Использование вращающихся дисковых элементов для определения кинетических характеристик массообменных процессов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ ДИСКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Т.С. Корниенко, профессор, д.т.н., профессор Л.П. Бондарева, доцент, к.х.н., доцент Воронежский государственный университет инженерных технологий,

г.Воронеж

Е.А. Загорулько, ведущий научный сотрудник, к.т.н., доцент Воронежский институт ГПС МЧС России, г.Воронеж

Гетерогенные превращения на границе раздела фаз, включая электрохимические реакции, состоят из нескольких последовательных стадий - перенос реагирующих веществ в реакционную зону, собственно гетерогенное превращение и отвод продуктов реакции от реакционной поверхности. Кроме того, возможно осложнение гетерогенной реакции объемными химическими превращениями.

Для изучения истинной кинетики гетерогенной реакции, т.е. для определения кинетических характеристик электродной реакции (ее порядка, константы скорости и т.д.) необходимо исключать ограничения, вносимые переносом веществ (диффузионным переносом).

Вклад диффузионной стадии оценивается по плотности предельного диффузионного тока /д

1д = КпЕсо, (1)

где К - коэффициент переноса;

F - число Фарадея;

п - число электронов, переходящих через границу электрод -раствор;

с0 - концентрация разряжающегося иона.

Использование (1) обусловлено возможностью надежной оценки коэффициента переноса К, зависящего как от свойств изучаемой системы, так и от вклада конвективной составляющей. В этом отношении особое значение отводится вращающемуся дисковому электроду, для которого получены формулы, прошедшие глубокую экспериментальную проверку.

1. Диск при ламинарном режиме течения (Яе < 3-105) [1, 2].

Вращающийся при ламинарном режиме диск обладает сочетанием двух важнейших достоинств - равнодоступностью поверхности и стационарным режимом работы (рис. 1).

При вращении дискового электрода вокруг вертикальной оси, проходящей через центр диска, жидкость, соприкасающаяся с его центром, отбрасывается к краям, к центру устремляются потоки из объема раствора. При этом величина и направление скорости жидкости, соприкасающейся с

движущейся твердой поверхностью, совпадает со скоростью поверхности, что обусловливает равнодоступность и стационарность процесса. В этих условиях коэффициент переноса К следует вычислять по формуле:

8И = 0,6188с1/3Яе1/2, (2)

которая в размерной форме принимает вид:

/д = 0,618^ 2/3ю1/2У"1/6 пГе0

где БИ - число Шервуда, БИ = Кг0/Ю; Бе - число Шмидта, Бе = уЮ; Яе -число Рейнольдса, Яе = т02ю/у ; г0 - радиус ламинарной зоны диска; Ю -

коэффициент диффузии; ю - частота вращения диска; у - коэффициент кинематической вязкости.

Рис. 1. Течение жидкости вблизи вращающегося диска при ламинарном движении

2. Диск при турбулентном режиме течения (Яе > 3-10 ).

Для изучения кинетики быстрых электродных реакций необходимо увеличение скорости вращения диска, что влечет переход к турбулентному режиму движения. В этом случае для расчета массоотдачи от вращающегося диска необходимо выделить центральную зону радиусом г0 с ламинарным режимом движения и кольцо внутренним радиусом г0 и наружным г1, на котором движение турбулентное (рис. 2).

Рис. 2. Линии тока на кольцевом участке, соответствующем переходу к турбулентному течению

Коэффициент переноса для центрального участка определяется по формуле (2), расчет коэффициента Кср, осредненного по площади кольца с турбулентным режимом, следует вести по формуле для развитого диффузионного пограничного слоя

(4)

К ср = 0,1158с

-3/4.

и

ср

т.к. при г = г0 отсутствует скачок концентрации. В (4) Кср и и0ср -

средние по поверхности кольца коэффициент массоотдачи и динамическая скорость [3-5]:

0,91 .0,09

u0ср = 0,106^ v

С r 2,82 _ r 2,82 >

Г1_r0

2 _ 2 V ri _ r0 у

Kcp = 1,22 • 10 _2Sc"0,75Re0,9^ V0

1 V 1 _ (r0 / ri )

2,82

1 1 _(rj r )

(5)

(6)

Таким образом, коэффициент массоотдачи, осредненный по поверхности диска Кср.диск, равен:

k2l _ / , \2

к _ к

к ср.диск к ср.турб.

1 -(г0 / Г ) ] + К лам (Го / Г )2 (7)

В таблице для сравнения приведены значения массоотдачи, полученные экспериментально методом вращающегося диска и рассчитанные по (7).

Таблица

Массоотдача на вращающемся диске

Число Рейнольдса Re-10-5 Число Шмидта Sc-10-3 Коэффициент массоотдачи K-105, м/с Отклонение, %

эксперимент расчет

10,8 1,67 27,2 27,7 1,8

5,93 6,32 11,0 10,5 4,8

5,10 1,67 12,1 12,0 0,8

3,38 21,8 3,74 3,76 0,5

2,58 22,2 2,92 2,92 0

Список использованной литературы

1. Плесков Ю.В. Вращающийся дисковый электрод / Ю.В. Плесков, В.Ю. Филиновский. - М.: Наука, 1972. - 344 с.

2. Дамаскин Б.Б. Введение в электрохимическую кинетику / Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий. - М.: Высшая школа,1975.

3. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел / Л.А. Дорфман. - М.: Физматгиз, 1960. - 260 с.

4. Кишиневский М.Х. Диффузионная кинетика на кольцевых электродах, вращающихся при турбулентном режиме движения / М.Х Кишиневский, Т.С. Корниенко // Электрохимия, 1974. - № 11. - С. 17091715.

5. Кишиневский М.Х. Диффузионный поток к кольцевому электроду на вращающихся дисках / М.Х Кишиневский, Т.С. Корниенко // Электрохимия, 1972. - № 12. - С. 1759-1766.