Методичка ОХТ. Практикум для студентов специальностей 148 01 01 Химическая технология производства и переработки неорганических материалов
 Скачать 0.72 Mb.
|
3.3.1. Общие положенияОбжиг сульфидных руд – типичный гетерогенный процесс в системе Г:Т, который можно описать моделью с фронтальным перемещением зоны реакции. В соответствии с этой моделью процесс включает ряд диффузионных стадий и саму химическую реакцию. Закономерности, лежащие в основе этого процесса, справедливы для обжига любого сульфидного сырья. Чаще всего в химической промышленности обжигу подвергают серный колчедан с целью получения сернистого газа для производства серной кислоты. Главной составной частью серного колчедана является дисульфид железа FeS2, который встречается в виде минерала пирита и реже марказита. Кроме FeS2 природный серный колчедан содержит ряд примесей (соединения меди, цинка, свинца, кремния, мышьяка, селена, фтора и др.). Массовая доля серы в чистом дисульфиде железа составляет 53,44%. Процесс горения пирита можно представить следующей суммарной реакцией: 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2, H0298 = – 3372 кДж. Реакция необратимая, протекает с выделением тепла. Наряду с FeS2 сгорают и сульфиды других металлов, содержащиеся в колчедане. Их оксиды, а также кварц, некоторые алюмосиликаты вместе с оксидом железа и неразложившимся пиритом образуют твердый огарок. Общая скорость процесса определяется скоростью диффузии газов в порах слоя огарка. В неподвижном слое горение пирита протекает во внутридиффузионной области. Скорость процесса горения пирита описывается кинетическим уравнением V = K F C, где К – коэффициент скорости; F – поверхность твердой фазы; C – движущая сила процесса. Для увеличения движущей силы процесса необходимо повышать концентрацию пирита в колчедане путем флотационного обогащения. Можно повысить концентрацию кислорода в зоне обжига путем применения кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, но такой путь увеличения C дорогой, и поэтому почти не используется. На практике применяют избыток воздуха в 1,5–2,0 раза от теоретически необходимого количества. Коэффициент скорости может быть увеличен разными путями (применением интенсивного перемешивания, увеличением скорости газового потока или температуры) в зависимости от области протекания процесса, которая определяется как условиями обжига, так и устройством реакторов (печей, в которых осуществляется процесс). Когда процесс протекает в кинетической области, необходимо увеличивать температуру обжига. Но следует заметить, что при 850–1000С наблюдается спекание колчедана, что приводит к уменьшению поверхности взаимодействия фаз. Уменьшение размера частиц материала, достигаемое тонким измельчением колчедана, увеличивает поверхность взаимодействия фаз. На практике применяют тонко измельченный флотационный колчедан с размером частиц 0,03–0,30 мм. Одним из эффективных путей увеличения коэффициента массопередачи и поверхности взаимодействия является усовершенствование конструкций печей обжига колчедана. 3.3.2. Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы Схема установки представлена на рис. 5. Для обжига колчедана в неподвижном слое используется горизонтальная трубчатая печь 4 с электрообогревом, в кварцевую трубку которой помещается лодочка 5 с навеской колчедана. Температура в печи измеряется с помощью термопары и регулируется с помощью автоматического потенциометра 6. Воздух подается в печь компрессором, объемный расход воздуха измеряется реометром 3 и регулируется краном 1. Газовая смесь, выходящая из печи, направляется на анализ для определения содержания SO2 через распределитель 7 в поглотительные склянки (дрекселя) 8, в которых находится точное количество 0,1 н раствора йода. Рис. 5. Схема лабораторной установки: 1 − вентиль; 2 − торзионные весы; 3 − ротаметр; 4 − трубчатая печь; 5 − фарфоровая лодочка; 6 − регулирующий потенциометр; 7 − распределительная гребенка; 8 − поглотительные склянки; 