Спосіб дослідження механізму і швидкості гетерогенних процесів

1. Спосіб дослідження механізму і швидкості гетерогенних процесів, що складаються з взаємодії двох або більше твердих, а також рідких чи газоподібних реагентів, який включає завантаження твердих реагентів в реактор, досягнення температури початку процесу, подання рідких або газоподібних реагентів в реактор, проведення гетерогенного процесу взаємодії реагентів впродовж фіксо 3 Найбільш близьким по сукупності ознак до способу, що заявляється, є спосіб, використаний для вивчення кінетики процесу хлорування у розплаві (С.М. Лупинос, Д.В. Прутцков, А.Н. Петрунько. Разработка технологии получения хлормагниевых расплавов из природного карбоната магния / Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2010. - № 4. - стр. 98 - 102). Спосіб включає змішення твердих реагентів - подрібнених обпаленого магнезита і нафтового коксу, наплавлення в кварцовому реакторі хлоридного розплаву (КСl+NaCl) та досягнення температури початку процесу - 800 °С, завантаження суміші твердих реагентів в розплав реактора, подання газоподібних реагентів (суміші хлору і повітря) в нижню зону реактора і здійснення гетерогенного процесу хлорування впродовж заданого відрізка часу. Після закінчення процесу відбирається проба розплаву, яка аналізується на вміст кінцевого заданого продукту (MgCl2), і робиться розрахунок швидкості процесу хлорування. Шляхом зміни різних технологічних параметрів роблять багатократні визначення швидкості процесу хлорування і отримують залежності швидкості від цих параметрів. Недолік відомого способу полягає в тому, що для визначення оптимальної технологічної швидкості процесу необхідно виконати досить велику кількість експериментів. Також відомий спосіб не дає інформації про механізм процесу, послідовність і швидкість стадій, що мають місце у сукупному процесі. В основу корисної моделі, яка заявляється, поставлено задачу розробки способу, що дозволяє отримувати відомості про механізм і швидкість хімічних перетворень, які протікають у багатокомпонентних системах (шихтах), та дає можливість на цій основі організувати максимально ефективну технологію. Для вирішення поставленої задачі в способі дослідження механізму і швидкості гетерогенних процесів, що складаються з взаємодії двох або більше твердих, а також рідких чи газоподібних реагентів, який включає завантаження твердих реагентів в реактор, досягнення температури початку процесу, подання рідких або газоподібних реагентів в реактор, проведення гетерогенного процесу взаємодії реагентів впродовж фіксованого відрізка часу, визначення швидкості утворення кінцевого продукту новим є те, що тверді реагенти в реакторі за допомогою проникних перегородок розташовують пошарово, а рідкі або газоподібні реагенти, які подають в реактор, по черзі взаємодіють з розділеними твердими реагентами, при цьому в кожному подальшому процесі порядок розташування твердих реагентів змінюють, що впливає на швидкість утворення кінцевого продукту. Новим є також те, що подання рідких або газоподібних реагентів здійснюють одночасно при різних співвідношеннях, або по черзі, у тому числі можливе введення проміжних продуктів або інших реагентів, які не беруть участь в початковому процесі. 64171 4 Спосіб, що заявляється, здійснюється таким чином. Перед початком дослідження тверді реагенти (два або більше) розташовують в одному реакторі окремо (пошарово) за допомогою проникних перегородок. Рідкі або газоподібні реагенти по черзі або в суміші подають в реактор, в якому вони, у міру просування, послідовно взаємодіють спочатку з одним твердим реагентом, потім з іншим і так далі. При цьому забезпечується контакт усіх реагентів і не виключається протікання зворотних реакцій. У кожному дослідженні після закінчення заданої тривалості відбирають пробу отриманого продукту і після її аналізу розраховують швидкість процесу взаємодії по виходу кінцевого продукту. Змінюючи в наступному експерименті послідовність розташування твердих реагентів, змінюється порядок протікання стадій процесу, і тим самим його сумарна швидкість. На