Процессы массопередачи в гомогенных средах

Вполне очевидно, что в гомогенном процессе химической стадии тоже предшествует стадия диффузии, причем молекулы реагентов должны равномерно распределиться по всему объему реактора. В жидкофазных процессах диффузию интенсифицируют, используя различные способы перемешивания. Различают два вида смешения, обеспечивающие различную степень гомогенизации среды.

Состояние жидкости, при котором молекулы совершенно свободно перемещаются по объему реактора, называется несегрегированным. При таком перемешивании происходит равномерное распределение веществ по объему реактора; скорость перемешивания и другие гидродинамические факторы не оказывают влияния на скорость процесса.

В сегрегированном состоянии жидкость представляет собой совокупность большого числа глобул, каждая из которых содержит порядка 10¹² молекул. Считают, что внешняя оболочка глобулы химически инертна, ее единственное назначение – сохранение глобулы. Сегрегированное состояние жидкости способствует возникновению локальных высоких концентраций реагентов, особенно в местах их подачи.

Реальные жидкофазные системы чаще всего являются сегрегированными. Сегрегация нарушает нормальное распределение реагентов и может влиять на селективность сложных реакций. Например,

А + В → С (целевой продукт)

С + B → D

Если молекула целевого продукта окажется в одной глобуле с молекулами реагента А, селективность будет высокая, если с молекулами реагента В – низкая.

Пример: Технология получения серной кислоты. Получение обжигового газа из колчедана.

В основе процесса лежит следующая реакция:

4FeS₂ + 11O₂ → 8SO₂ + 2Fe₂O₃

Фактически она протекает через несколько последовательно-параллельных стадий: сначала происходит медленная эндотермическая реакция термического разложения FeS₂

2FeS₂ → 2 FeS + S₂,

а затем начинаются сильно экзотермические реакции горения паров серы

S₂ + 2О₂ → SO₂

и окисления сульфида железа FeS

4FeS + 7О₂ → 4SO₂ +2Fe₂O₃.

Конечными продуктами горения колчедана являются обжиговый газ, содержащий SO₂ , и твердый огарок, состоящий из несгоревших соединений и Fe₂O₃.

Технологическая классификация процесса: необратимый, гетерогенный, сильно экзотермический процесс. Поскольку все реакции ведут к образованию целевого продукта, можно условно считать этот процесс простым.

Объект управления – скорость процесса.

Обжиг колчедана – типичный гетерогенный процесс в системе «г – т», в котором химической стадии предшествуют медленные диффузионные стадии. Для увеличения скорости процесса стремятся, прежде всего, уменьшить сопротивление диффузионных стадий, то есть работать в кинетической области. Это достигается измельчением твердой фазы и интенсивной турбулизацией потока. Наиболее удобным аппаратом для этой цели является печь с псевдоожиженным слоем колчедана ( печь «кипящего слоя» КС). На рисунке изображена печь КС. Она представляет собой шахту, стальной корпус которой футерован огнеупорным материалом.

В нижней части печи расположена решетка с большим числом отверстий, через которые подаваемый снизу воздух равномерно распределяется по всему сечению печи. В зоне кипящего слоя помещены охлаждающие элементы (стальные трубы), присоединенные к системе принудительной циркуляции парового котла-утилизатора. Огарок через провальную решетку в бункер, однако большая часть огарка (до 90%) уносится с обжиговым газом.

Для обжига колчедана используют и другие печи, в которых по-иному решен вопрос о характере движения твердой фазы: механические (подовые), печи пылевидного обжига, циклонные печи и др. Печи КС характеризуются максимальной интенсивностью по сравнению с другими конструкциями. В псевдоожиженном слое обеспечивается высокая скорость диффузионных и теплообменных процессов (подвод кислорода к поверхности колчедана, отвод диоксида серы в газовый поток, отвод теплоты от поверхности сырья к газовому потоку). Отсутствие тормозящего влияния массо- и теплообмена позволяет проводить обжиг колчедана в таких печах с высокой скоростью. К недостаткам печей КС можно отнести высокую запыленность обжигового газа.

Температура процесса обжига колчедана поддерживается в интервале 600 – 700⁰С в зависимости от состава сырья. При более низких температурах мала скорость процесса; при t < 500⁰С не может протекать эндотермическая реакция разложения дисульфида железа. Слишком высокие температуры вызывают нежелательный физический процесс спекания частиц горящего материала, приводящий к увеличению их размеров. Следствием этого является увеличение времени горения и понижение производительности печи. Поскольку процесс обжига колчедана является экзотермическим, для поддержания необходимой температуры проводится отвод тепла.

Колчедан, применяемый для обжига, предварительно обогащают флотацией. Флотационный колчедан содержит ряд примесей (соединения мышьяка, селена, теллура, фтора), которые при обжиге переходят в состав обжигового газа в виде оксидов. Наличие этих примесей обусловливает необходимость последующей очистки газа.

Воздух берется обычно в избытке к стехиометрическому количеству. Чем больше коэффициент избытка, тем меньше концентрация диоксида серы в обжиговом газе.

Лекция № 7