Влияние температуры на скорость процессов в диффузионной области

Среди химико-технологических процессов подавляю­щее большинство представляют собой гетерогенные многофазные процессы, проходящие в несколько стадий. Наиболее медленной стадией большинства твердофазных процессов является стадия диффузии. Поэтому интенси­фикация процессов, протекающих в диффузионной обла­сти, сводится к увеличению скорости диффузии исходных веществ и продуктов реакции. На скорость диффузии влияет много факторов: вязкость, плотность, температу­ра, давление; скорости потоков взаимодействующих фаз, интенсивность перемешивания; конструкционные особен­ности аппарата, поверхность контакта фаз, время контак­тирования и т. д.

В однородной (гомогенной) среде влияние темпера­туры на коэффициент диффузии невелико.

Коэффициент диффузии для газов составляет 0,1 — 1 см²/с. Для различных газов этот коэффициент диффу­зии очень незначительно (1,5 — 2 раза) зависит от темпе­ратуры. Диффузия в жидкостях протекает медленнее, чем в газах, и коэффициенты диффузии большинства жидко­стей составляют 10~⁴ —10~⁵ см²/с. Повышение темпера­туры заметно увеличивает коэффициент диффузии в жид­костях (в том числе за счет уменьшения вязкости).

Наиболее медленна диффузия в твердых телах, где коэффициент диффузии составляет 1 см²/год — 1 см²/век. Повышение температуры увеличивает подвижность твердых частиц, ускоряет переход диффундирующего атома из одного положения в другое. Например, для ок­сидов типа FeO, CaO, MgO в интервале температур 1000—1500°С коэффициент диффузии изменяется в пре­делах 10^-8 — 10^-14 см²/с, а диффузия углерода в железо при термической обработке металлов при температуре 900—1000 °С происходит за несколько часов. Из курса молекулярной физики известно, что влияние темпера­туры на скорость диффузии меньше, чем на скорость хи­мических превращений.

При высоких температурах, когда скорость химиче­ской реакции велика, определяющим и сдерживающим фактором становится скорость диффузии; например при газификации топлива, обжиге сульфидных руд повыше­ние температуры переводит процесс из кинетической в диффузионную Область. Поэтому так важно интенсифи­цировать твердофазные процессы, протекающие в диффу­зионной области, не только традиционными вышеопи­санными способами ускорения диффузии, но и измене­нием фазового состояния с помощью увеличения темпе­ратуры.

При изменении фазового состояния (расплавление, возгонка и др.) происходит резкое увеличение скорости диффузии и интенсификация процесса в целом. Возникно­вение небольших количеств жидкой фазы в таких процес­сах, как спекание, обжиг при производстве керамики, це­мента, глинозема, ферритовых материалов, приводит к значительному возрастанию коэффициентов диффузии и поверхности контакта фаз, что в свою очередь может перевести процесс в переходную область (где скорости химических превращений и диффузии сопоставимы) и за­тем в кинетическую область, в результате чего оконча­тельно завершаются химические реакции и формируется окончательный продукт. Появление газовой фазы в до­менном процессе и при газификации твердого топлива также переводит процесс, прежде идущий в диффузион­ной области, в кинетическую.

Таким образом, повышение температуры следует рас­сматривать не столько как фактор, ускоряющий процесс в диффузионной области, но и как средство перевода ге­терогенных систем в гомогенные, а твердофазных — в жидко- и газофазные.