Математика	Физика	Химия	Биология	Техника и технологии
	Диффузия и теполопередача в химической кинетики-Д.А.Франк-Каменский Москва 1987 490стр.В последние годы в химической кинетике развилось новое •^ оригинальное направление, стремящееся к комплексному изучению химического процесса в сочетании с физическими процессами передачи тепла и вещества. Наметилась возможность неожиданного синтеза таких, казалось бы, далеких областей науки, как химическая кинетика, с одной стороны, и теория теплопередачи, диффузии, гидродинамика — с другой. Процессы, которые раньше считались в классической кинетике возмущениями, искажающими ход химической реакции, приобрели особый интерес именно в комбинации с химическим процессом. Такое сочетание кинетики с теорией диффузии, теплопередачи, гидродинамикой позволило получить ряд теоретически ценных результатов, разработать новые методы изучения скоростей реакций и подвести научный фундамент под теорию таких важных технических процессов, как горение, растворение, основные процессы химической технологии. В разработке этого научного направления принял участие ряд исследователей в разных странах: Предводителев, Кнорре, Вулис (в теории горения угля), Жаворонков (в теории процессов и аппаратов химической технологии), Темкин, Боресков (в теории катализа) — в Советском Союзе; Хоттель, Майерс, Бурке и Шуман, Шервуд, Чильтон и Кольберн, Льюис и Эльбе, Дамкелер, Фиш-бек — за рубежом.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ нетики с единой, оригинальной точки зрения. При этом автору удалось разработать новые плодотворные методы, выделить важные предельные области, ввести ряд новых физических понятий и получить ценные научные результаты. Можно сказать, что этот труд знаменует собой начало превращения макроскопической кинетики в самостоятельный раздел науки. Автору удалось показать, что рассматриваемые вопросы имеют не только частное и прикладное, но и общее научное значение, представляют общий теоретический интерес. Книга представляет собой оригинальную монографию, излагающую проблемы, в разработке которых ее автор принимал самое активное и непосредственное участие. Не претендуя на абсолютную полноту и объективность в выборе материала, она отличается единством подхода, наличием оригинальной и последовательно проводимой точки зрения. Не по всем излагаемым в книге вопросам воззрения автора получили всеобщее признание. В частности, развиваемые в главе V представления о свойства ламинарного подслоя являются спорными. Но постановка этих вопросов, во всяком случае, будет стимулировать дальнейшее развитие науки. Советская наука заняла уже почетное место в области химической кинетики вообще и макроскопической в частности. Есть все основания надеяться, что настоящая книга будет стимулировать дальнейшее развитие этой области, а также поможет очень многим химикам, физикам и инженерам, работающим над прикладными вопросами. Академик Н. Н. Семенов ПРЕДИСЛОВИЕ Первое издание настоящей книги вышло в 1947 г. С тех пор макроскопическая^шнетика химических реакций развилась в обширную отрасль науки. С ней теснейшим образом связаны такие актуальные научные дисциплины, как теория процессов и аппаратов химической технологии, инженерная химия гетерогенного катализа, физика горения и взрыва, физико-химическая гидродинамика, теория колебательных процессов в химии и биологии, а также новое бурно растущее направление — химическая кибернетика, включающая автоматическое регулирование химических процессов и их математическое моделирование с помощью быстродействующих вычислительных машин. Для всех этих вопросов тематика настоящей книги имеет фундаментальное значение. Современный этап развития науки отличается особенно быстрым ростом пограничных областей. Это в полной мере относится и к макроскопической кинетике, в которой соприкасаются химия и физика, гидродинамика и теория процессов переноса, химическая и физическая кинетика, а также теория колебаний и кибернетика. Роль физических факторов в протекании химических реакций — такова тема этой книги. Конечно, автору удалось охватить только некоторые ее аспекты — в полном своем объеме эта тема по существу неисчерпаема. Первое издание книги, вышедшее очень малым тиражом, быстро разошлось и давно стало библиографической редкостью. За прошедшие двадцать лет проблемы, которые рассматриваются в книге, не только не стали менее актуальными, но, напротив, приобрели еще более обширное научное и прикладное значение и стали важными для еще более широких кругов читателей. Для второго издания книга подверглась коренной переработке. При этом было сохранено как основное научное направление, так и общая ее структура. Однако конкретное содержание отдельных глав не только пополнено новым материалом, отражающим развитие науки за прошедшие два десятилетия, но и углублено и расши- ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие редактора к первому изданию............ 