Лупинос С.М. ⁽¹⁾, Прутцков Д.В. ⁽²⁾,, Бережная О.Р. ⁽²⁾, Д.Ю. Дзядок ⁽²⁾

ОБ ИССЛЕДОВАНИИ МЕХАНИЗМА И КИНЕТИКИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

⁽¹⁾ ГП «Государственный институт титана», г. Запорожье

⁽²⁾ Запорожская государственная инженерная академия

При выполнении технологических разработок в цветной и черной металлургии и других областях достижение оптимальной организации технологического процесса и его максимальной экономической эффективности возможно только на основе использования установленного механизма протекающих в системе гетерогенных химических превращений. К подобным гетерогенным процессам относятся процессы хлорирования минерального сырья и концентратов редких металлов, процессы восстановительной плавки, окислительного обжига, выщелачивания, гетерогенного катализа и другие.

Методы изучения кинетики химических реакций отличаются глубиной аналитической проработки, однако применимы в основном для описания бинарных реакций. Известный метод последовательных реакций [1] применим для изучения превращения реагента А в продукт Р через промежуточный продукт В, однако не может быть использован для исследования сложных многокомпонентных систем, в которых могут протекать одновременно несколько процессов, в том числе в разных направлениях. Методы, основанные на фиксировании скорости продвижения реакционной поверхности раздела фаз [2] и на построении морфологических моделей образования и роста зародышей [3], применимы для построения теоретических моделей. Экспериментальные исследования кинетики процессов на основе использования методов однофакторного, дробного факторного и полного факторного анализа [4] позволяют делать лишь косвенные выводы о механизме процесса, последовательности протекающих стадий, скорости той или иной стадии.

Предложен способ, который заключается в том, что перед началом исследования твердые реагенты размещают в раздельных реакторах, или в одном реакторе, но раздельно с помощью проницаемых перегородок. Жидкие или газообразные реагенты в смеси или поочередно подают в реактор (или в последовательность нескольких реакторов), последовательно взаимодействуют с одним твердым реагентом, а затем с другим и т.д. При выполнении эксперимента в объеме одного реактора обеспечивается контакт всех реагентов и исключается возможность протекания обратных реакций. В каждом эксперименте по истечении заданной его продолжительности отбирают пробу полученного продукта и после ее анализа рассчитывают скорость процесса взаимодействия. При изменении последовательности расположения твердых реагентов, изменяется периодичность протекающих стадий процесса и его суммарная скорость. Подачу жидких или газообразных реагентов можно осуществлять одновременно при различных соотношениях, либо поочередно, в том числе возможен ввод промежуточных продуктов или других реагентов, не участвующих в исходном процессе.

На основании ряда экспериментов с различным порядком расположения твердых реагентов или с изменением состава жидких (газообразных) реагентов можно сделать выводы о скорости отдельных стадий, механизме процесса и его оптимальном технологическом оформлении.

Метод использовали для усовершенствования технологии получения хлорида магния из магнезита в шахтных электропечах (ШЭП).

В первой серии экспериментов выполняли опыты по хлорированию с разделением восстановителя и оксида магния и размещением их в отдельных реакционных сосудах. Во втором опыте к хлору добавляли кислород, что повлекло увеличение скорости хлорирования в реакторе. В третьем опыте к хлору добавляли диоксид углерода, что привело к дальнейшему росту скорости хлорирования.

Возрастание скорости процесса хлорирования при разбавлении хлора кислородом или СО₂, свидетельствует о газификации твердого восстановителя и о дальнейшем протекании процесса хлорирования с использованием в качестве акцептора кислорода оксида углерода.

Полученные результаты, тем не менее, не дают однозначный ответ, какая из стадий процесса хлорирования является первичной и какая лимитирует процесс.

Вторую серию экспериментов выполняли в кварцевом реакторе в нижнюю часть которого в ходе процесса подавали газовые реагенты. Первоначально в реактор раздельно загружали обожженный магнезит и восстановитель (древесный уголь), которые в реакторе были разделены проницаемыми перегородками. После наплавления в реакторе хлоридного расплава, температуру в реакторе поднимали до 800 °С и начинали подачу газообразных реагентов. Затем отбирали пробу прохлорированного расплава, анализировали на содержание MgCl₂ и расчетным путем определяли скорость процесса хлорирования.

На основании результатов выполненных экспериментов сделан вывод, что максимальная скорость процесса хлорирования и выход дихлорида магния, могут быть достигнуты при первичном осуществлении в реакторе стадии газификации восстановителя..

Метод разделенных реагентом является универсальным и достаточно простым и эффективным методом и может быть рекомендован для исследования процессов взаимодействия, протекающих в самых разнообразных гетерогенных системах.

Литература:

1. Шмид Р. Неформальная кинетика [Текст] / Р. Шмид, В. Н. Сапунов Пер. с англ. под ред. И.П. Белецкой. – М. : Мир, 1985. – 264 с.

2. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций [Текст] / Б. Дельмон; пер. с франц. под ред. В. В. Болдырева. – М. : Мир, 1972. – 556 с.

3. Барре П. Кинетика гетерогенных процессов [Текст] / П. Баре; пер. с франц. под ред. В. В. Болдырева. – М. : Мир, 1976. – 400 с.

4. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. – М. : Наука, 1976. – 279 с.