Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
1) площадь поверхности и поверхностную энергию зерен;
2) температуру, теплоту плавления и растворения;
3) интенсивность теплообмена с окружающей средой;
4) скорость растворения, возгонки, диссоциации и химического взаимодействия с другими реагентами;
5) толщину слоя продукта, возникающего на зернах в процессе химического взаимодействия, и обусловленную ею скорость диффузии через этот слой;
Продолжительность реакции
а)
Продолжительность реакции 6}
Рис. 90. Схема протекания механохимической реакции:
а — с периодами индукции и затухания; б — без периода индукции и затухания (плазменный процесс)
6) свойства кристаллических продуктов реакции — физико-механические, тепловые, электрические и др.;
7) поведение (эффективность действия) ускорителей реакций между твердыми веществами;
8) экономику процесса.
Кинетику реакций в твердых телах определяют в основном первый, четвертый и пятый параметры. Действительно, при прочих равных условиях скорость гетерогенного взаимодействия между веществами пропорциональна площади поверхности контакта реагирующих фаз. Однако следует помнить, что эта площадь необязательно идентична площади непосредственного соприкосновения между зернами кристаллических реагентов.
Когда процесс взаимодействия между зернами кристаллических реагентов протекает при участии жидкой или газовой фазы, площадь реакционной поверхности в начале реакции равна или близка площади полной поверхности зерен одного из реагентов.
Для ускорения процесса взаимодействия следует развивать полную поверхность зерен соответствующего реагента путем уменьшения их размеров. Уменьшение размера зерен очень часто приводит к повышению скорости процесса также за счет уменьшения толщины диффузионного слоя продукта реакции. Следует особо отметить, что лишь в отдельных конкретных случаях скорость реакции может зависеть от размера зерен какого-либо одного из компонентов. В практических условиях чаще всего таким компо-
317
316
нентом является вещество, покрываемое слоем продукта в процессе реакции. В общем случае скорость твердофазовых реакций может зависеть от размера зерен всех исходных компонентов и любого их сочетания.
Практическое значение диспергирования заключается в том, что оно, способствуя увеличению площади реакционной поверхности и уменьшению среднего пути внутренней диффузии при уменьшении размера зерен, не только благоприятно сказывается на производительности печи, но и приводит к снижению температуры процесса и расхода топлива или энергии.
Следует, однако, помнить, что уменьшение размера зерен связано с увеличением расходов на измельчение, благодаря чему возникает вопрос о рациональной степени измельчения компонентов индивидуально применительно к каждому конкретному виду продукции.
Роль минерализаторов. Для ускорения твердофазовых реакций в реакционную смесь вводят кроме легирующих добавок специально подбираемые вещества, которые в отличие от катализаторов, используемых в тех же целях в реакциях других типов, называют минерализаторами. Присутствие таких добавок изменяет условия реакции по сравнению с ее протеканием в смеси чистых реагентов и, естественно, оказывает влияние на реакцию, в частности на ее скорость и свойства получаемого продукта. Влияние минерализаторов в зависимости от свойств реагентов и условий процесса может быть весьма разнообразным как по своему характеру и направлению, так и по интенсивности.
Оценивая возможные влияния минерализаторов на реакции в смесях твердых веществ, следует учитывать, что минерализаторы могут оказать влияние на все элементарные процессы или стадии, составляющие эти реакции, причем на одних стадиях действие минерализатора может оказываться весьма сильно, на других — в меньшей степени или не сказываться вообще. Результирующее действие минерализатора зависит от сравнительной эффективности его влияния на различные стадии. Это результирующее действие определяется в первую очередь влиянием минерализатора на лимитирующую стадию реакции.
Из изложенного очевидно, что общее влияние минерализатора на ту или иную реакцию в твердой смеси может быть предсказано, если известны направление, механизм и сравнительная эффективность действия этого минерализатора на отдельные стадии реакции.
Один из наиболее типичных вариантов действия минерализаторов заключается в их способности образовывать более или менее легкоплавкую смесь с одним или несколькими компонентами шихты. Появление расплава существенно увеличивает площадь поверхности соприкосновения между реагентами, скорость диффузии и в том случае, если процесс протекает в диффузионной области, скорость всего процесса.
318
Даже незначительная добавка минерализатора — плавня может постепенно перевести в жидкую фазу большую массу реагента и способствовать интенсивному протеканию реакции. Эффективность применения ускоряющей добавки в различных условиях неодинакова. Температурный интервал эффективного действия такой добавки ограничен, с одной стороны, температурой плавления какого-либо компонента или компонентов Т\, с другой — температурой Т2 появления жидкой фазы в такой смеси в отсутствие минерализатора (рис. 91). Поэтому действие на один и тот же процесс при какой-либо температуре разных добавок к реакционной смеси может быть весьма различным. При оценке эффективности действия минерализаторов большую роль играет и продолжительность экспозиции. Эффективность действия на процесс какого-либо из минерализаторов и тем более их сравнительная характеристика могут быть оценены лишь в результате обстоятельного изучения кинетики процесса.
