Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Қ.Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университеті

Техникалық факультет Металлургия кафедрасы

669.02/.09(07)

Д463

Симбатов к.Ж. Металлургиялық үрдістер теориясы

Үй жұмысы

I тарау

Ақтөбе

АӨМУ баспасы

2013

УДК 669.02/.09(075.8)

Көміртегінің оттегіқұрамды газды фазамен әрекеттесуі

Қатты көміртегінің оттегіқұрамды газды фазамен әрекеттесу реакциясы металлургиялық үрдістерде маңызды рөль атқарады. Газды фазадағы оттегінің қатты көміртегімен әрекеттесуі екі реакция бойынша жүреді:

; (1)

. (2)

Жүйедегі қатты көміртегі көп болған жағдайда (1) және (2) реакциялар тепе-тең газды қоспаның құрамындағы оттегінің өте төмен қалдық құрамымен сипатталады. Тепе-тең газды қоспадағы және арасындағы қатынасты анықтау үшін қатты көміртегінің газдалу реакциясының тепе-тең шартын талдау қажет:

; (3)

. (4)

(3) реакцияның тепе-тең газды фазасын есептеу үшін (4) тепе-теңдік константасын көлемдік процентпен өрнектелген қоспа құрамы арқылы жазады:

, (5)

мұндағы Р – газды қоспаның жалпы қысымы.

Егер газды фазада және -дан басқа газ болмаса, олардың қосындысы 100%-ке тең. Белгілену енгізейік: ( ) = х; ( ) = 100–х.

Осы белгіленулерді тепе-тең константасы үшін өрнекке қойғанда келесі формула шығады:

.

Алынған квадратты теңдеуді шешу нәтижесінде газды қоспадағы көміртегі тотығының тепе-тең концентрациясын анықтауға болады:

. (6)

Оттегі және азоттан құралған газды қоспаның (оттегімен байытылған немесе қарапайым ауа) қатты көміртегімен әрекеттесуі жүйеде қатты көміртегі көп болғанда және -дан және белгілі бір мөлшерде азоттан құралған қоспаның қалыптасуына алып келеді. Бұл жағдайда (3) реакциядағы газды фазаның тепе-тең құрамын анықтау үшін белгілену енгізейік: ( ) = х; ( ) = y; ( ) = z.

x, y және z өлшемдерін байланыстыратын теңдеулерді құрастырамыз:

; (7) x + y + z = 100. (8)

Үшінші теңдеуден қоспадағы азоттың құрамын анықтайды. 1 моль СО₂ түзілуіне 1 моль О₂ жұмсалады, ал 1 моль СО түзілуіне – 0,5 моль . Оттегімен байытылған ауа үшін белгілену енгіземіз

,

яғни О₂-дің әрбір молі қоспаға γ моль кіргізеді. Сондықтан үшінші теңдеудің түрі:

. (9)

(7)–(9) теңдеулер жүйесін шешіп, х-тің мәнін, яғни тепе-тең газды қоспадағы СО-ның құрамын табамыз:

. (10)

Содан кейін (7) теңдеуден у-тің мәнін, ал (8) теңдеуден z-тің мәнін табамыз.

Для нахождения относительного содержания Қоспадағы және -ның салыстырмалы құрамын табу үшін келесі қатынасты пайдаланамыз:

; (11)

. (12)

Берілген температура және қысым үшін реакциясының тепе-тең шартынан газды қоспадағы оттегінің тепе-тең қысымының мәнін табамыз.

Бұл реакцияның тепе-теңдік константасы:

. (13)

Газды қоспадағы оттегінің тепе-тең қысымы

. (13)

Қатты көміртегі қатысуымен – тепе-тең газды қоспа үшін оттекті потенциал мәнін келесі теңдеу бойынша анықтаймыз

. (14)

Мысал 1. Берілген жағдайда оттегімен байытылған ауаның қатты көміртегімен әрекеттесуінен пайда болған тепе-тең газды қоспаның құрамын анықтаңыздар және газды қоспадағы оттегінің тепе-тең қысымын есептеңіздер.

Есеп шарттары:

• байытылған ауа құрамы: – 76%, – 24%;

• жүйенің жалпы қысымы Р’= 0,5·10⁵ Па;

• есептеуді 700…950 °С аралықта алты температура үшін жүргізіңдер.

Есептің шығарылуы. Есептеулер үшін бастапқы мәліметтерді кесте түрінде келтіреміз (1-кесте).

Кесте 1

Байытылған ауа құрамы, %		Температура, °С						Қысым Р’, Па
		1	2	3	4	5	6
76	24	700	750	800	850	900	950	0,5·105

Газды қоспаның тепе-тең құрамын анықтау үшін байытылған ауадағы азот және оттегі арасында қатынасты табамыз:

.

теңдеуді пайдалана отырып, берілген алты температура үшін мәнін табамыз (2-кесте).

Кесте 2

Т, К	973	1023	1073	1123	1173	1223
	1,07	3,03	7,79	18,40	40,41	83,22

Подставляя величины Р=Р’· және өлшемдерін (10) теңдеуге қойып, берілген температуралардағы х мәндерін анықтайтын есептеу теңдеуін аламыз:

.

