Reaksi cairan-Partikel:Ilmu gerakBab ini memperlakukan kelas reaksi heterogen di mana gas atau cairankontak yang solid, bereaksi dengan itu, dan mengubahnya menjadi produk. Reaksi sepertidapat diwakili olehA (cairan) + bB (so1id) 4 produk cairan (1)+ Produk padat (2)+ Produk cairan dan padat (3)Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 25,1, partikel padat tetap tidak berubah dalam ukuran selama reaksiketika mereka mengandung banyak kotoran yang tetap sebagai abu nonflakingatau jika mereka membentuk bahan produk perusahaan dengan reaksi dari Persamaan. 2 atau Persamaan. 3. Partikelmenyusut dalam ukuran selama reaksi ketika abu atau produk bahan pengelupasan terbentukatau ketika murni B digunakan dalam reaksi Persamaan. 1.Reaksi cairan-padat yang banyak dan penting industri besar. Itudi mana padat tidak lumayan berubah dalam ukuran selama reaksi adalah sebagaiberikut.1. memanggang (atau oksidasi) dari bijih sulfida untuk menghasilkan oksida logam. UntukMisalnya, dalam penyusunan seng oksida bijih sulfida ditambang, hancur,dipisahkan dari gangue dengan flotasi, dan kemudian dipanggang dalam reaktor untukmembentuk keras putih partikel zinc oxide sesuai dengan reaksiDemikian pula, pirit besi bereaksi sebagai berikut:2. Penyusunan logam dari oksida mereka dengan reaksi dalam mengurangi atmosfer.Sebagai contoh, besi dibuat dari hancur dan berukuran magnetitGambar 25.1 Berbagai macam perilaku bereaksi partikel padatbijih di kontinyu-lawan, reaktor tiga tahap, fluidized-bed menurutuntuk reaksi3. nitrogenation kalsium karbida untuk menghasilkan sianamida4. pengobatan permukaan pelindung dari padatan seperti plating logam.Contoh yang paling umum dari reaksi cairan-padat yang ukuran padatPerubahan adalah reaksi dari bahan karbon seperti briket batubara,kayu, dll dengan kadar abu yang rendah untuk menghasilkan bahan bakar panas atau pemanasan. Sebagai contoh,dengan jumlah yang cukup dari udara, gas produser dibentuk oleh reaksiDengan uap, gas air diperoleh dengan reaksiContoh lain dari reaksi di mana padatan mengubah ukuran adalah sebagai berikut.1. pembuatan karbon disulfida dari unsur-unsur2. pembuatan natrium sianida dari natrium amida3. pembuatan natrium tiosulfat dari belerang dan natrium sulfitMasih contoh lain adalah reaksi pembubaran, serangan chip logam denganasam, dan karat besi.Dalam Bab 17 kami menunjukkan bahwa pengobatan reaksi heterogendiperlukan pertimbangan dua faktor selain yang biasanya ditemuidalam reaksi homogen: modifikasi ekspresi kinetikyang dihasilkan dari perpindahan massa antara fase dan pola menghubungi darifase bereaksi.Dalam bab ini kita mengembangkan ekspresi tingkat reaksi cairan-padat. Itubab berikutnya kemudian akan menggunakan informasi ini dalam desain.25,1 PEMILIHAN MODELKita harus jelas memahami bahwa setiap gambar konseptual atau model untukkemajuan reaksi datang dengan representasi matematika yang, persamaan laju.Akibatnya, jika kita memilih model kita harus menerima nya persamaan tingkat, dan wakilversa. Jika model sesuai erat dengan apa yang benar-benar terjadi, maka lajuekspresi erat akan memprediksi dan menjelaskan kinetika yang sebenarnya; jika model berbedaluas dari kenyataan, maka ekspresi kinetik yang akan sia-sia. Kita harus ingatbahwa analisis matematika paling elegan dan bertenaga tinggi berdasarkanModel yang tidak sesuai dengan kenyataan adalah berharga untuk insinyur yang harus membuatprediksi desain. Apa yang kita katakan di sini tentang model memegang tidak hanya untuk menurunkanekspresi kinetik tetapi dalam semua bidang teknik.Persyaratan untuk model rekayasa yang baik adalah bahwa hal itu menjadi representasi terdekatrealitas yang dapat diobati tanpa terlalu banyak kerumitan matematika.Hal ini sedikit digunakan untuk memilih model yang sangat erat mencerminkan realitas, tetapiyang begitu rumit sehingga kita tidak bisa berbuat apa-apa dengan itu. Sayangnya, diusia saat ini komputer, ini terlalu sering terjadi.Untuk reaksi noncatalytic partikel dengan sekitarnya cairan, kita pertimbangkandua model ideal yang sederhana, model progresif-konversi dan menyusut denganModel yang tidak bereaksi-core.Model progresif-Konversi (PCM). Di sini kita memvisualisasikan bahwa gas reaktanmasuk dan bereaksi seluruh partikel setiap saat, kemungkinan besar di berbagaitarif di lokasi yang berbeda dalam partikel. Dengan demikian, reaktan padat diubahterus menerus dan progresif di seluruh partikel seperti ditunjukkan pada Gambar. 