Лабораторный практикум по химической технологии неорганических веще

УДК 661.2/.6(076.5) Л12

Рецензенты:

д-р хим. наук, проф. С.Ф. Катышев (Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург);

канд. техн. наук, доц. Н.П. Углев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Лабораторный практикум по химической технологии Л12 неорганических веществ : учеб.-метод. пособие / С.В. Островский, В.А. Рупчева, О.В. Рахимова, О.А. Федотова; под ред. С.В. Островского. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед.

политехн. ун-та, 2013. – 159 с.

ISBN 978-5-398-01074-9

Представлены работы технологического характера, целью которых являются лабораторные исследования основных процессов технологии неорганических веществ. Рассмотрены теоретические закономерности процессов. Дано описание экспериментальных методов исследования, приведены схемы лабораторных установок, методики проведения исследований, рекомендации по обработке и анализу результатов экспериментов.

Предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Химическая технология неорганических веществ» направления 240100 «Химическая технология».

УДК 661.2/.6(076.5)

Глава 1 ТЕХНОЛОГИЯ ОСНОВНОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА

Работа 1. ОБЖИГ СЕРОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Цель работы – экспериментальное исследование влияния режимных факторов (температуры, состава газа, содержания серы в сырье, размера частиц) на скорость обжига, т.е. на зависимость степени выгорания серы от времени.

Теоретическая часть

Обжиг серосодержащего сырья является типовым процессом, применяемым в цветной металлургии в качестве первой стадии переработки концентрата цветного металла, в производстве серной кислоты при получении двуокиси серы и т.д. Закономерности, лежащие в основе этого процесса, справедливы для обжига любого сульфидного сырья: пирита FeS2, пирротина FenSn+1, халькопирита CuFeS2, медного блеска Cu2S, цинковой обманки ZnS и т.п. Скорость гетерогенного процесса, каким является обжиг сульфидных руд, зависит как от истинной скорости химической реакции на поверхности раздела фаз, так и от скорости подвода к поверхности и внутрь пор молекул кислорода и отвода газообразных продуктов обжига (внешняя и внутренняя диффузия). Суммарная скорость процесса определяется наиболее медленной стадией.

Рассмотрим закономерности обжига сульфидного сырья на примере обжига серного колчедана – одного из основных видов сырья для производства серной кислоты [1].

Многочисленными исследованиями установлено, что механизм процесса горения колчедана в значительной степени зависит от температуры его взаимодействия с кислородом. При низ-

4

ких температурах (до 300 °С) возможно протекание реакций с образованием сульфата железа:

FeS2+3O2→ FeSO4+SO2.

При более высоких температурах окисление пирита (основной составляющей серного колчедана) идет с воспламенением и преимущественно с образованием окислов железа. В этом случае первой стадией горения пирита является его термическая диссоциация с образованием сульфида железа и парообразной серы:

Взаимодействие односернистого железа с кислородом протекает с образованием в конечных твердых продуктах окиси и окиси-закиси железа по следующим уравнениям:

Одновременно процесс обжига следует рассматривать как ряд сложных кристаллохимических превращений, совершающихся в окислительной среде.

Суммарные реакции горения пирита (3), (4) являются необратимыми, так как величины стандартного изобарно-изотерми- ческого потенциала реакций при температуре 298 °С, рассчитанные по уравнению Улиха

∆G2980 = ∆H2980 – T·∆S0298 ,

имеют следующие значения: для реакции (3) ∆G2980 =

= –768280 кал/моль, для реакции (4) ∆G2980 = –554160 кал/моль. Константы равновесия этих реакций, найденные из уравне-

ния изотермы при температуре 1000 К имеют следующие величины: для реакции (3) Кр = 10,01297, для реакции (4) Кр = 10,0935.

5

Полученный результат говорит о необратимости реакций (3), (4), следовательно, в этом случае полнота выгорания серы из колчедана будет зависеть исключительно от скорости процесса.

Исследования кинетики горения пирита показали, что при низких температурах скорость химической реакции меньше скорости диффузии. При этом скорость подвода молекул кислорода из газовой фазы к поверхности раздела фаз не тормозит процесса окисления. Следовательно, процесс протекает в кинетической области. При высоких температурах скорость химической реакции становится больше скорости диффузии. Поэтому подвод молекул кислорода к поверхности начинает определять суммарную скорость реакции.

Таким образом, процесс горения колчедана является сложным гетерогенным химическим процессом, протекающим в системе твердое тело – газ.

Скорость этого процесса является функцией температуры Т, размера реакционной поверхности (F) и концентрации кислорода в зоне горения CO 2 .

r = f (T, F,CO 2 ),

где r – скорость горения сернистого железа. Экспериментальные данные позволили найти следующие

частные зависимости:

r= k·F n · COm2 , k = k0 · e−E / RT

ивывести общую форму для времени горения сернистого железа [2]:

где τ – время горения, мин;

d – средний диаметр частиц колчедана, мм;

α – заданная степень выгорания серы, доли единиц; Е – кажущаяся энергия активации, кал/моль;

CO2 – концентрация кислорода в зоне обжига;

6

F – поверхность обжига;

т, п – константы, зависящие от условий обжига. Вывод уравнения приведен в литературе [3].

Печи для обжига колчедана по конструктивным особенностям подразделяются на следующие типы: механические полочные; с кипящим слоем; комбинированные (с верхней подачей колчедана и кипящим слоем). Все печи являются аппаратами непрерывного действия, по тепловому эффекту – экзотермическими реакторами. Выделяющееся тепло перекрывает собственную потребность, поэтому его необходимо отводить.