3 Предисловие.......................... 5 Глава I. Введение....................... 7 Сведения из химической кинетики............... 9 Скорость реакции ...................... 9 Простые и сложные реакции................ 9 Порядок реакции и энергия активации........... 9 Автокатализ и промежуточные продукты.......... 10 Цепные реакции...................... 11 Стационарное и нестационарное протекание реакции .... 12 Гетерогенные реакции.................... 14 Активированная адсорбция и гетерогенный катализ .... 14 Лангмюровская кинетика................. 15 Торможение продуктами реакции............. 18 Кинетика на неоднородной поверхности и реакции дробного порядка........................ 19 Сведения из теории диффузии и теплопередачи......... 21 Подобие процессов диффузии и теплопередачи........ 21 Теплопроводность и диффузия в неподвижной среде..... 22 Свободная и вынужденная конвекция............ 23 Ламинарный и турбулентный режим............ 26 Коэффициенты переноса................... 26 Коэффициент турбулентного обмена............ 27 Коэффициент теплоотдачи................. 29 Коэффициент массоотдачи (константа скорости диффузии) . 29 Теория подобия...................... 30 Приведенная пленка.................... 34 Внешняя и внутренняя задачи................ 35 Коэффициент сопротивления и аналогия Рейнольдса..... 36 Уравнения связи между критериями ............ 38 486 Продольное обтекание пластины..... Конвекция в слое............ Псевдоожиженный (кипящий) слой .... Дифференциальные уравнения теплопрово; Анализ дифференциальных уравнений мете Молекулярные потоки.......... Литература................. Глава II. Диффузионная кинетика...... Метод равнодоступной поверхности...... Реакция первого порядка и сложение сопрс Молекулярно-кинетическая интерпретация с. лений .................. Диффузионная и кинетическая области . . Примеры протекания химических реакций в диф Горение угля ............... Реакции дробного порядка . ^ ...... Кинетика растворения ......... Гетерогенный обрыв в цепных реакциях . - Реакция на стенках замкнутого сосуда . Диффузионная кинетика сложных реакций . . Случай нескольких диффундирующих вещест Обратимые реакции ............. Диффузионная теория фотографического п Параллельные и последовательные реакции . . Автокаталитические реакции ........ Равнодоступная поверхность.......... Пористая поверхность............ Реакции в несмешивающихся жидких фазах . . Диффузия через мембраны........... Диффузия через поры............. Образование твердых пленок......... Микрогетерогенные процессы.......... Внутренняя диффузионная область при произв Нестационарная диффузионная кинетика и ее при ционной химии ............... Операторный метод в нестационарной диффузи Сводка формул операторного метода .... Бесконечное полупространство с нулевым нача Постоянное граничное условие (диффузионная Экспоненциальное граничное условие .... Интегрирование диффузионного потока по времс Граничное условие первого порядка (перех Операторные формулы для тел конечного раз Применения операторного метода..... Глава III. Стефановский поток................ 142 Общая скорость течения смеси............... 143 Стехиометрия потоков ................... 144 Скорость стефановского потока................ 145 Стефановский поток при одномерной диффузии........ 146 Стефановский поток в сферическом случае.......... 149 Бинарная смесь...................... 150 Перенос тепла стефановским потоком.............. 151 Автотермические процессы.................. 154 Реакции с участием конденсированных фаз.......... 158 Конденсация паров в присутствии неконденсирующихся газов . . 159 Интегрирование формулы Стефана по длине трубы..... 160 Роль теплоотдачи при конденсации............. 