Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физико-химия металлургических систем и процессов»
.pdf
3067
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра металлургии
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам
по дисциплине «Физико-химия металлургических систем и процессов»
В.Г. МИХАЙЛОВ
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
УДК 669.05(07)
М 69
Рецензент - канд. техн. наук, доцент А.Н. Роготовский
Михайлов В.Г.
М 69 Методические указания к лабораторным работам по дисциплине
«Физико-химия металлургических систем и процессов» [Текст] / сост.
В.Г. Михайлов – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического
университета, 2014. – 35 с.
В методических указаниях представлено аппаратурное оформление и
порядок выполнения лабораторных работ по изучению реакций: газификации
углерода углекислым газом; диссоциации карбонатов; высокотемпературного
оксисления железа; восстановления оксидов железа; коррозии стали,
необходимые при выполнении лабораторного практикума по дисциплине
"Физико-химия металлургических систем и процессов".
Предназначены для студентов 2 курса металлургического института,
обучающихся по специальности 150101.65 «Металлургия чёрных металлов» и
направления 150400 «Металлургия», изучающих дисциплину «Физико-химия
металлургических систем и процессов».
Табл. 8. Ил. 9.
© ФГБОУ ВПО «Липецкий
государственный технический
университет», 2014
Содержание
Лабораторная работа № 1. Изучение реакций газификации углерода
углекислым газом………………………………………………………………...
4
Лабораторная работа № 2. Определение упругости диссоциации
карбонатов………………………………………………………………………...
9
Лабораторная работа № 3. Определение скорости высокотемпературного
окисления стали по цветам побежалости и химической стойкости оксидной
плёнки……………………………………………………………………………
15
Лабораторная работа № 4. Исследование процесса окалинообразования при
нагреве стальных заготовок……………………………………………………
22
Лабораторная работа № 5. Изучение процессов восстановления оксида
железа……………………………………………………………………………
26
Лабораторная работа № 6. Определение скорости коррозии стали………….
30
Стр.
3
Лабораторная работа № 1
Изучение реакций газификации углерода углекислым газом
Цель работы: исследование равновесия реакции газификации углерода
при разных температурах, опытное определение теплового эффекта реакции в
исследованном интервале температур и расчет кислородного потенциала.
Пояснения к работе
Реакция газификации твердого углерода происходит во всех
металлургических агрегатах, где находится уголь или кокс: в доменных печах,
вагранках, газогенераторах. Превращение твердого углерода в газообразный
монооксид углерода или разложение угарного газа с выделением сажистого
графита осуществляются по обратимой реакции, называемой также (по имени
первоисследователей) реакцией Будуара-Белла:
СО
2(газ)
+ С
= 2СО
(тв)
(газ)
, ΔН
0
= 172500 Дж/моль. (1)
298
Константа равновесия (Кр) — величина, определяющая для данной
химической реакции соотношение между термодинамическими активностями
(либо, в зависимости от условий протекания реакции, парциальными
давлениями, концентрациями или фугитивностями) исходных веществ и
продуктов в состоянии химического равновесия (в соответствии с законом
действующих масс). Константа равновесия реакции (1) имеет вид:
где РСО, Р
– парциальное давление СО и СО2 в газовой фазе, атм; Р
2
СО
(2)
– общее
общ
давление в системе, атм; %СО; %СО2 –содержание СО и СО2 в газовой фазе, %.
Как следует из этого выражения, при постоянной температуре (К = const)
увеличение давления в системе должно привести к уменьшению концентрации
СО и увеличению концентрации СO2.
Реакция газификации углерода идет с поглощением тепла (ΔH > 0) и, как
следует из уравнения изобары Вант-Гоффа:
4
(3)
где ΔН – изменение энтальпии, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная
8,314 Дж/(моль·К); T – температура.
Константа равновесия увеличивается с ростом температуры (так как
производная положительна), поэтому равновесная концентрация СО также
увеличивается.
