ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ФОСФОРИТАХ

FEATURES OF KINETIC REGULARITIES OF THERMAL CONVERSIONS IN PHOSPHORITES

Vladimir Bobkov

candidate of Science, assistant professor of Smolensk branch of the Moscow Power Engineering Institute, National Research University,

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Целью представленной работы является исследование особенностей физико-химических превращений в фосфатном сырье, при термической подготовке. Методами кинетического анализа топохимических реакций, выявлены механизмы химических реакций и определены кинетические параметры отдельных стадий термически-активируемых процессов, протекающих при обжиге фосфатного сырья. Результаты исследований, позволяют учитывать факторы, влияющие на кинетику химического превращения. Наблюдаемые закономерности топохимических реакций содержат информацию о механизме собственно реакции, процессах массо- и теплопереноса и особенностях развития реакционной поверхности.

ABSTRACT

The purpose of the presented work is research of features of physical and chemical turning into phosphorus raw materials, by thermal preparation. Methods of the kinetic analysis of topo-chemical reactions, revealed mechanisms of chemical reactions and kinetic parameters of separate stages of the thermal activated processes proceeding when roasting phosphorus raw materials are determined. Results of researches, allow to consider the factors influencing a kinetics of chemical transformation. Observed regularities topo-chemical reactions contain information on the mechanism actually reaction, processes mass- and heat-transfer and features of development of a reactionary surface.

Ключевые слова: фосфор; обжиг; химическая технология; спекание; тепломассообмен.

Keywords: phosphorus; roasting; engineering chemistry; baking; heatmass transfer.

Нагрев фосфоритов, при термической подготовке и переработке, сопровождается рядом физико-химических и структурных превращений. Некоторые процессы носят целевой характер. К их числу могут быть отнесены удаление физической и связанной воды, разложение свободных карбонатов, декарбонизация основного фосфатного вещества и спекание. Завершённость этих процессов на стадии термической подготовки сырья оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели процесса возгонки фосфора. Достижение высокой эффективности термической подготовки, в свою очередь зависит от условий нагрева сырья в аппаратах обжига.

Выбор рациональных схем и оптимизация режимов термической подготовки должны базироваться на расчётах с использованием моделей отражающих кинетику основных физико-химических превращений.

Надёжные данные по кинетике термически активируемых процессов необходимы также для интерпретации результатов исследований процессов внутреннего и внешнего теплообмена при нагреве сырья.

Наиболее значимым представляется изучение кинетических закономерностей физико-химических превращений, степень завершённости которых непосредственно влияет на качество полупродуктов, то есть декарбонизации и спекания. Кроме того, необходимы кинетические параметры реакций обычно завершающихся в процессе термической подготовки (сушка и дегидратация). Эти процессы вызывают значительные энергозатраты и могут сопровождаться разрушением зёрен исходного материала, поэтому их следует учитывать при выборе режимов работы начальных участков аппаратов термической подготовки.

Основная часть процессов при нагреве фосфоритов происходит в твёрдой фазе. Их изучение – задача топохимической кинетики.

Особенностью топохимических реакций считается то, что они обычно локализованы в области поверхности раздела твёрдых фаз исходного вещества и продуктов реакции. Эта поверхность образуется и изменяется в результате химического процесса, обуславливая тем самым зависимость скорости реакции от времени.

Задача изучения химической кинетики топохимических реакций – составление математического описания химического процесса, выявление механизма химических реакций и определение кинетических параметров отдельных стадий процесса.

Исследования широкого класса топохимических реакций в твёрдых телах [1] показывают, что такие процессы анализируются посредством основных представлений и аппарата кинетического анализа гомогенных реакций. Так для топохимических реакций введено понятие удельной скорости реакции [2]. Наблюдаемая скорость реакции – произведение эффективной удельной скорости на величину эффективной реакционной поверхности.

При проведении кинетического анализа, как правило, вместо количества прореагировавшего вещества используется реакционная переменная η, определяемая следующим образом  и соответствующая ей скорость превращения , где ,  – текущее и начальное количество вещества, вступающее в реакцию.

В общем случае скорость превращения, при постоянных температуре и давлении, может быть представлена соотношением .

Если конфигурация реакционной области не зависит от температуры и парциального давления и определяется только степенью превращения, то скорость превращения можно представить как произведение функций с разделёнными переменными

                                                         (1)

Последнее выражение – общая форма записи кинетического уравнения топохимической реакции служит основой для отыскания вида зависимости скорости реакций от интенсивных параметров  и степени превращения .

Для экспериментального исследования топохимических реакций необходима организация тепло- и массопереноса в зону протекания реакции, компенсирующих тепловой эффект реакций и выделение газообразных продуктов с целью поддержания постоянных или изменяющихся по заданному закону значений интенсивных параметров .

Изучение роли процессов переноса вещества и тепла в кинетике топохимических реакций – задача микроскопической кинетики. В реальных условиях скорость топохимических реакций изменяется во времени по сложному закону, обусловленному одновременным протеканием различных процессов. Условия транспорта газообразной фазы и тепла в зону реакции непрерывно изменяются по мере её протекания, соответственно и изменяется их влияние на кинетику реакции [3]. В результате этого, наблюдаемые в эксперименте закономерности топохимических реакций в общем случае содержат информацию о механизме собственно реакции, процессах массо- и теплопереноса и особенностях развития реакционной поверхности.

Количественная характеристика этих процессов чрезвычайно существенна для интерпретации результатов кинетических экспериментов, поскольку именно они определяют концентрацию и температуру в реакционной зоне. В задачу кинетического анализа входит оценка теоретических и экспериментальных приёмов, позволяющих учитывать факторы, влияющие на кинетику химического превращения.

Для отыскания вида функций в выражении (1) и расчёта параметров кинетического уравнения существуют два основных метода:

• Изотермические (предполагают поддержание постоянных фиксированных значений температур в пределах образца во всём диапазоне степени превращения;
• Неизотермические (температура во всех точках исследуемого образца изменяется во времени по одному закону).

В том и другом случаях парциальное давление газа реагента или продукта реакции поддерживается постоянным. Методы кинетического анализа результатов изотермических исследований и способы их экспериментальной реализации детально рассмотрены в [4].

Список литературы:

1. Бобков В.И., Борисов В.В., Дли М.И., Мешалкин В.П. Моделирование процессов обжига фосфоритовых окатышей в плотном слое // Теоретические основы химической технологии. 2015, Т. 49, № 2, С. 182–188.
2. Бобков В.И. Исследование технологических и тепло-массообменных процессов в плотном слое дисперсного материала // Тепловые процессы в технике. 2014. № 3. С. 139–144.
3. Бобков В.И. Интенсификация процесса слоевой сушки дисперсного материала // Тепловые процессы в технике. 2014. № 9. С. 425–430.
4. Богатырёв А.Ф., Панченко С.В. Математические модели в теплотехнологии фосфора. – М.: Издательство МЭИ, 1996. – 264 с.