Рекомендуемая литература

1. Практикум по общей химической технологии /Под ред. И.П. Мухленова. - М.: Высшая школа, 1979. - С.72-88.

2. Общая химическая технология /Под ред. И.П. Мухленова. - М.: Высшая школа, 1977; 1984. Т.2. - С.145-181.

3. Кутепов А.М. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1985.– С.216-236.

Работа № 4. Обжиг серного колчедана

Цель работы: ознакомление студентов с процессами обжига руд и методами определения оптимальных условий проведения процесса. Отработка навыков математической обработки результатов эксперимента.

4.1 Теоретические сведения

Колчеданы – общее название руд, состоящих преимущественно из сернистых (сульфидных) минералов.

Обжиг сульфидных руд осуществляется чаще всего с целью извлечения цветных металлов из образующихся при этом окислов, а также получения обжигового газа, в состав которого входит двуокись серы. В качестве исходного сырья используют сульфиды различных металлов (пирит FeS₂, пирротин Fe₂S₈, халькопирит CuFeS₂, цинковую обманку ZnS, медный блеск Cu₂S и др.), кислород воздуха. В процессе обжига сульфидных руд при температурах выше 600^оС наблюдается ряд последовательно-параллельных реакций, соотношение между которыми в наибольшей степени зависит от температуры. Поскольку при обжиге применяют принудительный продув воздуха через слой серусодержащего сырья, все эти процессы являются необратимыми. Наиболее важными являются процессы подвода и диффузии кислорода в грубых частицах сульфидных руд, встречная диффузия двуокиси серы и неокисленной серы, образующейся по реакции, например,

2FeS₂  2FeS + S₂ , (4.1)

а также сгорание серы

S₂ + 2O₂  2SO₂ , (4.2)

и окисление сульфида железа при температуре свыше 600^оС:

4FeS + 7O₂  2Fe₂O₃ + 4SO₂ . (4.3)

Последняя реакция идёт с последовательным образованием закиси FeO, закиси-окиси Fe₃O₄ и окиси железа Fe₂O₃. Окись железа способна оказывать каталитическое действие на процесс окисления SO₂ в SO₃, в результате чего в обжиговом газе всегда содержится небольшое количество серного ангидрида.

Лимитирующими стадиями процесса обжига серусодержащего сырья являются диффузия кислорода в массу частиц и химическая реакция окисления сульфида железа (4.3). При обжиге в неподвижном слое обжиговый газ содержит меньшее количество SO₂ (7-10%), чем при обжиге во взвешенном слое (12-14%). Огарок (твёрдый остаток обжига) представляет собой смесь Fe₃O₄ и Fe₂O₃ с содержанием серы до 2%.

Для процессов, скорость которых определяется кинетикой диффузии реагентов к поверхности раздела фаз, оптимальные условия проведения рассчитываются из общего кинетического уравнения массопередачи [1]

U = dG/d = K F C , (4.4)

где U - общая скорость процесса; K - коэффициент диффузии (массопередача); F - межфазная поверхность контакта; С - движущая сила процесса, определяющаяся по разности концентрации реагирующих веществ на поверхности и в глубине фаз.

Процесс обжига серного колчедана можно описать известной моделью частицы с невзаимодействующим ядром. При этом выделяются три основные этапа процесса, характеризующиеся различной скоростью и лимитирующими стадиями.

Начальный этап протекания процесса при лимитирующей стадии диффузии газообразных веществ через ламинарную плёнку на поверхности частицы характеризуется низкой степенью превращения. Второй этап характеризуется образованием на поверхности частицы колчедана пористого слоя окислов железа, в результате чего лимитирующей становится диффузия газа через этот слой и скорость процесса замедляется. Третий этап, характеризующийся высокой степенью выгорания серы, описывается кинетическим уравнением с лимитирующей стадией химической реакции (4.3), когда количество реагирующего вещества пропорционально активной поверхности ядра частицы.

Увеличить скорость процесса обжига можно исходя из уравнения (4.4) несколькими путями: во-первых, увеличивая концентрацию серусодержащего сырья (например, многократным обогащением), и концентрацию кислорода в воздухе, подаваемом в обжиговую печь, во-вторых, дополнительно измельчая сырьё, увеличивая тем самым общей поверхности контакта фаз, что часто и делают при обжиге пылевидного колчедана, и увеличивая температуру обжига.

Однако при обжиге в неподвижном слое повышение температуры выше 900-1000^оС приводит к спеканию колчедана и резкому уменьшению эффективной площади контакта фаз. Интенсификация процесса обжига достигается перемешиванием частиц и зависит от конструкции применяемых печей и гранулометрического состава используемого сырья.

Наименее производительными являются механические полочные печи, где обжиг производится в слоях, лежащих на сводах печи, а перемешивание (перегребание) осуществляется механическими мешалками. Тонкоизмельчённый колчедан используется в печах пылевидного обжига. Для печей взвешенного (кипящего) слоя сырьё применяется строго определённого гранулометрического состава [2].

Преимуществами печей пылевидного обжига и взвешенного слоя являются большая скорость процесса, вызванная высокой дисперсностью материала и уменьшением диффузионного сопротивления, интенсивное перемешивание, снижение необходимого избытка воздуха и, следовательно, повышение концентрации серы в обжиговом газе, лёгкость регулирования температуры и возможность автоматизации всего процесса.

К недостаткам следует отнести высокую запылённость обжигового газа и вызванную этим необходимость его тщательной очистки, что снижает технико-экономические показатели процесса, а также необходимость предварительного измельчения и фракционирования сырья.

При выполнении лабораторной работы исследуется влияние основных технологических факторов (температуры, избытка воздуха и степени измельчения сырья) на эффективность работы печи с неподвижным слоем серного колчедана.