3.3.4. Задание к лабораторной работе

1. Изучить влияние на технологические показатели процесса обжига колчедана следующих параметров: температуры обжига; содержания серы в колчедане; расхода воздуха (избытка воздуха); дисперсности колчедана.

2. Построить зависимости скорости и степени выгорания серы от продолжительности процесса обжига, скорости выгорания от степени выгорания.

3. Проанализировать результаты и известные теоретические положения, сделать вывод о путях интенсификации процесса обжига.

3.4. Система твердое - твердое

Цель работы – исследование влияния основных технологических параметров (температуры, соотношения реагентов) на степень и скорость взаимодействия в системе твердое-твердое.

3.4.1. Спекание соды с оксидом железа. Общие положения

Одним из видов высокотемпературных гетерогенных взаимодействий в системах твердое – твердое, твердое – газ, которые широко используются в химической технологии, является спекание. Спекание – процесс возникновения твердой трехмерной структуры у сыпучих дисперсных материалов при их нагреве до температур ниже температуры плавления. При нагревании смеси твердых компонентов (шихты) могут протекать реакции как непосредственно между твердыми реагентами, так и между твердыми веществами и газом или жидкой фазой, которые могут образовываться при нагревании одного из компонентов шихты. Примером может служить спекание соды с оксидом железа. Этот процесс лежит в основе ферритного способа получения NaOH. Суммарный процесс спекания можно записать следующим уравнением

Na₂CO₃ + Fe₂O₃ = 2NaFeO₂ + CO₂; Н₂₉₈ = 142,8 кДж.

Так как процесс эндотермический, то одним из наиболее эффективных методов его интенсификации является повышение температуры. При спекании соды с оксидом железа скорость образования феррита натрия резко увеличивается при повышении температуры до 1124 К (температура плавления соды) и продолжает возрастать при дальнейшем росте температуры. Кроме температуры на скорость реакции оказывает заметное влияние размер частиц реагентов, свойства используемого оксида железа, соотношение между количеством соды и оксида железа в исходной шихте.

При уменьшении размеров реагирующих частиц увеличивается поверхность взаимодействия реагентов и уменьшается диффузионное сопротивление. По этой причине исходные материалы тонко измельчают до размера частиц – 1,0 мм. Особенно важно тонкое измельчение оксида железа, который во время спекания остается в твердом состоянии.

Большое влияние на скорость образования феррита натрия оказывает реакционная способность оксида железа, которая зависит от содержания примесей и удельной поверхности зерен оксида. Поэтому используемый технический оксид железа должен содержать не менее 95 % Fe₂O₃. Оксид железа неактивен, и поэтому подвергается специальной обработке, заключающейся в его многократном спекании с небольшими, но постепенно увеличивающимися порциями соды с последующим выщелачиванием спека. В результате обработки объем оксида железа возрастает более чем в два раза за счет увеличения пористости зерен. Обработанный оксид железа периодически, по мере снижения активности из-за накопления примесей и оплавления зерен, заменяют свежим.

Применение избытка оксида железа дает возможность максимально использовать соду в соответствии с законом действующих масс. При увеличении количества Fe₂O₃ в шихте степень превращения соды возрастает. На практике шихту готовят в соотношениях масс Fe₂O₃ и Na₂CO₃ равных (2,5-3,0) : 1,0. Спекают шихту при температурах 1373-1573 К в горизонтальных барабанных печах, вращающихся со скоростью 1-2 оборота в минуту. Обогревают печь путем сжигания мазута или природного газа, продукты сжигания которых подают внутрь печи.

Выщелачивание спека водой описывается реакцией

2NaFeO₂ + H₂O = 2NaOH + Fe₂O₃; Н₂₉₈ = 13,8 кДж.

Выщелачивание спека проводят слабыми растворами щелочи противотоком в батарее аппаратов (диффузоров). На выходе из аппаратов концентрация NaOH достигает 300-400 г/дм³.