Высокотемпературные процессы

В химической промышленности широко применяются некаталитические процессы в системе газ – твердое (Г - Т). Наиболее характерны для таких систем обжиг твердых материалов и адсорбционные процессы.

Обжиг – высокотемпературный химико-технологический процесс с участием твердого и газообразного реагентов. При обжиге могут происходить: возгонка, пиролиз, 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 сферической 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 реакции («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 последовательно, общая скорость процесса определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии. Лимитирующую стадию процесса можно определить экспериментально, находя зависимость степени превращения или скорости от времени контакта, размеров частицы или температуры.

 

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 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 обжига сульфидных руд при температурах выше 600˚С лимитируется диффузионными стадиями подвода реагентов (кислорода воздуха) и отвода продукта (диоксида серы) из зоны реакции. Химические реакции, сопровождающие обжиг колчедана в неподвижном слое, можно выразить следующим суммарным уравнением, применяемым для материальных расчетов этого процесса:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

Фактически при обжиге сульфидных руд происходит целый ряд последовательных и параллельных реакций, ход которых определяется температурой. Все эти реакции в целом протекают необратимо. При нагревании в печи выше 500˚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 уравнению:

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 небольшое 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:

- общая скорость обжига, выраженная дифференциалом

количества продукта во времени;

К_М – 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, избытка воздуха, размера частиц – на скорость обжига.