25,2.Gambar 25.2 Menurut model progresif-konversi, hasil reaksiterus-menerus sepanjang partikel padat.Menyusut-Core Model (SCM). Di sini kita memvisualisasikan reaksi yang terjadi pertama dikulit luar dari partikel. Zona reaksi kemudian bergerak ke padat,meninggalkan sepenuhnya materi dikonversi dan lembam padat. Kami menyebut inisebagai "abu." Dengan demikian, setiap saat ada sebuah inti yang tidak bereaksi bahan yangmenyusut dalam ukuran selama reaksi, seperti ditunjukkan pada Gambar. 25,3.Perbandingan Model dengan Situasi nyata. Dalam mengiris dan memeriksa salibBagian dari sebagian bereaksi partikel padat, kita biasanya menemukan bahan padat yang tidak bereaksidikelilingi oleh lapisan abu. Batas inti yang tidak bereaksi ini tidak selalu seperti yang didefinisikan tajam sebagai model gambar itu; Namun demikian, buktidari berbagai macam situasi menunjukkan bahwa dalam kebanyakan kasus menyusut-coreModel (SCM) mendekati partikel nyata lebih dekat daripada progressiveconversion yangModel (PCM). Pengamatan dengan pembakaran batu bara, kayu, briket, dankoran dibungkus erat juga mendukung model menyusutnya-core. Untuk selanjutnyadiskusi tentang banyak model lain yang digunakan (setidaknya sepuluh), lihat Bab 55 diLevenspiel (1996).Karena SCM tampaknya cukup mewakili realitas dalam berbagai macamsituasi, kita mengembangkan persamaan kinetik di bagian berikut. Dalam melakukan hal inikita mempertimbangkan cairan sekitarnya menjadi gas. Namun, hal ini dilakukan hanya untukkenyamanan karena analisis berlaku sama baik untuk cairan.25.2 MODEL menyusut-CORE UNTUK PARTIKEL BOLAUKURAN berubahModel ini pertama kali dikembangkan oleh Yagi dan Kunii (1955, 1961), yang divisualisasikanlima langkah yang terjadi berturut-turut selama reaksi (lihat Gambar. 25,4).Langkah 1. Difusi gas reaktan A lewat film seputarpartikel ke permukaan padat.Langkah 2. Penetrasi dan difusi A melalui selimut abu ke permukaandari inti yang tidak bereaksi.Langkah 3. Reaksi gas A dengan padat pada permukaan reaksi ini.Langkah 4. Difusi produk gas melalui abu kembali ke eksteriorpermukaan padat.Langkah 5. Difusi produk gas melalui film gas kembali ke utamatubuh cairan.Dalam beberapa situasi beberapa langkah ini tidak ada. Misalnya, jika tidak ada gasproduk terbentuk, langkah 4 dan 5 tidak berkontribusi langsung ke resistancereaksi. Juga, resistensi dari langkah-langkah yang berbeda biasanya sangat bervariasi satudari yang lain. Dalam kasus seperti itu kita dapat mempertimbangkan langkah dengan resistensi tertinggimenjadi tingkat-pengendali.Dalam perawatan ini kita mengembangkan persamaan konversi untuk partikel boladi mana langkah 1, 2, dan 3, pada gilirannya, adalah tingkat-pengendali. Kami kemudian memperpanjanganalisis untuk partikel nonspherical dan situasi di mana efek gabungandari tiga resistensi harus dipertimbangkanDifusi Melalui Kontrol Gas FilmSetiap kali perlawanan dari kontrol Film gas, profil konsentrasi untukgas reaktan A akan ditampilkan seperti pada Gambar. 25,5. Dari angka ini kita melihat bahwatidak ada reaktan gas hadir pada permukaan partikel; oleh karena itu, konsentrasipendorong, CAG - C, menjadi C,, dan konstan setiap saat selama reaksipartikel. Sekarang karena akan lebih mudah untuk menurunkan persamaan kinetik berdasarkanpada permukaan yang tersedia, kami memusatkan perhatian pada permukaan eksterior tidak berubah daripartikel S,. Memperhatikan dari stoikiometri dari pers. 1,2, dan 3 yang DNB = bDNA,kami menulisGambar 25.5 Representasi partikel bereaksi ketika difusilewat film gas adalah resistensi pengendali. Jika kita membiarkan p, menjadi kepadatan molar B di padat dan V menjadi volumepartikel, jumlah B hadir dalam sebuah partikelNB = eV = (~ 2 :) --- (m3 padat)Penurunan volume atau radius inti yang tidak bereaksi atas hilangnyadari DnB mol reaktan padat kemudian diberikan olehMengganti Persamaan. 