Оценка окислительно-восстановительных свойств газовой фазы

(практическое задание №3)

Цель работы: расчет равновесных составов и окислительно-восстановительных свойств газовых атмосфер при высоких температурах.

Основными газовыми реакциями в металлургических процессах являются реакции горения СО и Н₂.

(3.1)

(3.2)

Термодинамические потенциалы этих реакций имеют вид:

(3.3)

(3.4)

Для реакций (3.1, 3.2) константы равновесия определяются по формулам.

(3.5)

(3.6)

Влияние давления на равновесие определяем на основе парциальных P_i компонентов и числа молей:

(3.7)

Для определения числа молей можно использовать степень диссоциации a (отношение числа распавшихся молей к исходному числу). Допустим, что 1 моль СО₂ (реакция 1) диссоциирует на a молей СО. Тогда образуется 0,5a молей О₂ и остаток нераспавшихся молей CO₂ равен 1–a. Суммарное число молей может быть выражено для реакций (3.1) и (3.2) следующим образом:

(3.8)

Тогда из (3.7) можно определить парциальные давления каждой фазы

(3.9)

(3.10)

(3.11)

После подстановки (3.9…3.11) в уравнение (3.5) получим, что константа равновесия определяется как

(3.12)

При температурах Т £ 2273 К считается, что для вышеописанных реакций a << 1. В этом случае

(3.13)

Для оценки окислительно-восстановительных свойств газовой фазы используют химический потенциал киалорода, определяемый как

(3.14)

С учетом (3.5) можно получить П₀, выраженное через парциальные давления и :

(3.15)

(3.16)

где DG₁ – потенциал (3.3); R – газовая постоянная; П₀ – химический потенциал кислорода.

Аналогично запишем для реакции (3.2):

(3.17)

Если исходный фазовый состав газовой фазы отличается от равновесного, то направление превращений определяют с помощью уравнения изотермы реакции:

(3.18)

где .

Если DG < 0, то превращения должны происходить слева направо.

Если DG > 0, то превращения происходят в противоположном направлении. При DG = 0 наступает равновесие.

Примеры расчета

(практическое задание №3)

Постановка задачи 1. Определить направление реакции взаимодействия (3.1) при Т = 2273 К при исходном составе газовой фазы 70 % СО₂, 20 % СО и 10 % О₂. Найти константу равновесия при Р = 1.

Решение.

По уравнению (3.18) определили DG, учитывая (3.3)

(3.19)

Так как DG < 0, то реакция идет в сторону образования СО₂ с горением СО.

Константа равновесия определятся как

Постановка задачи 2. Определить равновесный состав газовой фазы, образующейся в результате диссоциации СО₂ при Т = 2273 К и Р = 1. Определить кислородный потенциал газовой фазы.

Решение.

Реакция имеет вид (3.1). Задача сводится к определению парциальных давлений (3.9…3.11). Однако предварительно вычислив a (степень диссоциации), воспользовавшись (3.13) и значением константы равновесия, вычисленной из предыдущей задачи, получим:

Подставляя a в(3.9…3.11), получим следующие парциальные давления:

Таким образом, состав газовой фазы будет следующим:

90,4 % СО₂ + 6,4 % СО +3,2 % О₂

Кислородный потенциал газовой фазы рассчитываем с помощью (3.14)