Алынған теңдеуге -тің алдын ала табылған мәндерін қойып, алты берілген температура үшін х мәндерін табамыз.

Подставляя значение в уравнение (7) теңдеуге Р=Р’· мәнін қойып, берілген температуралар үшін у өлшемдерін анықтайтын есептеу теңдеуін табамыз:

.

Табылған х өлшемдері үшін у мәндерін табамыз. (8) теңдеуге х және у мәндерін қойып, z мәнін табамыз

z = 100 – (x + y).

(11) және (12) теңдеулер арқылы берілген температура үшін СО және СО₂-нің қоспадағы салыстырмалы құрамын анықтаймыз.

– газды қоспадағы оттегінің тепе-тең қысымын анықтау үшін берілген температуралардағы СО₂ және СО концентрацияларын (14) теңдеуге қоямыз:

.

мәндерін есептеуді келесі теңдеу бойынша жүргіземіз

.

Есептеу қорытындыларын 3-кестеде келтіреміз ( ) [5].

Таблица 3

№ п/п	T, °C	T, К	Газды қоспанын тепе-тең құрамы, %			Салыстырмалы құрамы, %		, Па
1	700	973	31,32	4,58	64,10	87,2	12,8	1,28·	–17,89
2	750	1023	35,39	2,78	62,54	94,5	5,5	6,19·	–17,21
3	800	1073	37,27	0,89	61,84	97,7	2,3	2,31·	–16,69
4	850	1123	38,07	0,39	61,54	99,0	1,0	7,27·	–16,14
5	900	1173	38,42	0,18	61,40	99,5	0,5	2,02·	–15,69
6	950	1223	38,56	0,09	61,35	99,8	0,2	5,25·	–15,28

Есептеу мәліметтерін пайдалана отырып, көміртегінің газдалу реакциясы үшін тепе-тең газды қоспа құрамы мен температура арасындағы(1-сурет) және көміртегінің газдалу реакциясы үшін ( ) газды қоспадағы оттегінің тепе-тең қысымы мен температура арасындағы (2-сурет) тәуелділік графиктерін тұрғызамыз .

1-сурет. Көміртегінің газдалу реакциясы үшін СО-нің газды қоспадағы салыстырмалы құрамы мен температура арасындағы тәуелділік.

2- сурет. Көміртегінің газдалу реакциясы үшін – газды қоспадағы оттегінің тепе-тең құрамы мен температура арасындағы тәуелділік

Тапсырма. Есептің берілген шартына сәйкес (5-кесте) берілген алты температура үшін оттегімен байытылған ауаның ( – ) қатты көміртегімен әрекеттесу нәтижесінде қалыптасқан тепе-тең газды қоспадағы оттегінің тепе-тең қысымы және оттекті потенциалдар мәндерін есептеңіздер.

Есептеулер нәтижесін 4-кестеде келтіріңіздер.

4-кесте

Газды қоспаның тотықтырғыш қасиеттерін есептеудің қорытындылары

№ п/п	t, °C	T, K	Газды қоспаның тепе-тең құрамы , %			Салыстырмалы құрамы, %		, Па		, Дж

Есеп шарттарының нұсқалары 5-кестеде келітірілген.

5-кесте

Нұсқа №	Байытылған ауа құрамы, %		Температура, °C						Қысым, Па·10-5
			1	2	3	4	5	6
1	74	26	710	760	810	860	910	960	0,5
2	72	28	720	770	820	870	920	970	0,5
3	70	30	730	780	830	880	930	980	0,5
4	68	32	740	790	840	890	940	990	0,5
5	66	34	750	800	850	900	950	1000	0,5
6	64	36	702	752	802	852	902	952	0,9
7	62	38	712	762	812	862	912	962	0,9
8	60	40	722	772	822	872	922	972	0,9
9	58	42	732	782	832	882	932	982	0,9
10	56	44	742	792	842	892	942	992	0,9
11	54	46	752	802	852	902	952	1002	0,9
12	52	48	704	754	804	854	904	954	1,3
13	50	50	714	764	814	864	914	964	1,3
14	48	52	724	774	824	874	924	974	1,3
15	75	25	734	784	834	884	934	984	1,3
16	73	27	744	794	844	894	944	994	1,3
17	71	29	754	804	854	904	954	1004	1,3
18	69	31	706	756	806	856	906	956	1,7
9	67	33	716	766	816	866	916	966	1,7
20	65	35	726	776	826	876	926	976	1,7
21	63	37	736	786	836	886	936	986	1,7
22	61	39	746	796	846	896	946	996	1,7
23	59	42	756	806	856	906	956	1006	1,7
24	57	43	708	758	808	858	908	958	2,1
25	55	45	718	768	818	868	918	968	2,1
26	53	47	728	778	828	878	928	978	2,1
27	51	49	738	788	838	888	938	988	2,1
28	49	51	748	798	848	898	948	998	2,1
29	47	53	758	808	858	908	958	1008	2,1