Сделанные выводы являются частными случаями принципа смещения
равновесия (принципа Ле-Шателье): если на систему, находящуюся в
равновесии, оказывать внешнее воздействие, то в ней получают развитие
процессы, ослабляющие эффект внешнего воздействия.
Применяя принцип Ле-Шателье к реакции Будуара-Белла, получим, что
для более полного протекания реакции газификации необходимо увеличение
давления (так как равновесие смещается в сторону образования меньшего числа
газовых молей) и увеличение температуры (так как в системе развиваются
процессы, связанные с поглощением тепла).
Состояние равновесия в системе СО–СО2–Ств определяется в
соответствии с правилом фаз Гиббса двумя степенями свободы:
ЧСС = k + n - ф = 2 + 2 - 2 = 2, (4)
где ЧСС – число термодинамических степеней свободы, это общее число
параметров, которые можно произвольно менять в определенных пределах без
изменения числа фаз; k – число независимых компонентов системы, равное
числу участников процесса (общее число исходных веществ и продуктов
реакции) за минусом числа связей между ними (это количество протекающих в
системе химических реакций и других ограничений на состав системы);
n – число внешних факторов, обычно подразумевают 2 (давление и
температура); ф – число фаз (фаза – однородная область пространства)
Независимые переменные (давление и температура) однозначно
определяют зависимые величины – равновесные концентрации СО и СО2 в
газовой фазе. Равновесный состав в этом случае можно определить решением
5
системы уравнений. Так, например, при разбавлении газовой фазы азотом
необходимо совместное решение следующих уравнений:
, (5)
где N/O – концентрационный параметр, равный отношению количеств атомов
азота и кислорода в газовой фазе.
Решение системы уравнений относительно
приводит к
квадратному уравнению:
(6)
Как видно из этого уравнения, при разбавлении системы азотом
(увеличении N/О) отношение
уменьшается, что соответствует
смещению равновесия в сторону образования СО.
Тепловой эффект и равновесный состав газовой фазы в реакции БудуараБелла изменяются в зависимости от модификации углерода. Поскольку при
невысоких температурах (ниже 700оС) скорость реакции мала и равновесное
состояние может достигаться только за очень продолжительный период
времени, то в лабораторных экспериментах примененяют углерод с высокой
реакционной способностью (например, активированный уголь).
Активированный уголь – это углеродсодержащее (С=87-97%) вещество с
высоко развитой пористой структурой 500-1500 м2/г, получаемое из различных
материалов органического происхождения, за счёт нагрева без доступа воздуха
(до 1000оС) и последующей активации перегретым паром или углекислым
газом СО2 или их смесью при температуре 700-900°С в строго контролируемых
условиях, для получения специфической структуры пор и улучшения
адсорбционных свойств.
Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике
безопасности и получившие у преподавателя допуск на выполнение работы.
6
2. Категорически запрещается выполнять работу без принудительной
вентиляции лаборатории.
3. В ходе выполнения лабораторной работы необходимо соблюдать меры
предосторожности и не выполнять действий без уведомления сотрудника
кафедры.
Рис.1. Схема лабораторной работы для изучения реакции газификации углерода
Методика эксперимента и аппаратура
Реакцию газификации можно осуществить на установке, схема которой
представлена на рис. 1. В огнеупорной кварцевой трубке 3, вставленной в
электрическую печь сопротивления 1, находится активированный уголь 2.
Температура в реакционной зоне измеряется термопарой 4, подключенной к
вторичному регистрирующему прибору 5. В ходе опыта газ циркулирует по
7
замкнутой магистрали и последовательно проходит через слой раскаленного
Т,К
(%СО2)
равн
(%СО)
равн
К
lg K
Т1
активированного угля, фильтр очистки от угольной пыли 6, газоанализатор 7,
центробежный вентилятор 8.
