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 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;
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, избытка воздуха, размера частиц – на скорость обжига.
Описание установки и методика проведения работы
Кинетику горения колчедана в неподвижном слое исследуют на лабораторной 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 терморегулятор, 5 – лодочка , 6 – трубчатая печь
Для обжига используют горизонтальную трубчатую печь 6 с электрообогревом. В трубку печи помещается лодочка 5 с навеской колчедана. Температура в печи замеряется с помощью термопары 3 и автоматически регулируется автотерморегулятором 4. Воздух для обжига колчедана протягивается через всю установку при помощи насоса. Объемная скорость воздуха замеряется реометром 2, предварительно отградуированным при комнатной температуре. Газ после печи поступает в поглотительную склянку Дрекселя 1, содержащую отмеренное количество раствора йода.
Для проведения опытов заданную навеску колчедана, взвешенную с точностью до 0,01 г. засыпают в лодочку 5, которую после достижения требуемой температуры осторожно вносят в печь 6 по возможности ближе к концу термопары 3. После этого быстро и плотно закрывают отверстия трубки пробками. Далее включают насос при открытом зажиме реометра 2. Устанавливают с помощью зажима необходимую скорость подачи воздуха, которую контролируют по реометру 2. Начало пропускания газа через поглотительную склянку фиксируют секундомером 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, переключают печной газ в другую поглотительную склянку, переливают отработанный раствор в коническую колбу и оттитровывают избыток йода, не связавшийся с SO2 0,1 н раствором тиосульфата натрия. Количество раствора йода, необходимое для опыта, задается преподавателем. Исходную концентрацию йода необходимо определить титрованием 0,1Н раствором тиосульфата натрия. Для титрования берут 10 мл раствора йода. Расчет концентрации раствора йода ведут по формуле:
NI2 VI2=NNa2S2O3.V Na2S2O3
NI2 – нормальность раствора йода;
VI2 – объем раствора йода, взятый для титрования, мл
N Na2S2O3 – нормальность раствора тиосульфата натрия (0,1 н)
V Na2S2O3– объем тиосульфата натрия, пошедший на титрование, мл
Изменяя по заданию преподавателя начальные условия опыта, повторяют опыт с новой навеской колчедана.