Механизм и кинетика взаимодействия газа с углеродом

 

    Кинетическая схема гетерогенного процесса:

1. Доставка газа–окислителя к поверхности раздела фаз (внешняя диффузия);

2. Адсорбция газа–окислителя на поверхности углерода;

3. Химическое взаимодействие с образованием адсорбированных продуктов;

4. Десорбция продуктов;

5. Диффузия (отвод) продуктов от поверхности в газовый поток.

Стадии 1 и 5 переноса компонентов газовой фазы в реальной металлургической системе всегда связаны с конвективными турбулентными макропотоками. Это диффузия в потоке – массопередача.

Стадии 2, 3 и 4 – химические (адсорбционно–химические).

Медленная стадия – лимитирующая.

Режимы процесса:

– диффузионный;

– кинетический (химический);

– переходный (смешанный).

 

Основные закономерности диффузии в потоке

Скорость диффузии

где  – концентрация газа–окислителя в объеме (ядре потока);  – концентрация газа–окислителя на поверхности твердого углерода;   – константа диффузии;  – толщина диффузионного слоя;  – коэффициент массопереноса.

           ,

где W – cкорость газового потока; d – размер (приведенный диаметр) куска угля; n – показатель, зависящий от условий.

 – формула Эйнштейна.

Здесь  – число Авогадро; r – радиус диффундирующих частиц;  – коэффициент динамической вязкости газа.

,

где А – коэффициент пропорциональности; m = 1,7 для реальных газов.

 

Факторы, влияющие на скорость диффузии газов в потоке:

1. Скорость газового потока, W;

2. Природа и свойства газа, r, , D;

3. Размер частиц углерода, d;

4. Температура, Т.

 

Рассмотрим упрощенную схему, полагая, что горение определяется двумя стадиями – доставкой кислорода к месту реакции и химическим взаимодействием на поверхности. Величина диффузионного потока кислорода (скорость диффузии) из объема газа к единице поверхности углерода согласно первому закону Фика

                                         (1)

где d – толщина диффузионного слоя;  и  – концентрации кислорода в объеме газа и на поверхности углерода,

    Пусть химическая реакция имеет I порядок.

Тогда скорость ее

                                                       (2а)

где  – константа скорости реакции.

При установившейся режиме скорости последовательных звеньев и наблюдаемая скорость суммарного превращения  одинаковы,

Тогда

и

                                               (*)

Уравнение справедливо для смешанного режима.

Для диффузионного режима  и                                        (2)

Для кинетического режима  и                                            (3)

Несмотря на сходство уравнений (2) и (3), они описывают разный характер протекания процесса.

Уравнение (*) нередко записывают через «эффективную» константу скорости гетерогенного процесса К

Здесь

Это выражение можно привести к виду:  и трактовать так:

«полное сопротивление протеканию процесса складывается из суммы химического и диффузионного сопротивлений».