13

2.ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Вхимической промышленности широко применяются некаталитические процессы в системе «газ – твердое» (Г - Т). Наиболее характерны для таких сис-

тем обжиг твердых материалов и адсорбционные процессы.

Обжиг – высокотемпературный химико-технологический процесс с участием твердого и газообразного реагентов. При обжиге могут происходить возгонка, пи-

ролиз, диссоциация, частичное плавление, кальцинация.

Одно из основных превращений при обжиге– термическая диссоциация твердых веществ.

При изучении скорости процессов, протекающих в системе Г-Т, в частности кинетики обжига твердых материалов, часто принимают за основу модель сфери-

ческой частицы с непрореагировавшим ядром. Согласно этой модели химическая реакция сначала происходит на поверхности твердой частицы, а затем постепенно проникает в глубь частицы с образованием слоя твердых пористых продуктов ре-

акции («золы»). Элементарные стадии процесса следующие:

1)диффузия газообразного реагента из потока газа к твердой поверхности;

2)внутренняя диффузия газообразного реагента через слой «золы»;

3)химическая реакция на поверхности твердого реагента;

4)диффузия газообразных продуктов реакции через слой«золы»;

5)внешняя диффузия газообразных продуктов в ядро газового потока.

Поскольку все элементарные стадии взаимодействия Г-Т идут последова-

тельно, общая скорость процесса определяется скоростью самой медленной(ли-

митирующей) стадии. Лимитирующую стадию процесса можно определить экс-

периментально, находя зависимость степени превращения или скорости от време-

ни контакта, размеров частицы или температуры.

2.1. Обжиг сульфидных руд

Обжиг сульфидных руд относится к тепловым процессам, применяемым в цветной металлургии в качестве первой стадии переработки концентрата цветного металла, в производстве серной кислоты и целлюлозы для получения диоксида

14

серы и т.п. Закономерности, лежащие в основе этого процесса, справедливы для обжига любого сульфидного сырья: пирита FeS2, пирротита Fe7S8, халькопирита

CuFeS2, медного блеска Cu2S, цинковой обманки ZnS и т.д. Общая скорость обжи-

га сульфидных руд при температурах выше 600˚С лимитируется диффузионными стадиями подвода реагентов (кислорода воздуха) и отвода продукта (диоксида се-

ры) из зоны реакции. Химические реакции, сопровождающие обжиг колчедана в неподвижном слое, можно выразить следующим суммарным уравнением, приме-

няемым для материальных расчетов этого процесса:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + Q.

Фактически при обжиге сульфидных руд происходит целый ряд последова-

тельных и параллельных реакций, ход которых определяется температурой. Все эти реакции в целом протекают необратимо. При нагревании в печи выше500°С

происходит быстрая диссоциация термодинамически неустойчивого соединения: 2FeS2 = 2FeS + S2

Выделившаяся сера быстро сгорает: S2 + 2О2 = 2SO2

Выше 600˚С окисление сульфида железа происходит по суммарному уравне-

нию

4FeS + 7О2 = 2Fe2O3 + 4SO2 + Q

через ряд стадий с последовательным образованием FeO, а затем Fe2O3 и Fe3O4. В

результате каталитического действия оксидов железа в печи образуется неболь-

шое количество триоксида серы SO3 за счет окисления SO2.

Газ обжига колчедана содержит в зависимости от типа печи SO2 – 7 - 13%,

О2 – 4 - 11%, SO3 – до 0,5% и азот.

Твердый остаток обжига – огарок состоит из оксидов железа Fe2O3, Fe3O4

и содержит 0,5 - 2% невыгоревшей серы.

Оптимальные условия обжига колчедана определяются кинетикой диффузии реагентов к поверхности взаимодействия фаз и могут быть рассчитаны из общего кинетического уравнения массопередачи:

								15
					U =	dGSO	2		= K M × F × DC ,
						dt
	где	U	=	dG SO2	- общая скорость обжига, выраженная дифференциалом
				dt

количества продукта во времени;

КМ – коэффициент массопередачи;

F – величина межфазной поверхности всех частиц;

∆С – движущая сила обжига, зависящая от концентрации кислорода в воздухе и содержания серы в колчедане.

Цель работы: исследовать влияние режимных факторов(температуры, из-

бытка воздуха, размера частиц) на скорость обжига.

Описание установки и методика проведения работы

Кинетику горения колчедана в неподвижном слое исследуют на лаборатор-

ной установке, схема которой приведена на рис.2.

Рис.2. Схема установки для обжига колчедана в неподвижном слое:

1 – склянка Дрекселя; 2 – реометр; 3 – термопара; 4 – автоматический тер-

морегулятор; 5 – лодочка; 6 – трубчатая печь

Для обжига используют горизонтальную трубчатую печь6 с электрообогре-

вом. В трубку печи помещается лодочка5 с навеской колчедана. Температура в

16

печи замеряется с помощью термопары3 и автоматически регулируется автотер-

морегулятором 4. Воздух для обжига колчедана протягивается через всю установ-

ку при помощи насоса. Объемная скорость воздуха замеряется реометром2,

предварительно отградуированным при комнатной температуре. Газ после печи поступает в поглотительную склянку Дрекселя1, содержащую отмеренное коли-

чество раствора йода.

Для проведения опытов заданную навеску колчедана, взвешенную с точно-

стью до 0,01 г, засыпают в лодочку 5, которую после достижения требуемой тем-

пературы осторожно вносят в печь 6 по возможности ближе к концу термопары 3.

После этого быстро и плотно закрывают отверстия трубки пробками. Далее вклю-

чают насос при открытом зажиме реометра2. Устанавливают с помощью зажима необходимую скорость подачи воздуха, которую контролируют по реометру2.

Начало пропускания газа через поглотительную склянку фиксируют секундоме-

ром как начало опыта.

Анализ печного газа производят непрерывно, последовательно пропуская его через 5 поглотительных склянок с отмеренным количеством раствора йода до обесцвечивания раствора. При этом фиксируется время обесцвечивания каждой склянки. Если раствор йода в склянке через 5 минут не обесцветился, переключа-

ют печной газ в другую поглотительную склянку, переливают отработанный рас-

твор в коническую колбу и оттитровывают избыток йода, не связавшийся с SO2

0,1 н раствором тиосульфата натрия. Количество раствора йода, необходимое для опыта, определяется преподавателем. Исходную концентрацию йода необходимо определить титрованием 0,1 н раствором тиосульфата натрия. Для титрования бе-

рут 10 мл раствора йода. Расчет концентрации раствора йода ведут по формуле

Nйода.Vйода = Nтиос.Vтиос,

где Nйода – нормальность раствора йода;

Vйода – объем раствора йода, взятый для титрования, мл;

Nтиос– нормальность раствора тиосульфата натрия (0,1 н);