu

VËy khuÕch t¸n lµ g×?

?

KhuÕch t¸n

• Khuếch tán là quá trình chuyển chất từ nơi có nồng độ cao xuống nơi có nồng độ thấp, để

thiết lập sự đồng đều về nồng độ trong toàn bộ thể tích.

• Khuếch tán ổn định là dòng khuếch tán có

nồng độ của chất khuếch tán ở mọi điểm trong không gian khuếch tán không thay đổi theo thời gian.

• Khuếch tán không ổn định là dòng khuếch tán

có nồng độ của chất khuếch tán ở một điểm

nào đó trong không gian khuếch tán thay đổi theo thời gian.

Khuếch tán

Khuếch tán ổn định Khuếch tán

Định luật Fick I (áp dụng cho dòng

dt: là thời gian khuếch tán;

dm là lượng chất chuyển qua tiết diện S sau thời

D là hệ số khuếch tán;

Từ (2) ta có thể định nghĩa hệ số khuếch tán: là tốc độ khuếch tán chất tan qua một đơn vị tiết diện

trong điều kiện gradien nồng độ = -1;

• D đặc trưng cho tốc độ của quá trình khuếch tán, vậy nó phụ thuộc vào gì?

Định luật Fick I

D phụ thuộc vào môi trường và nhiệt độ:

• Trong môi trường khí: D 1 cm2/s

• Trong môi trường lỏng: D 10-5 cm2/s

• Trong môi trường rắn: D 10-8 cm2/s

• Hệ số khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo phư

Định luật Fick I

• Trong đó: E là năng lượng hoạt hoá của quá trình khuếch tán.

• D0 là hệ số phụ thuộc môi trường khuếch tán

và tính chất lý hoá của chất tham gia khuếch tán

• D là hàm đa biến f( môi trường khuếch tán, nhiệt độ, hình dáng, kích thước các hạt tham gia )

• Mặt khác năng lượng hoạt hoá lại nhỏ => từ công thức (4) ta thấy khi đó và lúc đó D ít

phụ thuộc nhiệt độ

-1

E RT

Định luật Fick I

• Biểu thức của Fick II là:

2 2

tham khảo trong Hoá lý và hoá keo của thầy Nguyễn

Hữu Phú (Trang 273)

Định luật Fick II (khuếch tán không ổn định)

Khái niệm về khuếch tán ngoài và

khuếch tán trong.

• Quá trình dị thể khi có dòng chất lỏng hoặc khí

chảy qua lớp xúc tác thì ở gần bề mặt luôn có một lớp biên trong đó chất lỏng (khí) hầu như không chuyển động, bề dày lớp biên này tuỳ thuộc chế

độ chảy và tuỳ thuộc bề mặt chất xúc tác, khi vận tốc nhỏ như không chuyển động thì các chất lỏng

(khí) bắt đầu khuếch tán qua lớp biên tới bề mặt

xúc tác, quá trình đó gọi là khuếch tán ngoài.

a.Khuếch tán ngoài

a.KhuÕch t¸n ngoµi

Giả sử nồng độ chất tan trong dòng là C0, nồng

độ chất tan trên bề mặt là Cs, khi đó:

b Khuếch tán trong

• Khi các chất xúc tác dị thể có cấu trúc xốp, cấu trúc xốp là cấu trúc tương đối phức tạp; nó gồm các loại mao quản có kích thước không bằng nhau; ta chia làm 3 loại mao quản:

- Mao quản lớn: d 1000 ≥ Å

- Mao quản trung: 1000Å d 15 ≥ ≥ Å

- Mao quản nhỏ: d 15 ≤ Å

• Mao quản:

a.KhuÕch t¸n trong

• Một chất xúc tác hoặc hấp phụ thì các mao quản tạo thành một hệ thống ống, mao quản lớn nối với mao quản trung, mao quản trung nối với mao quản bé Do

có hệ thống mao quản lớn như vậy nên các chất xúc tác và các chất hấp phụ có bề mặt trong rất lớn

trong đó phần bề mặt do mao quản bé chiếm phần chính

• Các chất phản ứng hoặc các chất hấp phụ phải tiến

hành khuếch tán vào bên trong hệ thống mao quản thì mới tới được bên trong bề mặt chất xúc tác.