9 − емкость с 0,1 н раствором Na2S2O3; 10 − бюретка для титрования Порядок выполнения работы Перед началом работы включите печь, затем проведите взвешивание навески колчедана и подготовьте поглотительные склянки с раствором йода. Взвешивание колчедана производится в фарфоровой лодочке на аналитических весах 2 с точностью до 0,0002 г. Необходимая масса рассчитывается исходя из заданного количества серы в навеске (по заданию преподавателя) и ее содержания в колчедане. После этого в поглотительные склянки наливают по 10 мл 0,1 н раствора йода и 150 мл дистиллированной воды. Количество поглотительных склянок определяется исходя из общего содержания серы в навеске колчедана. После достижения заданной температуры в печи включите компрессор, быстро поместите лодочку с колчеданом в центр печи и плотно закройте отверстие трубки пробкой, с которой соединен стеклянный распределитель 7. Затем откройте один из кранов распределителя и очень быстро установите вентилем 1 заданный расход воздуха по реометру 3. Начало пропускания газа через поглотительную склянку зафиксируйте секундомером как начало опыта. Анализ газовой смеси, выходящей из печи, производится непрерывно, последовательным пропусканием ее при помощи системы кранов через поглотительные склянки с раствором йода до полного его обесцвечивания. После полного обесцвечивания раствора в склянке быстро переключайте кран для подачи газа в следующую склянку. При этом фиксируйте время обесцвечивания каждой склянки. Остаток раствора йода в последней склянке, который не обесцветился в течение 10 мин, оттитруйте 0,1 н раствором тиосульфата натрия. После завершения серии опытов выключите печь, компрессор, достаньте лодочку из печи и поместите ее на фарфоровую подставку. Охлажденную лодочку взвесьте на аналитических весах. 3.3.3. Расчет показателей процесса обжига сульфидных руд по экспериментальным данным По результатам эксперимента рассчитывают коэффициент избытка воздуха и основные технологические показатели процесса степень Хs и скорость vs выгорания серы из колчедана. Коэффициент избытка воздуха рассчитывают по формуле = Vп / Vт, (38) где Vп практический объем воздуха, прошедший через печь за время опыта, мл; Vт теоретический объем воздуха, который необходим для полного выгорания серы из навески колчедана, мл. Практический расход воздуха определяют исходя из опытных данных объемного расхода воздуха и общего времени пропускания его через печь. Теоретический объем воздуха определяют исходя из содержания серы в колчедане по уравнению 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2. При этом принимают, что вся сера в колчедане содержится в виде FeS2. Скорость выгорания серы vs за промежуток времени tрассчитывают по формуле vs = Mst / t, (39) где Mst масса серы, которая выгорела за промежуток времени t, мг; t продолжительность выгорания серы (время обесцвечивания одного дрекселя), с. Масса серы, которая выгорела за промежуток времени t, рассчитывается по реакции взаимодействия диоксида серы с йодом SO2 + I2 + 2H2O = H2SO4 + 2HI. В соответствии с законом эквивалентов, количество йода, моль экв, которое обесцветилось в поглотительной склянке, равно количеству диоксида серы, моль экв, вступившего в реакцию, а следовательно, и количеству серы, моль экв, поскольку при горении серы образуется эквивалентное количество SO2. Исходя из этого, массу серы, мг, соответствующую обесцвечиванию одного дрекселя можно рассчитать по формуле Mst = VJ NJ Ms fэкв 1000, (40) где VJ объем раствора йода с концентрацией NJ, добавленный в поглотительную склянку, л; NJ нормальная концентрация раствора йода, моль экв/л; Ms малярная масса серы, г/моль; fэкв фактор эквивалентности SO2. Степень выгорания серы Xs рассчитывают по формуле Xs = Мst / Msн, (41) где Мst масса серы, которая сгорела к моменту времени t, мг; Msн масса серы в навеске колчедана, взятой для опыта, мг. Экспериментальные данные и результаты расчетов сводятся в табл. 6. 3.3.4. Задание к лабораторной работе
|