1. Собрать лабораторную установку. Подать в систему СО2 с целью
удаления находящегося там воздуха. Для этого необходимо поставить
трехходовой кран 9 в положение «А», обеспечивающее соединение газовой
магистрали с атмосферой через гидрозатвор 12, а кран 10 открыть.
2. Включить газоанализатор 7, по которому контролировать содержание
СО2 в системе, при достижении концентрации 95% закрыть кран 10, а кран
9 поставить в рабочее положение «В», обеспечивающее образование
замкнутого газового контура.
3. Включить центробежный вентилятор 8, вторичный регистрирующий
прибор термопары 5 и газоанализатор 7.
4.Установить в реакционной зоне температуру Т1, контролировать
изменение
содержания СО2 в системе. После установления равновесия концентрация СО2
практически не изменяется, что служит указанием для проведения опыта при
более высокой температуре.
5. Повторить действия п.5 при Т2. Заполнить табл.1.
6. После установления равновесия при Т2 выключить печь 3,
центробежный вентилятор 8 и питание измерительных приборов 5, 7.
Таблица 1
Результаты проведения эксперимента
1. Дать краткое описание работы и привести схему лабораторной
установки.
2. Результаты наблюдений и расчетов представить по форме таблицы 1.
Содержание отчета по лабораторной работе
8
3. Используя найденные опытным путем значения констант равновесия
К1 и К2 при температурах Т1 и Т2, определить средний тепловой эффект реакции
0
(ΔН
.) для интервала (Т1,Т2)
ср
(7)
Рассчитать относительную и абсолютную ошибку вычисленного
теплового эффекта.
4. Пользуясь уравнением Кирхгофа
(8)
определить теоретический тепловой эффект реакции при средней температуре
опыта. После чего сравнить эту величину с экспериментальным значением.
Необходимые для расчёта термодинамические характеристики взять из
справочников.
5. Определить коэффициенты А и В в уравнении зависимости константы
равновесия от температуры
. (9)
6. Рассчитать кислородный потенциал (Дж/моль О2) при Т1 и Т2 по
формуле
. (10)
7. Определить абсолютные ошибки расчетов.
Лабораторная работа № 2
Определение упругости диссоциации карбонатов
Цель работы: измерение упругости диссоциации карбонатов (СаСО3, МgСО
FeCO3) и опытное определение тепловых эффектов диссоциации.
Пояснение к работе
Карбонаты двухвалентных металлов разлагаются при нагреве по
обратимой реакции общего вида
(11)
9
3,
Термодинамическое число степеней свободы в данной системе (ЧСС)
равнCO
РRTKRTG )ln(ln
2
0
равнCOфактCO
РРRTG )ln()ln(
22
2
CO
P
равно единице, и равновесное состояние определяется только одним внешним
параметром – температурой. Следовательно, каждой температуре соответствует
определенное равновесное парциальное давление СО2 (упругость диссоциации)
Константа равновесия реакции диссоциации карбоната в общем виде
(с учетом возможного образования твердых растворов) имеет следующий вид
(12)
Для системы, состоящей из чистых конденсированных фаз, взятых в
стандартном состоянии, термодинамические активности МеО и МеСО3 равны
единице
и константа равновесия совпадает с упругостью
диссоциации
(13)
Упругость диссоциации карбоната зависит от стандартных изменений
энергии Гиббса реакции:
(14)
и может служить мерой химической устойчивости карбоната при заданной
температуре. В соответствии с уравнением изотермы
, (15)
она характеризует наименьшее значение фактического давления углекислого
газа (Р
(Р
2
CO
)
CO
факт
)
, при котором карбонат сохраняет химическую устойчивость. При
2
факт
<(Р
CO
)
реакция (11) протекает в прямом направлении, так как ∆G<0.
2
равн
В результате преобразования уравнения (14) получается уравнение зависимости
упругости диссоциации карбоната от температуры
(16)
Анализ графической зависимости изотермы химической реакции (16)
представлен на рис. 2. Представленная зависимость показывает, что
диссоциация карбоната возможна, когда фактическое значение
меньше
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]