3.8. Скорости металлургических процессов.

3.8.1. Растворение твердых тел в жидкостях

Растворение огнеупорной кладки сталеплавильных пе­чей в расплавленных шлаках является одним из относи­тельно простых гетерогенных процессов. Его можно пред­ставить состоящим из двух последовательных стадий. Первая — это собственно акт растворения, обусловленный взаимодействием частиц твердого тела и жидкости. Вто­рая стадия — отвод растворившегося вещества в объем жидкости. Первая стадия обычно совершается намного быстрее второй. Практически мгновенно на поверхности твердого тела образуется тонкая пленка насыщенного раствора с концентрацией С_н. Дальнейшее растворение происходит по мере диффузии вещества из этой пленки в глубь раствора, где концентрация равна С₀.

Введем упрощающее предположение о том, что на границе раздела двух фаз существует тонкий слой, в ко­тором условия массопередачи отличаются от существую­щих вдали от этой границы. Это отлично обусловлено изменением характера течения вблизи границ раздела, которое наблюдается, например, при течении жидкостей по трубам, при обтекании жидкостями и газами твердых тел. В рассматриваемом случае перенос вещества через такой пограничный слой толщиной ∆ является наиболее медленной стадией процесса растворения. Если прибли­женно принять, что концентрация растворяющегося веще­ства в пограничном слое уменьшается пропорционально расстоянию от границы, то скорость процесса можно вы­разить уравнением Фика. Скорость растворения ω в этом случае будет равна скорости диффузии, или величине диффузионного потока через поверхность раздела твер­дое тело — жидкость. Если эта поверхность равна 5, то

ω =П=D(Cн-Cо) S,

^∆ где D— коэффициент диффузии.

Заменим отношение D/∆ через коэффициент массопередачи ß, тогда уравнение примет вид

ω = П= ß (С_н — C₀)S.

Как могут влиять условия перемешивания жидкости на скорость растворения? С увеличением интенсивности перемешивания растет ß и, соответственно, изменяется скорость растворения.

Скорость растворения можно также представить как увеличение концентрации вещества в жидкости. Если ее объем равен V, то увеличение концентрации за 1 с со­ставит ∆ C= ω /V, или

ω =∆ C V. Подставим это произве­дение в уравнение

∆ C= ß (С_н — C₀)S/V.

Из формулы следует, что скорость растворе­ния при данных условиях тем больше, чем выше отноше­ние поверхности твердого тела, на которой идет процесс растворения, к объему жидкости. Такая зависимость во­обще характерна для гетерогенных процессов, в которых на границе двух сред происходит превращение и реаги­рующие вещества переносятся к этой границе или отво­дятся от нее. Например, рафинирование жидкой стали шлаками ускоряется при увеличении отношения поверх­ности шлак—металл к объему стальной ванны (или к ее глубине).

Как зависит скорость растворения от температуры? При повышении температуры увеличивается коэффициент диффузии вещества и вместе с ним коэффициент массопередачи ß. Кроме того, вследствие уменьшения вязкости жидкости возрастает интенсивность тепловых потоков и утоньшается пограничный слой, что также приводит к ро­сту ß. Таким образом, с повышением температуры ско­рость растворения увеличивается.