6 di 4 memberikan laju reaksi dalam hal radlus menyusutinti yang tidak bereaksi, ataumana kg adalah koefisien perpindahan massa antara cairan dan partikel; melihatdiskusi yang mengarah ke Persamaan. 24. menata ulang dan mengintegrasikan, kita menemukan bagaimanainti yang tidak bereaksi menyusut dengan waktu. Dengan demikian,Biarkan waktu untuk konversi lengkap partikel menjadi 7. Kemudian dengan mengambil r, = 0Persamaan di. 8, kita menemukanJari-jari inti yang tidak bereaksi dalam hal waktu pecahan untuk konversi lengkapdiperoleh dengan menggabungkan Pers. 8 dan 9, atauHal ini dapat ditulis dalam hal konversi pecahan dengan mencatat bahwaDifusi melalui Kontrol Lapisan AshGambar 25.6 menggambarkan situasi di mana resistensi terhadap difusi melaluiabu mengontrol laju reaksi. Untuk mengembangkan ekspresi antara waktudan jari-jari, seperti Persamaan. 8 untuk ketahanan Film, memerlukan analisis dua langkah. Pertamamemeriksa khas sebagian bereaksi partikel, menulis hubungan fluks untuk iniKondisi. Kemudian menerapkan hubungan ini untuk semua nilai r ,; dengan kata lain, mengintegrasikanr, antara R dan 0.Pertimbangkan partikel sebagian bereaksi seperti ditunjukkan pada Gambar. 25,6. Kedua reaktan Adan batas inti yang tidak bereaksi bergerak ke dalam menuju pusatpartikel. Tapi untuk sistem GIS penyusutan inti yang tidak bereaksi lebih lambat darilaju aliran A menuju inti yang tidak bereaksi dengan faktor sekitar 1000, yangkira-kira rasio kepadatan padat ke gas. Karena ini adalah wajarbagi kita untuk menganggap, dalam mempertimbangkan gradien konsentrasi A dalam lapisan abusetiap saat, bahwa inti tidak bereaksi stasioner. Dengan sistem LIS kita punya masalah karena rasio kecepatan lebih dekat dengan kesatuandaripada 1000. Yoshida et al. (1975) mempertimbangkan relaksasi asumsi di atas.Untuk sistem GIS penggunaan asumsi mapan memungkinkan penyederhanaan besardalam matematika yang mengikuti. Dengan demikian laju reaksi dari A pada setiapinstan diberikan oleh laju difusi ke permukaan reaksi, atau--d NA - 4nr2QA = 4rR2Q, = 4RR: QA, = konstandt (12)Untuk kenyamanan, biarkan fluks A dalam lapisan abu diungkapkan oleh Fickhukum untuk counterdiffusion molar yang sama, meskipun bentuk-bentuk lain dari persamaan difusi iniakan memberikan hasil yang sama. Kemudian, mencatat bahwa baik QA dan DCA / dr positif,kita punyamana CZje adalah koefisien difusi efektif reaktan gas di lapisan abu.Seringkali sulit untuk menetapkan nilai terlebih dahulu untuk jumlah ini karenamilik abu (kualitas sintering, misalnya) dapat menjadi sangat sensitif terhadapsejumlah kecil kotoran dalam padat dan untuk variasi kecil dalam partikellingkungan Hidup. Menggabungkan pers. 12 dan 13, kita memperoleh untuk r Ungkapan ini merupakan kondisi dari partikel bereaksi setiap saat.Dalam bagian kedua dari analisis kita membiarkan ukuran perubahan inti yang tidak bereaksibersama waktu. Untuk ukuran tertentu dari inti yang tidak bereaksi, DNA / dt adalah konstan; Namun, sebagaiinti menyusut lapisan abu menjadi lebih tebal, menurunkan laju difusiA. Akibatnya, integrasi Persamaan. 15 terhadap waktu dan variabel lainharus menghasilkan hubungan yang diperlukan. Tapi kita perhatikan bahwa persamaan ini mengandungtiga variabel, t, NA, dan r,, salah satunya harus dihilangkan atau ditulis dalamhal variabel lain sebelum integrasi dapat dilakukan. Seperti Filmdifusi, mari kita menghilangkan NA dengan menulis itu dalam hal r,. Hubungan ini adalahdiberikan oleh Persamaan. 6; maka, menggantikan di Persamaan. 15, memisahkan variabel, dan mengintegrasikan, kita memperolehGambar 25.7 Representasi partikel bereaksi ketika kimiareaksi perlawanan mengendalikan, reaksi yangA (g) + bB (s) -, produk. Penurunan radius atau peningkatan konversi pecahan partikel dihal r ditemukan dengan menggabungkan Pers. 21 dan 22. Dengan demikian,Hasil ini diplot pada Gambar. 25,9 dan 25,10, pp. 582 dan 583.