1.3. Механизм гомогенных реакций горения

При изучении механизма и кинетики реакций горения газов следует подробно рассмотреть и хорошо усвоить, что эти процессы многостадийны и цикличны, изучить условия зарождения, разветвления и обрыва цепей, развития взрывного характера процесса. Детально рассмотреть механизм горения водорода и монооксида углерода.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Соответствуют ли опытные данные, полученные для реакций горения газов закону действующих масс?

2. В чем причина расхождения опытных данных с термодинамическими расчетами?

3. Как соотносятся выделение тепла и его отвод при высоких и низких температурах при протекании цепной реакции?

4. Почему происходит воспламенение горючей смеси при температуре, превышающей Т_кр?

5. Как происходит разветвление цепей?

6. Назовите места «гибели» активных частиц.

7. Почему при высоких и низких давлениях газа взрыва не происходит? Как уменьшить опасность взрыва гремучей смеси (H₂ + O₂)?

8. Напишите отдельные ступени реакции взаимодействия водорода с кислородом.

1.4. Механизм гетерогенных реакций горения

При изучении данного раздела следует обратить внимание на особенности структуры графита и его адсорбционную способность по отношению к газам; влияние температуры и других факторов на кинетику процесса горения графита; рассмотреть внешнюю и внутреннюю диффузионные области и их особенности; признаки, определяющие лимитирующее звено процесса; кинетические особенности взаимодействия твердого углерода с диоксидом углерода и водяным паром.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Назовите формы существования углерода.

2. Какова кристаллическая решетка графита?

3. Каков механизм растворения веществ в графите?

4. Какие соединения образует кислород на поверхности графита?

5. От чего зависит соотношение CO и CO₂ в атмосфере при взаимодействии углерода с кислородом?

6. Какова роль диффузии в горении кокса или угля?

7. На какие отдельные стадии можно условно разделить процесс горения кокса?

8. Каковы признаки внешней и внутренней диффузионной области? Внешней и внутренней кинетической области?

9. Как влияет температура на скорость диффузии и химического взаимодействия?

10. Как можно ускорить процесс, который протекает в диффузионном или кинетическом режиме?

11. Почему оксиды щелочных и щелочноземельных металлов и некоторых других ускоряют процесс газификации углерода с помощью CO₂?

2. Процессы образования и диссоциации

карбонатов, оксидов, сульфидов

2.1. Термодинамический анализ реакций образования

и диссоциации карбонатов, оксидов и сульфидов

Закономерности процессов образования и диссоциации карбонатов, оксидов, сульфидов и других соединений в практике металлургического производства имеют сходный характер. В общем виде их можно представить реакцией

AB = A + B,

где AB – карбонат, оксид, сульфид и т. д.;

A – оксид (диссоциация карбонатов, оксидов) или металл (диссоциация оксидов, сульфидов);

B – чаще всего газ (диоксид углерода, кислород, сера и т. д.).

Целью термодинамического анализа является решение двух задач: во-первых, определение равновесного состава фаз и, во-вторых, определение направления протекания реакции в случае, когда исходные параметры системы не являются равновесными.

Равновесное состояние рассматриваемой системы обычно определяется пятью переменными P, T, c_AB, c_A, c_B, количество которых может уменьшаться или увеличиваться. Компонентов, образующих систему, обычно два, поэтому число степеней свободы зависит от количества фаз, которых бывает две (большинство гетерогенных превращений), или три (твердофазные превращения).

Равновесное давление газа p_B, равное

,

называется упругостью диссоциации и служит мерой химической прочности соединения. При малых значениях p_B эта величина теряет смысл давления, поэтому более общей характеристикой меры прочности является изменение энергии Гиббса G, стандартная величина которой называется мерой химического сродства вещества к веществу (например, мерой химического сродства металла к кислороду).