Наибольшее промышленное применение для обжига флотационного серного колчедана получили печи с кипящим слоем (КС). В этих печах достигается максимальная интенсивность обжига и наиболее высокая концентрация SO2 в обжиговом газе (до 15 %). Обжиг серосодержащего сырья в кипящем слое имеет следующие преимущества:

1)высокая дисперсность обжигаемого материала, что резко уменьшает внутридиффузионное сопротивление и обеспечивает развитие поверхности соприкосновения фаз F;

2)турбулентное омывание всех частиц потоком воздуха;

3)возможность снижения избытка воздуха, в результате чего повышается концентрация SO2 в газе;

4)высокая теплопроводность взвешенного слоя (тепло передается с большой скоростью – конвективным движением частиц), что позволяет регулировать температуру размещением непосредственно в слое теплоотводящих элементов;

5)подвижность и текучесть материала во взвешенном слое, что облегчает выгрузку огарка из печи.

Процесс обжига в печах взвешенного слоя легко регулируется и может быть полностью автоматизирован. Основным недос-

татком печей КС является большой пылеунос и, следовательно, высокая запыленность печного газа (до 300 г/м3), что сильно усложняет аппаратуру для очистки газа от пыли.

7

Практическая часть

Описание установки и методика проведения работы

Кинетику обжига сульфидных материалов в слое изучают на лабораторной установке периодического действия (рис. 1).

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 – поглотительная склянка; 2 – трубчатая печь; 3 – осушитель воздуха; 4 – реометр;

5 – бюретка с раствором гидроксида натрия

Лабораторная установка для изучения обжига в слое состоит из реакционной трубки, изготовленной из кварца и помещенной в горизонтальную трубчатую печь 2. В реакционной трубке размещена фарфоровая лодочка с навеской сульфидного материала. Воздух в печь подается воздуходувкой и его расход замеряется реометром 4. Температура в печи поддерживается автоматически. Обжиговый газ из реакционной трубки для поглощения SO2 барботирует через 3%-ный раствор перекиси водорода, находящийся в поглотительном сосуде 1. Анализ газа на содержание в нем SO2 производится с помощьюбюретки 5 для непрерывного титрования.

Порядок проведения работы

После предварительного ознакомления с материалом для выполнения лабораторной работы и беседы с преподавателем студент получает задание на проведение лабораторной работы.

Задание 1. Изучить влияние температуры на скорость обжига. Преподаватель выдает колчедан определенного гранулометрического состава с известным содержанием серы С(S), а также зада-

8

ет несколько значений температур (4 или 5), при которых изучается скорость горения колчедана.

Задание 2. Изучить влияние гранулометрического состава колчедана на скорость его горения. Преподаватель задает постоянное значение температуры опытов и несколько значений размеров частиц колчедана (4–5) с известным химическим составом и содержанием в нем серы.

Задание 3. Изучить влияние расхода воздуха на скорость обжига колчедана. Преподаватель задает значение температуры и гранулометрического состава постоянными, исследование проводится при различном расходе воздуха (4–5).

После получения задания приступают к подготовке лабораторной установки для проведения опытов. Для этого все соединения установки проверяют на герметичность: зажимами перекрывают трубку на входе воздуха в систему, на выходе газа из системы подключают аспиратор. Если система герметична, то вода из аспиратора вытекать не должна. В случае отсутствия герметичности обнаруживают неплотность путем исключения частей установки. Обнаруженную неплотность устраняют и установку снова проверяют на герметичность.

Для проведения работы включают обогрев печи, затем включают воздуходувку, устанавливают заданный расход воздуха. На аналитических весах берут навеску сульфидного материала в фарфоровую лодочку. Через некоторое время, когда в реакционной трубке установится заданный гидродинамический режим и необходимая температура, в трубку с помощью специального толкателя со стороны входа воздуха вставляют лодочку с образцом, помещая ее строго по центру печи. Закрывают реакционную трубку пробкой и включают секундомер. Обжиговый газ направляют на анализ в поглотительную склянку. При прохождении обжигового газа через поглотитель, в который предварительно заливается раствор перекиси водорода, индикатор и отмеренное с помощью бюретки определенное количество раствора щелочи, окраска индикатора изменяется. Момент изменения окраски от-

9

мечают по секундомеру. В поглотительную склянку вновь добавляют с помощью бюретки определенное количество раствора щелочи и снова момент изменения окраски раствора в поглотительной склянке отмечают по секундомеру. Опыт продолжают либо до полного выделения серы, либо по истечении заданного времени от начала опыта. Все показания и исходные данные записывают в табл. 1.

Таблица 1

Результаты экспериментов

Затем изменяя начальные условия (температуру, крупность частиц, состав газовой смеси и т.п.), исследования повторяют. По окончании работы установку отключают.

Обработка результатов лабораторных исследований

Результаты опытов выражают графически в виде кривых зависимости степени выгорания серы от времени при различных условиях. Для этого производят расчеты количества образовавшегося SO2 при выгорании серы за определенный промежуток времени по формуле

GSO2 = 0,0032·VNaOH·K,

где VNaOH – количество 0,1 N раствора щелочи, пошедшей на титрование, см3;

0,0032 количество SO2 (г), соответствующее 1 см3 раствора 0,1 N раствора щелочи;

K – поправочный коэффициент к нормальности раствора едкого натрия.

10