Любая, даже простейшая химическая реакция, является результатом сложного взаимодействия, включающего химические превращения, тепло - массообмен в объемах фаз и между ними.
Эти процессы могут протекать в несколько последовательных или параллельных стадий, многие развиваются по сложной последовательно - параллельной схеме. Их анализ в целом представляет большие трудности. Поэтому в случае многостадийного процесса используется принцип лимитирующего звена, который позволяет свести анализ к рассмотрению одной из стадий. Если такой процесс включает несколько последовательных звеньев, то его общая скорость определяется скоростью самого медленного звена. Возможны три варианта кинетики химической реакции.
- Если скорость массопереноса значительно превышает скорость химического взаимодействия, то процесс в целом лимитируется химическим актом и протекает в кинетическом режиме.
- В случае, когда перенос идет намного медленнее, чем химическая реакция, скорость процесса в целом определяется диффузией и означает, что процесс происходит в диффузионном режиме.
- При соизмеримых скоростях химической реакции и массообмена режим процесса является смешанным.
Температурные зависимости константы скорости химической реакции и коэффициента диффузии отличаются друг от друга. В силу этого при разных температурах один и тот же процесс может определятся в кинетическом, смешанном и диффузионном режимах, т.е. при вариации температурных и других условий возможно изменение лимитирующего звена. В области низких температур массоперенос протекает быстрее, чем химические реакции, а при высоких температурах наблюдается обратная картина.
|
|
Определение лимитирующего звена является одним из основных вопросов, которые решают при анализе кинетики процесса.
Лимитирующее звено процесса можно установить по зависимости общей скорости процесса от различных фактов - температуры, интенсивности подвода реагентов, перемешивания фаз и др. Распространенным приемом при определении лимитирующего звена является расчет энергии активации процесса на основании температурной зависимости константы скорости. Значение, больше 400кДж/моль, соответствуют энергии активации химической реакции. Меньшее значение отвечает энергии активации диффузии в шлаковой фазе, а минимальные (до 40 кДж/моль) - энергии активации диффузии в металле.
Попытки применения уравнений химической кинетики для расчета скоростей процессов в металлургической технологии не дали положительных результатов. Большинство металлургических систем относится к числу так называемых гидродинамически неопределенных, что затрудняет применение имеющихся в технической литературе решений частных задач тепло - и массообмена для случаев бесконечной пластины шара и цилиндра. Эти уравнения можно использовать только с известными приближениями.