a.Khuếch tán trong

=> Quá trình đó gọi là quá trình khuếch tán

So s¸nh?

a.KhuÕch t¸n trong

Khi kích thước mao quản trung hoặc bé thì

trong quá trình dịch chuyển các phân tử va

chạm với thành bình nhiều hơn với nhau, nên

các phân tử lúc này bị hấp phụ vào mao quản

và khi đó các mao quản bé bị lấp đầy dần, và

các mao quản trung thì hẹp dần, tốc độ khuếch tán cũng do đó mà chậm dần.

Gọi Re là hệ số khuếch tán trong thì ta có:

D

ε τ

;

Re = ; ε

τ: độ xốp của chất xúc tác [0,3-0,8];: Hệ số hình học [0,3-0,6];

a.Khuếch tán trong

Quan hệ trở lực khuếch tán và trở lực phản

ứng.

• Trong phản ứng dị thể, khi trạng thái phản ứng đạt

được ổn định khi đó tốc độ giai đoạn phản ứng trên

bề mặt cũng bằng tốc độ giai đoạn khuếch tán các chất tới bề mặt, gọi là V1

V1 = k1Cs (với giả thiết là phản ứng trên bề mặt là phản ứng bậc 1)

k1: hằng số tốc độ của giai đoạn phản ứng.

Cs: nồng độ các chất trên bề mặt xúc tác.

Mặt khác tốc độ khuếch tán chất phản ứng tới bề mặt:

V2 = (C β 0-Cs)

C0: nồng độ chất phản ứng ở trong lòng dòng lỏng (khí) : Hệ số chuyển khối.

β

β

+

0 1

C k

β β

+

Quan hệ trở lực khuếch tán và trở lực phản ứng.

V1 là tốc độ giai đoạn phản ứng trên bề mặt cũng là tốc độ chung của cả quá trình, nên k* là hằng số tốc

• Khi trở lực của phản ứng bé -> tốc độ phản ứng lớn -> k1 >> thì trở lực quá trình là do trở lực của β

khuếch tán Phản ứng xảy ra chậm là do khuếch

tán chậm, lúc này ta gọi phản ứng xảy ra ở miền khuếch tán.

Tổng kết

L m quen quá trình dị thểà

 Tính nhiều giai đoạn trong quá trình dị thể

 Khái niệm miền động học, các miền động học…

Khuếch tán trong quá trình dị thể

 Các định luật khuếch tán

 Khuếch tán ngoài, khuếch tán trong

 Quan hệ trở lực khuếch tán và trở lực phản ứng

• Bài 1: Một ống nghiệm đựng nước được đặt trong

phòng thí nghiệm rất khô (P0

H2O= 0) ở 293K Nước sẽ bay hơi, mực nước được giữ nguyên không đổi

Trong ống nghiệm hoàn toàn không có đối lưu Tiết diện ống: S= 0,05 cm2 áp suất hơi bão hoà của nước: P0

H2O= 0,023 atm Tính hệ số khuếch tán của hơi nước vào không khí; nếu khoảng cách từ mặt thoáng

đến miệng ống là 1,85 cm và sau 87,5 h lượng nước bay hơi là 1,94.10-3 mol

Đáp số: D= 0,24 cm 2 /s

• Bài 2: Rượu etylic bay hơi trong môi trường Hydro,

Tµi liÖu tham kh¶o:

• §éng ho¸ häc – Lª Céng Hoµ & TrÇn V¨n Niªm

• Ho¸ lý vµ ho¸ keo – NguyÔn H÷u Phó

• http://vi.wikipedia.org/