Реконструкция технологии обработки медных концентратов на Надеждинском металлургическом заводе (НМЗ)
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
да с сульфидными расплавами является то, что их окисление осуществляется как за счет кислорода газовой фазы, так и кислорода оксидов железа.
В условиях процесса плавки во взвешенном состоянии доставка окислителя из объема газовой фазы к поверхности частицы может осуществляться с помощью конвективной диффузии за счет наличия скорости потока и вследствие молекулярной диффузии.
Общее уравнение массопередачи в данном случае имеет вид:
,
где первый член уравнения учитывает законы молекулярной диффузии,
второй член учитывает законы конвективного массообмена,
- скорость перемещения газа относительно твердого тела.
При плавке в печах взвешенной плавки скорости движения сульфидных частиц шихты и окислителя (газа) сравнимы друг с другом, поэтому стремится к нулю и соответственно конвективной составляющей уравнения можно пренебречь.
В данном случае процесс окисления можно рассматривать с позиции диффузионной кинетики микрогетерогенных реакций, т.е. реакций, протекающих на поверхности дисперсных частиц, взвешенных в другой фазе. Конвективная диффузия в микрогетерогенных системах практически не оказывает влияния на скорость реакции, так как частицы перемещаются вместе с потоком. Однако общая скорость массопереноса в таких системах достаточно высока из-за того, что диффундирующие реагенты имеют незначительные размеры. Таким образом, если пренебречь влиянием конвекции на диффузию кислорода к поверхности сульфидной частицы, а, также допуская, что она имеет форму сферы диаметром d, коэффициент массоотдачи может быть определен по формуле:
,
где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий массоперенос.
С учетом того, что для сферических частиц, взвешенных в неограниченной покоящейся среде, Nu = 2, данное выражение приобретает вид:
Когда кинетика реакции окисления на поверхности первого порядка, то для каждой отдельной частицы зависимость эффективной константы скорости , отнесенной к единице поверхности дисперсной частицы, можно перейти к эффективной константе скорости , отнесенной к единице объема газовой фазы:
где F - средняя поверхность дисперсной частицы;- число частиц, диспергированных в единице объема газа.
Зная , N, F и гранулометрический состав концентрата, а также концентрацию окислителя на поверхности, от которой происходит диффузия, можно оценить скорость процесса на единицу объема газовой фазы. При слабом развитии конвекции массоперенос кислорода к реакционной поверхности происходит за счет молекулярной диффузии, в основе которой лежит градиент концентрации.
В соответствии с представлениями о механизме массопереноса реагента из объема фазы к реакционной поверхности различают две области: ядро (основной объем газа) и пограничный слой у поверхности раздела фаз. Перенос компонентов в основном объеме при интенсивном перемешивании в основном происходит вследствие конвективной диффузии; роль молекулярной диффузии в этом случае не столь велика. По мере приближения к поверхности раздела фаз конвективные потоки затухают, и возрастает значение молекулярной диффузии. В непосредственной близости от границы раздела фаз существует пограничный слой, через который массоперенос осуществляется только молекулярной диффузией.
Природа пограничного диффузионного слоя сложна и его возникновение обусловлено наличием вязкости потока и силами притяжения между молекулами твердого компонента и окружающей среды. Толщина слоя зависит от вязкости газа, характера поверхности, условий перемешивания и размера частицы. Чем меньше размер частицы, тем больше толщина слоя. Для частиц диаметром не более 0,5 мм этот параметр составляет 10-20 радиусов частицы.
Для условий взвешенной плавки, где основное количество частиц флотационного концентрата имеет размеры менее 0,07 мм, толщина слоя может составлять 0,35-0,70 мм.
Проникновение молекул газа через диффузионный пограничный слой осуществляется молекулярной диффузией.
Скорость молекулярной диффузии зависит от коэффициента диффузии, толщины диффузионного слоя, поверхности частицы и разности концентраций.
Использование подогретого дутья позволяет повысить количество окислителя, поступающего к реакционной поверхности. Соответственно, снижается продолжительность этапа молекулярной диффузии. Это приводит к увеличению общей скорости окисления, лимитируемой диффузией.
Высокое содержание дисперсных частиц в дутье (до 4 кг/м3) приводит к тому, что толщина газовой прослойки между ними составляет 0,5-1,0 мм, т.е. становится соизмеримой с толщиной диффузионного слоя. При низкой относительной скорости газового потока, обтекающего реакционную поверхность взвешенной частицы, толщина слоя сохраняется. Это дает возможность сосредоточения в нем основного сопротивления массопереносу и появления диффузионных затруднений со стороны газовой фазы.
Удаление диоксида серы в объем газового потока происходит со скоростью:
Поскольку концентрация SО2 в зоне реакции выше, чем в турбулентной области газового потока, то движущей силой диффузии газообразных продуктов здесь является разность их концентраций у поверхности раздела фаз и в объеме газа.
При протекании процесса окисления сульфидного концентрата во внешне диффузионной области оперативное удаление SО2 от поверхности твердой частицы приводит к увеличению общей скорости взаимодействия.