Влияние температуры на скорость процессов в диффузионной области

Среди химико-технологических процессов подавляю­щее большинство представляют собой гетерогенные многофазные процессы, проходящие в несколько стадий. Наиболее медленной стадией большинства твердофазных процессов является стадия диффузии. Поэтому интенси­фикация процессов, протекающих в диффузионной обла­сти, сводится к увеличению скорости диффузии исходных веществ и продуктов реакции. На скорость диффузии влияет много факторов: вязкость, плотность, температу­ра, давление; скорости потоков взаимодействующих фаз, интенсивность перемешивания; конструкционные особен­ности аппарата, поверхность контакта фаз, время контак­тирования и т. д.

В однородной (гомогенной) среде влияние темпера­туры на коэффициент диффузии невелико.

Коэффициент диффузии для газов составляет 0,1 — 1 см²/с. Для различных газов этот коэффициент диффу­зии очень незначительно (1,5 — 2 раза) зависит от темпе­ратуры. Диффузия в жидкостях протекает медленнее, чем в газах, и коэффициенты диффузии большинства жидко­стей составляют 10~⁴ —10~⁵ см²/с. Повышение темпера­туры заметно увеличивает коэффициент диффузии в жид­костях (в том числе за счет уменьшения вязкости).

Наиболее медленна диффузия в твердых телах, где коэффициент диффузии составляет 1 см²/год — 1 см²/век. Повышение температуры увеличивает подвижность твердых частиц, ускоряет переход диффундирующего атома из одного положения в другое. Например, для ок­сидов типа FeO, CaO, MgO в интервале температур 1000—1500°С коэффициент диффузии изменяется в пре­делах 10^-8 — 10^-14 см²/с, а диффузия углерода в железо при термической обработке металлов при температуре 900—1000 °С происходит за несколько часов. Из курса молекулярной физики известно, что влияние темпера­туры на скорость диффузии меньше, чем на скорость хи­мических превращений.

При высоких температурах, когда скорость химиче­ской реакции велика, определяющим и сдерживающим фактором становится скорость диффузии; например при газификации топлива, обжиге сульфидных руд повыше­ние температуры переводит процесс из кинетической в диффузионную Область. Поэтому так важно интенсифи­цировать твердофазные процессы, протекающие в диффу­зионной области, не только традиционными вышеопи­санными способами ускорения диффузии, но и измене­нием фазового состояния с помощью увеличения темпе­ратуры.

При изменении фазового состояния (расплавление, возгонка и др.) происходит резкое увеличение скорости диффузии и интенсификация процесса в целом. Возникно­вение небольших количеств жидкой фазы в таких процес­сах, как спекание, обжиг при производстве керамики, це­мента, глинозема, ферритовых материалов, приводит к значительному возрастанию коэффициентов диффузии и поверхности контакта фаз, что в свою очередь может перевести процесс в переходную область (где скорости химических превращений и диффузии сопоставимы) и за­тем в кинетическую область, в результате чего оконча­тельно завершаются химические реакции и формируется окончательный продукт. Появление газовой фазы в до­менном процессе и при газификации твердого топлива также переводит процесс, прежде идущий в диффузион­ной области, в кинетическую.

Таким образом, повышение температуры следует рас­сматривать не столько как фактор, ускоряющий процесс в диффузионной области, но и как средство перевода ге­терогенных систем в гомогенные, а твердофазных — в жидко- и газофазные.

Условия, ограничивающие применение

Высоких температур

Повышение температуры, несмотря на положительное влияние на скорость химических превращений, на практи­ке ограничено целым рядом экономических и технологи­ческих требований. Так, для эндотермических процессов высокие температуры наиболее благоприятны. Однако выход продукции повышается по затухающей кривой. Следовательно, в этом случае необходима экономически рациональная температура процесса. Для экзотермичес­ких процессов повышение температуры выше оптималь­ной ведет к резкому снижению суммарной скорости про­цесса и к уменьшению выхода продукции, что препят­ствует значительному повышению температуры в экзо­термических реакциях.

В ряде случаев повышение температуры ускоряет по­бочные реакции, что приводит к появлению побочных ве­ществ, ухудшению качества и уменьшению количества основного продукта. Значительный рост температуры во многих производственных процессах оказывается вредным, так как приводит к удалению реагирующих ве­ществ из сферы реакции из-за испарения жидких, атакже частичного сплавления или спекания твердых материа­лов. Повышение температуры реакции ограничивается термической стойкостью конструкционных материалов, из которых изготовлена аппаратура. Например, боль­шинство самых важных конструкционных материалов — металлы и их сплавы — в основном работают в пределах до 1000 °С, жаропрочные стали — до 700 °С, немногим выше термостойкость строительной керамики. Главным материалом, применяемым для постройки промыш­ленных печей и аппаратов, работающих в условиях высо­котемпературного (выше 1000 °С) нагрева, являются ог­неупоры, способные выдерживать многократные колеба­ния температуры в широких пределах. Особо высокой теплостойкостью отличаются магнезитовые изделия (вы­ше 2000 °С), а также графит. Повышение температуры ли­митируется также и энергетическими затратами из-за резкого роста теплопотерь в окружающую среду.

Таким образом, оптимальной температурой в высоко­температурных процессах может служить лишь экономи­чески рациональная температура, выбранная с учетом минимального износа аппаратуры, стоимости конструк­ционных материалов, теплопотерь и др.

Типовое оборудование

Основу типового оборудования высокотемпературных процессов составляют печи. Современная промышленная печь — это аппарат, в котором для тепловой обработки материалов используется теплота от сжигания топлива, электрический нагрев либо утилизируемая теплота экзо­термических процессов. В таком аппарате выделение и использование теплоты совмещено с осуществлением определенного технологического процесса, например с выплавкой металла, обжигом керамических изделий, коксованием углей, перегонкой нефти и т. п. Как прави­ло, печи имеют простую и прочную конструкцию, меха­низированную загрузку и выгрузку, автоматизированную систему поддержания и устойчивую работу в течение определенного времени (в сталеплавильных печах огне­упорная футеровка выдерживает до 800—1000 плавок, а в кислородных конверторах — до 350).

Типы и конструкции печей отличаются чрезвычайным разнообразием, поэтому их классифицируют не только по отраслям производства, но и по технологическому на­значению, источнику тепловой энергии, способу нагрева, способу загрузки сырья и т. д.

Основные виды промышленных печей крупнотоннаж­ного производства (с учетом принципа их устройства и работы) приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Сравнительную оценку печей производят по ряду тех­нико-экономических показателей. Среди них решающими являются: интенсивность передачи теплоты нагреваемо­му материалу; коэффициент использования теплоты, ко­торый тем выше, чем меньше тепловые потери и удачнее выбран способ регенерации теплоты; выход продукта при высоком его качестве.