162 Испарение в присутствии инертного газа........... 163 Испарение капель жидкости в газовом потоке........ 164 Диффузионные процессы химической технологии........ 166 Литература .......................... 168 Глава IV. Неизотермическая и многокомпонентная диффузия . . 169 Термодинамическая теория................... 170 Перенос тепла диффузией.................. 173 Фиксация системы отсчета................. 174 Идеальные смеси...................... 175 Применение к бинарной смеси................ 176 Кинетическая теория..................... 179 Функция распределения................... 179 Элементарная модель термодиффузии в лоренцовом газе . . . 180 Связь с молекулярными силами............... 182 Зависимость сечения от скорости............. 183 Гидродинамическая теория диффузии (многокомпонентная гидродинамика) ......................... 185 Связь с физической кинетикой............... 187 Приведенные коэффициенты диффузии............ 188 Многокомпонентная диффузия............... 189 Простейшие случаи.................... 193 Массовые концентрации и потоки............. 196 Выбор системы отсчета.................. 197 Уравнения многокомпонентной диффузии в форме Фика . . 198 Приближенная теория стефановского потока при многокомпонентной диффузии.................... 200 Точная теория стефановского потока при многокомпонентной диффузии....................... 202 Дифференциальные уравнения для переменных потоков при многокомпонентной диффузии............... 206 Гидродинамическое представление с силами инерции .... 207 Неизотермическая диффузия в гидродинамическом представлении........................... 209 Термодиффузия в бинарной смеси............... 213 Приближенные формулы для разбавленной смеси...... 215 488 Формулы кинетической теории.........•...... 217 Коэффициенты диффузии газов при высоких температурах..... 219 Литература........................... 223 Глава V. Химическая гидродинамика ............. 225 Турбулентная диффузия в жидкостях и структура вязкого подслоя ........................ .... 226 Сведения из теории турбулентного переноса......... 227 Модель ламинарного подслоя............... 231 Ламинарный подслой с зоной сопряжения......... 232 Вязкий подслой.................... 234 Теория Ландау и Левича................. 235 Химическое зондирование вязкого подслоя.......... 238 Диффузия в ламинарном пограничном слое и проверка метода равнодоступной поверхности................ 240 Ламинарный диффузионный слой в вязкой жидкости .... 241 Ламинарный пограничный слой с химической реакцией на поверхности в предельном случае вязкой среды...... 243 Математическая интерпретация метода равнодоступной поверхности ........................... 248 Продольное усреднение.................. 250 Перенос вещества в установившемся ламинарном потоке 250 Ламинарное обтекание пластины с химической реакцией на поверхности..................... 252 Решение интегрального уравнения диффузионной кинетики 253 Решение в виде ряда................... 254 Численное решение интегрального уравнения....... 255 Химическая газодинамика.................. 256 Литература........................... 257 Глава VI. Основные представления теории горения...... 258 Основные явления горения.................. 260 Основные процессы горения................. 263 Горение в движущемся газе................. 267 Турбулентное горение.................... 269 Взрывчатые вещества и пороха................ 271 Испарение и горение конденсированных фаз......... 272 Очаговое воспламенение................... 273 Химическая кинетика реакций горения............ 274 Модельные реакции и модельные схемы........... 274 Реакция водорода с кислородом............... 275 Разложение озона.................... 277 Реакция окиси углерода с кислородом........... 278 Пламя распада ацетилена................. 279 Двухстадийное воспламенение и модельная схема окисления высших углеводородов................. 280 Кинетика реакций в углеводородных пламенах и догорание окиси углерода..................... 283 Методы математической теории горения............. 284 Квазилинейные уравнения................ . 284 Подобие полей концентраций и поля температуры...... 287 Пренебрежение начальной скоростью реакции и метод разложения экспонента...................... 289 Задачи и результаты математической теории горения..... 292 Воспламенение и зажигание................. 