Влияние температуры на скорость химико-металлургических процессов

Рассмотрим теперь, как можно количественно учесть влияние температуры на скорость процесса Опытным путем для реакций, протекающих гомогенно по кинетическим режимам (реакции 1-го и 2-го порядка), найдено, что их скорость увеличивается в 2—4 раза с повышением температуры на 10° С.
Это правило действительно в интервале температур от 20 до 90° С Чем ниже начальная температура, тем сильнее действие нагревания. Температурный коэффициент скорости реакции определяют как у = kn+10/kn, где kn и kn + 10 — константы скорости данной реакции при n и (n + 10)°. Если принять, что у = 3 и имело место повышение температуры на 20° (два раза по 10°), то реакция ускорится в 3x3 = 9 раз, или 3в2. Если повысить температуру еще на 10°, то реакция ускорится в 3в3 раз (в 27 раз). В общем виде можно записать: ускорение реакции при нагревании системы на n' составляет уn/10. Повышение температуры на 50° С даст нам ускорение в 3в5/10 = 3в5 раз, или в 243 раза. Если реакция протекает при температурах более высоких, чем 100° С, то коэффициент у обычно уменьшаемся и составляет 1,5—2,0, а при 700—900° С еще снижается до 1,1— 1,3. Например, для реакции 2SO2 + O2 = 2SO3 в интервале 450—500° C у = 1,24 и от 550 до 600° C у = 1,17. При 400° С скорость окисления считается ничтожно малой В интервале 450- 600'1 С она увеличивается в 15 раз. Многие реакции в металлургии начинаются только при 700—750° С, а проводят их при 1250—1300° С.
При температурном коэффициенте 1,1 повышение температуры в этих пределах (700—1300° С) ускоряет процесс примерно в 100 раз. Поэтому часто утверждают, что в металлургических процессах в расплавах достигается состояние равновесия Из сказанного следует, что сильнее ускорить процесс можно, проводя его в водных растворах при умеренных температурах порядка 120—300° С. В металлургии в этих случаях ведут процесс в автоклавах при давлении 0,2—4,5 МПа и температуре 120—250° С. При дальнейшем повышении температуры быстро увеличивается давление (7,5 МПа при 290° С и 10,0 МПа при 310° С), что вызывает затруднения с аппаратурой и подачей пара.
Значение применения автоклавов хорошо видно на примере реакции получения никелевого порошка: Ni(NH3)2SO4 + |H2| — Ni + (NH3)2SO4. Здесь символом |H2|p обозначен растворенный водород.
При 200° С по Этой реакции (она протекает как реакция 1-го порядка) половина никеля выделяется за 1 ч, при 250° С на это требуется всего 10 мин, а при 25° С 7 лет (или 61 320 ч). Реакция ускоряется при повышении температуры от 25 до 200° С в 7*365*24 1 = 61 320 раз. По этим данным можно вычислить среднее значение у в интервале 25—200° С. Ускорение в 61 320 раз равно yn. Ho здесь n = (200—25):10 = 17,5. Итак, у17,5 = 61 320. Отсюда 17,5tg у = lg 61 320 и у = 1,89. Если аналогично найти у для интервала 200—250° С, то получим значение 1,43. С ростом температуры коэффициент у уменьшается в соответствии с общей закономерностью.
Применение автоклавов — прогрессивное направление в цветной металлургии Они широко используются в производстве алюминия, вольфрама, никеля и получении порошков меди, никеля и кобальта.
Скорость гетерогенных реакций тоже зависит от температуры, но поскольку она определяется коэффициентом диффузии, то изменяется много меньше. Опыт показывает, что у для гетерогенных реакций равен 1,02—1,3 (часто 1,1—1,2). Некоторые гетерогенные реакции протекают по смешанному диффузионно-кинетическому режиму, и тогда у увеличивается до 1,4—1,8. Такова, например, реакция выщелачивания уральской алюминиевой руды — боксита. Для нее у = 1,8. Реакция начинается при 200° С и ее можно ускорить, располагая паром, нагретым до 240° С, примерно в 1,8 (230—200) : 10 G раз. При температуре 230° С реакция заканчивается за 2 ч, или 120 мин. Дальнейшее нагревание до 260° С может снизить время растворения до 120/6 = 20 мин. Этот процесс ведут в непрерывно работающей батарее автоклавов.