» » Теоретические основы конденсации паров цинка
29.05.2015

Вопрос конденсации цинковых паров в металл является сложнейшим и важнейшим в металлургии цинка. Зависимость упругости пара цинка от температуры выражается уравнением Манера.
Теоретические основы конденсации паров цинка

Каждой температуре соответствует определенная равновесная упругость паров цинка, выражаемая кривой, приведенной на рис. 3.
Парциальное давление паров цинка, полученных восстановлением окиси цинка углеродом, не может превышать 0,5 ат, и точка росы для этих условий соответствует 850°. Чем более разбавлены пары цинка газами, тем ниже температура их конденсации. Такое запаздывание начала конденсации нежелательно, так как в непосредственной близости к температуре 419° цинк перестает конденсироваться в виде жидкого металла. Переработка бедных по содержанию цинка концентратов обусловливает понижение парциального давления паров цинка, что ухудшает условия конденсации.
При конденсации из паров образуются капли жидкости, выделяется скрытая теплота парообразования и совершается работа образования поверхности капли.
Теоретические основы конденсации паров цинка

Общее изменение энергии системы Δu выражается уравнением
Теоретические основы конденсации паров цинка

В начальной стадии рост капли до некоторого критического радиуса сопровождается увеличением энергии конденсируемого вещества. Капля с критическим радиусом находится в равновесии с паром; при росте капли процесс сопровождается уменьшением энергии и течет самопроизвольно. Гиббс назвал такую каплю «зародышем» и работу его образования выразил формулой
Теоретические основы конденсации паров цинка

Если молекулы вещества, находящегося в парообразном состоянии, образуют при температуре, лежащей ниже точки росы, каплю меньше равновесного зародыша, то эта капля испарится. Расти и укрупняться будут только капли, более крупные, чем равновесные зародыши.
Неустойчивость мелких капель связана с большей величиной упругости пара над их поверхностью по сравнению с упругостью пара над плоской поверхностью.
Зависимость упругости пара от радиуса кривизны поверхности, над которой он находится, выражается уравнением Кельвина:
Теоретические основы конденсации паров цинка

Пар, насыщенный по отношению к плоской поверхности, не насыщен по отношению к капле радиусом r, и над бесконечно малой каплей упругость его бесконечно велика.
В связи с тем, что расплавленный цинк имеет большой коэффициент поверхностного натяжения, равновесные капли его крупнее равновесных капель воды и на образование их необходимо затратить гораздо большую работу.
Величина равновесной капли, конденсированной на поверхности, много меньше, чем величина свободно возникшей равновесной капли. Соответственно и работа образования капли на поверхности меньше, чем работа образования свободной капли. На поверхности конденсация идет быстрее, чем в свободном объеме пара, и начинается при меньших пересыщениях. На выпуклой поверхности конденсация идет легче, чем на плоской, причем эффект тем выше, чем меньше радиус кривизны поверхности.
В процессе конденсации часть цинка образует некоторое количество пусьеры-пыли, состоящей из мельчайших капель цинка, застывающих без слияния друг с другом. Образование пусьеры имеет двоякую природу. При конденсации цинка на поверхности образующихся капель осаждаются твердые, нерастворимые в цинке, вещества (окись цинка, рудная пыль, возгоны других металлов и пр.), прочно удерживаемые за счет поверхностного натяжения и препятствующие слиянию капель. Образующаяся при этом пыль называется химической пусьерой. В то же время конденсация может протекать при столь резком охлаждении паров, что образующиеся мельчайшие капли не успевают слиться до затвердевания. Чем беднее газы цинком и чем, следовательно, ниже точка росы, тем больше возможностей для образования цинковой пыли, называемой физической пусьерой. Такая пусьера может быть в значительной степени превращена в жидкий цинк энергичным перемешиванием при температуре выше точки плавления. Однако перемешивание неизбежно связано с некоторым окислением частиц пыли и образованием химической пусьеры.
Из сказанного явствует, что для конденсации с максимальным выходом жидкого цинка необходимо охладить цинковые пары до наиболее низкой температуры, которая, однако, должна быть выше температуры реакции обратного окисления. Этому требованию удовлетворительно отвечает непрерывно действующий конденсатор, способный длительное время работать при постоянных и оптимальных условиях.