Анализ кинетики металлургических процессов

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.

1. Если скорость массопереноса значительно превышает скорость химического взаимодействия, то процесс в целом лимитируется химическим актом и протекает в кинетическом режиме.
2. В случае, когда перенос идет намного медленнее, чем химическая реакция, скорость процесса в целом определяется диффузией и означает, что процесс происходит в диффузионном режиме.
3. 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.