Кинетика гетерогенных процессов

Гетерогенные химические реакции и диффузионные процессы, идущие иа границе раздела двух фаз, особенно характерны для сварочной металлургии при взаимодействии расплавленного ме­талла с газовой фазой (жидкость — газ) или с расплавленным флюсом-шлаком (жидкость — жидкость), а также в процессе ох­лаждения сварного шва в активной газовой атмосфере (воздух). Скорость гетерогенных процессов зависит от размеров границы раздела, а также от ее состояния, так как если граница закрыта слоем продуктов реакции, затрудняющим диффузионный подвод реагентов, то может изменяться весь процесс и скорость диффу­зии будет лимитировать скорость химической реакции.

Рассмотрим случай гетерогенной реак­ции, для которого можно пренебречь из — МЄНЄНИЄМ СОСТОЯНИЯ поверхности В ре- зультате удаления летучих продуктов е

реакции (схема реакции Представлена на Рис. 8 19 Схема гетеро — рИС. 8.19): генной реакции с обнов­

ляющейся поверхностью

Me 4- СІ2 MeCht

TB(S) газ(а) газ(х) 1

где а — концентрация хлора в газообразной фазе; х — кон­центрация галида; S — площадь границы раздела металл — хлор.

Дифференциальное уравнение скорости запишем так:

v = dx/dt = К(а — x)S. (8.114)

Решить это уравнение можно в двух случаях:

1) полагая площадь границы раздела постоянной во вре­мени: S = const;

2) считая, что площадь границы раздела изменяется в про­цессе химической реакции: S=f(t).

В первом случае (S = const) решение уравнения (8.114) аналогично решению уравнения (8.100): In [а/(а — х)] = KSt, или

х=а{ -i~KSt). (8.115)

Влияние площади поверхности на скорость химической реакции характеризуется тем, что S входит в показатель экспо­ненты как множитель.

Реализуется этот случай при взаимодействии с газом доста­точно массивного куска твердого тела, размеры которого дли­тельное время не будут претерпевать существенных изменений.

Для решения уравнения (8.114) в случае S = f(t) найдем закон изменения площади поверхности реагирующего металла по времени. Рассмотрим случай взаимодействия с окислителем металла в виде порошка или жидких распыленных капель. Пусть N молей металла разделены на п частиц, имеющих кубическую форму с длиной ребра /. Металл имеет атомную массу А и плотность Q. Ребро куба будет равно

1=3/МА/(пв).

Площадь поверхности всех п элементарных кубов S=6n/2=6п[АМ /(пе)]2/3.

Если бы задача решалась не для кубов, а для сферических капель, то коэффициент формы вместо 6 составил бы « 5,8.

Изменение числа молей в результате реакции будет (JV — x), а площадь поверхности

S< = 6n(jV-x)2/3[A/(nQ)]2/3

Подставляя значение текущей поверхности в дифференциаль­ное уравнение скорости, получим следующее уравнение:

jf=Kl.6n,/3(A/e)2/3(W-x)2/3(a-x)r], (8 116)

где г) — коэффициент экранирования.

Коэффициент экранирования учитывает неодинаковое поло­жение частиц относительно потока газа-окислителя. Так, при сжигании угля на колосниковой решетке т)»;0,2, а при сжигании пылевидного топлива в потоке воздуха т)->-1. Решение уравнения (8.116) не составляет труда, так как постоянную интегрирования можно определить из начальных условий: t = 0, х = 0.

Решений может быть два:

— металл в избытке по сравнению с окислителем;

x^-N — окислитель в избытке и металл весь сгорает.

Это необходимо учитывать при разработке дугового или плаз­менного напыления порошков на поверхность детали.

Updated: 19.03.2016 — 11:06