293 Стационарная теория теплового взрыва.......... 293 Условия теплоотдачи................... 297 Нестационарная теория теплового взрыва......... 299 Нестационарная теория для автокаталитических реакций 305 Тепловое распространение пламени............. 307 Пределы распространения пламени............. 312 Обратная задача теории горения и значение приближенных методов 316 Литература ... ....................... 317 Глава VII. Теория теплового взрыва.............. 320 Стационарная теория ..................... 320 Сопоставление с нестационарной теорией........... 328 Аналитическое решение задачи о тепловом взрыве для цилиндрического случая..................... 332 Внешняя теплоизоляция................... 335 Проверка метода разложения экспонента........... 337 Несимметричное воспламенение.............. 338 Локальное поджигание .................. 340 Очаговое воспламенение.................. 344 Период индукции вблизи предела и поправка на выгорание . . . 346 Тепловой взрыв в случае автокаталитических реакций. 351 Экспериментальная проверка теории теплового взрыва..... 352 Литература........................... 358 Глава VIII. Распространение пламени............. 359 Уравнение и граничные условия.............. 359 Единственность решения................... 361 Тепловое распространение пламени.............. 362 Метод теплового потока................... 365 Диффузионное (цепное) распространение пламени при автокатализе второго порядка .................... 367 Горение в движущемся газе.................. 368 Турбулентное горение .................... 369 Поправка на термическое расширение............. 371 Численная проверка приближенной теории........... 372 Метод оптимума....................... 373 Неравенство коэффициентов переноса............ 375 Нестехиометрические реакции................ 376 Метод баланса ....................... 379 Диффузионная теория горячих пламен............ 385 Сопоставление с опытом................... 386 Литература............................ 388 490 Глава IX. Тепловой режим гетерогенных экзотермических реакций .............................. 390 Качественная теория явлений воспламенения и потухания при произвольной кинетике реакции ............. 393 Математическая теория явлений воспламенения и потухания для реакции первого порядка.................. 396 Стационарный разогрев поверхности для автотермических процессов ........................... 403 Поправка на термодиффузию и диффузионную теплопроводность 407 Поправка на стефановский поток.............. 411 Общий критерий неустойчивости теплового режима в допущении квазистационарной концентрации.............. 412 Экспериментальные данные.................. 416 Применения......................... 419 Тепловой режим контактных аппаратов........... 420 Горение угля........................ 422 Каталитическое окисление изопропилового спирта....... 424 Каталитические газоанализаторы.............. 426 Тепловой режим слоя или канала................ 427 Тепловой режим поверхности в химической газодинамике . . . 428 Литература............................ 428 Глава X. Химические колебания, устойчивость н регулирование химических процессов...................... 430 Положительная и отрицательная обратная связь......... 431 Затухание, раскачка и автоколебания ............ 431 Свойства и классификация особых точек ........... 432 Предельные циклы и автоколебания.............. 435 Колебательное и термодинамическое равновесие......... 436 Релаксационные и томсоновские системы........... 437 Тривиально-релаксационные и кинетические колебания...... 438 Изотермические.кинетические колебания........... 439 Квазикаталитические реакции в жидкой фазе........ 443 Кинетические колебания при фотосинтезе.......... 445 Термокинетические колебания в замкнутой системе..... 446 Термокинетические колебания в проточных системах..... 449 Устойчивость и колебания в химическом реакторе идеального смешения......................... 450 Автоколебания в гомогенном реакторе............ 458 Устойчивость гетерогенного катализа............ 465 Тепловой режим и неустойчивость в случае параллельных реакций 466 Химическая кибернетика................... 470 Литература............................ 473 Принятые обозначения...................... 474 Именной указатель......................... 478 Цена: 150руб.
Назад	Заказ	На главную страницу