Теория металлургических процессов
  1.1 Дегазация металла при продувке инертным газом

Реакция горения оксида углерода может быть описана уравнением

Качественную оценку влияния изменения параметров системы на протекание реакции (1.1) можно выполнить при помощи принципа Ле Шателье и правила фаз Гиббса, согласно которому

Рассматриваемая система состоит из молекул трех веществ, связанных между собой одним уравнением реакции, следовательно k = 2. Все вещества находятся в газовой фазе, поэтому f = 1. Если из внешних факторов, влияющих на состояние равновесия, учитывать только температуру и давление, тогда

С = 2 + 2 – 1 = 3.

Наличие у системы трех степеней свободы означает, что для однозначного определения равновесного состава газа необходимо указать температуру, давление и какую-либо постоянную величину, связанную с концентрацией взаимодействующих веществ.

В соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры и неизменном давлении равновесие экзотермической реакции (1.1) смещается в направлении диссоциации CO2 на оксид углерода и кислород.

Горение оксида углерода протекает с уменьшением объема взаимодействующих веществ. Поэтому увеличение давления при неизменной температуре способствует протеканию реакции в направлении образования дополнительного количества CO2.

Если для сжигания СО используется воздух, в систему вносится еще один компонент – азот. Введение в систему азота при неизменных температуре и давлении влияет на изменение равновесного состава газовой смеси так же, как уменьшение давления.

Константа равновесия реакции (4.1) определяется из выражения

Состав газовой смеси принято выражать в объемных процентах. При этом парциальное давление газа связано с его объемной концентрацией соотношением

где Pi – парциальное давление i-го компонента газовой смеси; (i%) – концентрация компонента i в объемных процентах; Pобщ – общее давление в системе.

Выразив парциальные давления взаимодействующих газов при помощи уравнения (1.5), формулу (1.4) можно привести к виду

В уравнении (1.6) присутствует величина общего давления в системе. Его изменение при постоянной температуре вызывает изменение равновесных концентраций взаимодействующих веществ, но численное значение константы равновесия реакции остается при этом неизменным.

При заданном составе газовой смеси направление протекания реакции (1.1) можно определить при помощи уравнения

Согласно уравнению (1.7) протекание реакции (1.1) в направлении диссоциации CO2 возможно при соблюдении условия

Из уравнения (1.2) формулу для определения константы равновесия реакции (1.1) можно получить в виде

Результаты расчета константы равновесия реакции (1.1) при различных температурах представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Значения константы равновесия реакции (1.1) при различных температурах

Значения константы равновесия реакции

Из таблицы 1.1 можно видеть, что при температурах до 2000К константа равновесия реакции горения оксида углерода имеет очень большие значения. Так как (%CO2) не может быть больше 100%, из уравнения (1.8) следует, что диссоциация CO2 возможна только при малых концентрациях оксида углерода и кислорода или при очень низком давлении смеси газов Pобщ.

Результаты проведенного выше анализа показывают, что заметная диссоциации CO2 возможна только при температурах более 2000 – 2500К. При температурах до 2000К реакцию (1.1) можно считать практически не обратимой и протекающей при благоприятных кинетических условиях до полного исчезновения одного из исходных веществ.

Окислительный потенциал газовой смеси при протекании реакции (1.1) может быть охарактеризован величиной равновесного парциального давления кислорода

Анализ уравнения (1.10) позволяет сделать следующие выводы:

  1. Для газовой смеси с постоянным соотношением между концентрациями CO2 и СО величина равновесного парциального давления кислорода зависит только от температуры.
  2. При повышении температуры численное значение константы равновесия реакции (1.1) уменьшается, а окислительный потенциал газовой смеси увеличивается.
  3. При неизменной температуре величина равновесного парциального давления кислорода определяется соотношением между объемными концентрациями CO2 и СО в смеси. Окислительный потенциал газовой смеси повышается при увеличении (%CO2) и уменьшается при увеличении (%СО).
  1.1 Дегазация металла при продувке инертным газом
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