При высоких содержаниях водорода в исходной смеси реакция водяного газа служит как бы поставщиком оксида углерода, при низких содержаниях водорода— поставщиком последнего.
Реальные руды имеют сравнительно высокую пористость, поэтому парциальное давление восстановителя меняется в пределах частицы, а реакционная поверхность определяется доступностью зерен газу-восстановителю. В этих условиях, по исследованиям Д. И.Рыжонкова, измельчение частиц железорудного материала в определенных пределах не будет сказываться на протяженности зоны реагирования. Исследование влияния температуры на кинетику восстановления в слое частиц показало, что необходимо учитывать воздействие температуры на термодинамические и кинетические параметры процесса восстановления. Равновесные характеристики для водорода и оксида углерода при восстановлении вюстита изменяются в противоположных направлениях (см. рис. 4), а константы скорости растут в обоих случаях. Наложение тенденций увеличения (для H2) и уменьшения (для СО) степени использования восстановительной способности с ростом температуры будет определять суммарное количество кислорода, отнимаемого от оксида с изменением температуры.
При восстановлении в слое смеси различных оксидов Д. И.Рыжонковым и другими исследователями показано, что с точки зрения скорости восстановления и улучшения степени использования восстановителя целесообразно получать столб 92 шихты не из равномерно смешанной шихты, а из отдельных слоев в соответствии с их восстановимостью (от наиболее хрудновосстановимого на входе газа — к легковосстановимому на выходе).
Кинетические закономерности слоевого восстановления обобщены Н. Л.Гольдштейном. В качестве модели предложен цилиндр (рис. 17), заполненный слоем кусков оксидов. Снизу поступает газ-восстановитель. Между ним и оксидами протекает обратимая реакция одноступенчатого восстановления первого порядка по концентрации восстановителя. Реакция в каждом элементарном слое протекает с постоянной скоростью. Тогда
Da/dr = k(N‘„ – N‘) = k(N – Np) = ArAAr1 (118)
Где do — количество продуктов восстановления (CO2 или H2O), образующихся в единице объема слоя за время dr пребывания газа в элементарном слое d/; к — отнесенная к единице объема слоя наблюдаемая константа скорости; Ntp и N’ — равновесная и фактическая концентрация окислителя; Np и N – то же, для восстановителя.
Величина da связана с приращением концентрации dN’ за время dr соотношением
Da = vrdAT, (119)
Где vr— количество газа, отнесенное к единице объема слоя.
Поскольку обсуждаемые реакции идут без изменения объема, время т и путь / пропорциональны друг другу (т. е. при постоянной температуре по высоте цилиндрического реактора):
Dx/xL = dl/L =