Восстановление оксидов металлов твердым углеродом. Термодинамические особенности процесса.

 

Восстановление оксидов твердым углеродом (прямое восстановление):

Взаимодействие кусков твердого углерода (уголь, кокс) с оксидами из-за несовершенства контактов между ними весьма неэффективно. Поэтому большей частью процессы восстановления оксидов твердым углеродом протекают с участием газовой фазы, состоящей из СО и С0₂. Реакция восстановления может быть получена как сумма двух реакций:

Если все конденсированные фазы (С, Me, МеО) находятся в чистом виде, то:

 

ИЛИ

 

Другое название – углетермическое, углеродотермическое.

Применяется в металлургии Pb (шахтная плавка агломерата Pb), агломерация Pb концентрата, восстановительно-сульфирующая шахтная плавка окисленных Ni руд, вельцевание Zn кислых кеков.

Двухступенчатая схема Байкова

Основу составляют следующие реакции:

MeO + C = Me + CO     (1) - реакция прямого восстановления Ме углеродом

MeO + CO = Me + CO₂              (2) - реакция косвенного восстановления

C + CO₂ = 2CO            (3) - реакция газификации углерода

Me_xO_y + CO = Me_xO_{y -1} + CO ₂

В начальный момент времени допускается взаимодействие твердого углерода с MeO, сопровождающееся образованием CO. Вместе с тем, по Байкову, основным источником CO является реакция (3). Ей принадлежит важная роль – поставщик CO.

Важное значение и основной двухступенчатой схемы Байкова являются реакции (2) и (3).

Полнота и скорость восстановления определяется природой MeO, условиями смешения газов, парциальные давления CO и CO₂.

Двухступенчатая схема должна обеспечивать отсутствие кинетических затруднений для протекания этапов (2) и (3).

Непосредственное прямое взаимодействие MeO и C возможно для легковосстановимых оксидов. Трудновосстановимые оксиды NiO, Ni₂O₃, CoO, Co₂O₃, Co₃O₄ преимущественно восстановление по косвенному механизму (2) и (3).

Косвенный механизм развивается для восстановления Me_xO_y, имеющих только низкое сродство с кислородом.

Аргументами в пользу двухступенчатой схемы являются следующие обнаруженные факты:

1. Скорость процесса не зависит от полноты контакта Me_xO_y с твердым углеродом, вплоть до того, что реагенты помещались в отдельные зоны.

2. При создании разрежения в системе скорость процесса уменьшается сильно.

3. При избытке углерода обнаружено, что состав газовой фазы отвечает равновесному реакции (2).

4. Обнаружен факт, что при восстановлении оксидов Fe твердым углеродом в атмосфере азота (при непрерывном пропускании его в пространстве) обнаружено снижение скорости процесса при увеличении скорости подачи азота. То есть по мере удаление с азотом газов CO и CO₂.

Вывод: Многочисленные исследования кинетики углеродотермического восстановления свидетельствует о том, что лимитирующей стадией является реакция (3).

Для ускорения процессов восстановления Me_xO_y необходимо использовать более реакционноспособные виды восстановления (высокое содержание количество С). Полезно применять каталитические добавки, мелкие фракции восстановителя. Часто экспериментально наблюдаемая нижняя граница температур (600-700 К) обуславливается низкой скоростью реакции (3). В области температур (1373-1573 К) Еа реакции (3) составляет 214-217 кДж/моль ⇒ кинетический режим.

Возможна смена кинетического режима диффузионным, которая зависит от парциального давления CO₂ и скорости газового потока.

Если скорость процесса лимитируется скоростью газификации углерода, то справедливо следующие кинетическое уравнения:

V₃ = V₂ = [A*exp(-Ea/RT)]*(P*K_з/(1+K_з)

P – общее суммарное давление

Если ускорять реакцию (3), то тогда лимитирует реакция косвенного восстановления. Факторы влияния: температура, избыток углерода, неразвитая реакционная поверхность Me_xO_y.

---

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 984; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!