Теория металлургических процессов
  2.1 Реакция взаимодействия углерода с углекислым газом

Взаимодействие углерода с углекислым газом протекает по реакции

Рассматриваемая система состоит из двух фаз – твердого углерода и газа (f = 2). Три взаимодействующих вещества связаны между собой одним уравнением реакции, следовательно, количество независимых компонентов k = 2. Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы системы будет равно

С = 2 + 2 – 2 = 2 .

Это означает, что равновесные концентрации СО и СО2 являются функциями температуры и давления.

Реакция (2.1) является эндотермической. Поэтому согласно принципу Ле Шателье повышение температуры смещает равновесие реакции в направлении образования дополнительного количества СО.

При протекании реакции (2.1) расходуется 1 моль СО2, который при нормальных условиях имеет объем 22400 см3, и 1 моль твердого углерода объемом 5,5 см3. В результате реакции образуется 2 моля СО, объем которых при нормальных условиях равен 44800 см3.

Из приведенных выше данных об изменении объема реагентов при протекании реакции (2.1) следует:

  1. Рассматриваемое превращение сопровождается увеличением объема взаимодействующих веществ. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье повышение давления будет способствовать протеканию реакции в направлении образования СО2.
  2. Изменение объема твердой фазы пренебрежимо мало в сравнении с изменением объема газа. Поэтому для гетерогенных реакций с участием газообразных веществ с достаточной точностью можно считать, что изменение объема взаимодействующих веществ определяется только количеством молей газообразных веществ в правой и левой частях уравнения реакции.

Константа равновесия реакции (2.1) определяется из выражения

Если в качестве стандартного состояния при определении активности углерода принять графит, то аС = 1

Численное значение константы равновесия реакции (2.1) можно определить из уравнения

Данные о влиянии температуры на величину константы равновесия реакции приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значения константы равновесия реакции (2.1) при различных температурах

Значения константы равновесия реакции

Из приведенных данных видно, что при температуре около 1000К (700оС) константа равновесия реакции близка к единице. Это означает, что в области умеренных температур реакция (2.1) практически полностью обратима. При высоких температурах реакция необратимо протекает в направлении образования СО, а при низких температурах в обратном направлении.

Если газовая фаза состоит только из СО и СО2, выразив парциальные давления взаимодействующих веществ через их объемные концентрации, уравнение (2.4) можно привести к виду

Решение уравнения (2.6) позволяет рассчитать (%СО) в равновесной газовой смеси при различных температурах и давлениях.

В промышленных условиях СО и СО2 получают в результате взаимодействия углерода с кислородом воздуха или дутья, обогащенного кислородом. При этом в системе появляется еще один компонент – азот. Введение азота в газовую смесь влияет на соотношение равновесных концентраций СО и СО2 аналогично уменьшению давления.

Из уравнения (2.6) видно, что состав равновесной газовой смеси является функцией температуры и давления. Поэтому решение уравнения (2.6) графически интерпретируется при помощи поверхности в трехмерном пространстве в координатах Т, Pобщ и (%СО). Восприятие такой зависимости затруднено. Значительно удобнее изображать ее в виде зависимости состава равновесной смеси газов от одной из переменных при постоянстве второго из параметров системы. В качестве примера на рисунке 2.1 приведены данные о влиянии температуры на состав равновесной газовой смеси при Pобщ = 105 Па.

При известном исходном составе смеси газов судить о направлении протекания реакции (2.1) можно при помощи уравнения

Если давление в системе остается неизменным, соотношение (2.7) можно привести к виду

Зависимость равновесного состава газовой фазы для реакции С + СО2 = 2СО

Рисунок 2.1 – Зависимость равновесного состава газовой фазы для реакции С + СО2 = 2СО от температуры при PCO+PCO2 = 105 Па.

Для газовой смеси, состав которой отвечает точке а на рисунке 2.1, . При этом

а G > 0. Таким образом, точки выше равновесной кривой характеризуют системы, приближение которых к состоянию термодинамического равновесия протекает по реакции

Аналогичным образом можно показать, что точки ниже равновесной кривой характеризуют системы, которые приближаются к равновесному состоянию по реакции

На рисунке 2.1 можно выделить следующие три области:

  • 1 – область низких температур (до 400оС). При низких температурах содержание СО2 в составе равновесной смеси газов приближается к 100%. Поэтому при низких температурах существуют термодинамические предпосылки для необратимого протекания реакции в направлении распада СО (в реальных условиях распад СО может не наблюдаться по причинам кинетического характера).
  • 2 – область умеренных температур (400 – 1000оС). В этой области равновесный газ содержит соизмеримые количества СО и СО2, а реакция является практически полностью обратимой.
  • 3 – область высоких температур (более 1000оС). В этой области содержание СО в равновесном газе приближается к 100%. Это означает, что в присутствии твердого углерода СО2 не устойчив и должен полностью превращаться в СО.
  2.1 Реакция взаимодействия углерода с углекислым газом
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