підставі результатів ряду експериментів з різним порядком розташування твердих реагентів отримують висновки про механізм процесу, швидкість його окремих стадій і оптимальне технологічне оформлення процесу. Конструкція реактора для реалізації способу повинна забезпечувати роздільне розміщення твердих реагентів, а також можливість подання через них рідких або газоподібних реагентів. У заявленому способі це досягається за рахунок використання проникних перегородок, які відділяють тверді реагенти один від одного, і дозволяють проходити через отвори рідким і газоподібним реагентам. Спосіб реалізований на прикладі дослідження і удосконалення технології хлорування магнезиту в шахтних електропечах (ШЕП) таким чином. Промисловий процес хлорування магнезиту в ШЕПах включав використання у складі шихти твердих реагентів - каустичного магнезиту (оксиду магнію) і відновника (пекового або нафтового коксу). Процес підготовки шихти містив стадії дроблення реагентів, їх помелу, змішення компонентів, брикетування, сушки і випалення брикетів, і лише потім здійснювався процес їх хлорування в ШЕПах газоподібними реагентами (сумішшю хлору і повітря). Було прийнято вважати, що основу процесу хлорування брикетів складає гетерогенний процес взаємодії оксиду магнію з хлором у присутності твердого відновника, описуваний реакціями: MgO+Сl2+С↔MgCl2 (рід.)+CO, H=-128,3 кДж/моль (1) 2MgO+2Сl2+С↔2MgCl2 (рід.)+СО2, Н=-394,7 кДж/моль (2). Наведені рівняння реакцій описують сумарний процес, який реально протікає через декілька послідовних стадій. Для визначення механізму процесу були проведені дослідження за заявленим способом, який дозволяє здійснювати процес хлорування з розділенням протікаючих стадій. Схема дослідження наведена на Фіг. 1, 2. Дослідження проводили в кварцовому реакторі діаметром 45 мм, встановленому в шахтній електропечі, в нижню частину якого в ході 5 процесу по кварцовій трубці діаметром 5 мм подавали газові реагенти. Спочатку в реактор окремо завантажували обпалений магнезит і відновник (деревне вугілля) фракції 27 мм, які в реакторі були розділені проникними перегородками з фторфлогопиту. Маса наважки магнезиту дорівнювала 20,0 г, наважки відновника - 11,6 г. Після наплавлення в реакторі хлоридного розплаву (КСl:NaCl=5:1) масою 120 г, температуру в реакторі піднімали до 800 °С і починали подання газоподібних реагентів. Витрата хлоруючого газу 3 складала 30 дм /г при співвідношенні Сl2:О2=2:1. Тривалість експерименту складала 30 хвилин. Потім відбирали пробу прохлорованого розплаву, аналізували на вміст MgCl2 і розрахунковим шляхом визначали швидкість процесу хлорування. Для визначення стадій процесу і швидкості їх протікання проведено два експерименти. У першому експерименті, зображеному на Фіг. 1, хлоруючий газ спочатку проходив через шар магнезиту, де протікала реакція хлорування MgO: MgO+Cl2↔MgCl2 (рід)+О2 (3), а потім через шар вугілля, де відбувалося відновлення кисню, що виділяється: О2+2С↔2СО (4). Швидкість хлорування при цьому склала 1,8±0,3 г MgO/r. У другому експерименті (Фіг. 2) порядок розташування твердих реагентів змінювали. Тому хлоруючий газ спочатку проходив через шар вугілля, де відбувалася газифікація відновника: Де: 1 - магнезит, 2 - деревне вугілля. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 64171 6 2С+О2↔2CO (5), а в шарі магнезиту здійснювалося хлорування MgO з використанням оксиду вуглецю як акцептора кисню: MgO+Сl2+CO↔MgCl2 (рід.)+СО2, Н=-267,15 кДж/моль (6). Швидкість хлорування при цьому збільшилася до 4,8±0,5 г MgO/г. Результати проведених досліджень показали, що максимальна швидкість процесу хлорування досягається при первинному здійсненні в реакторі стадії газифікації відновника. Тому для оптимальної організації процесу хлорування, враховуючи низьку змочуваність вуглецю хлоридними розплавами, газифікацію твердого відновника було виділено в окрему попередню технологічну стадію і здійснено в окремому апараті. Таким чином, в результаті використання заявленого способу, лише двома експериментами отримані відомості про механізм процесу хлорування і швидкість його окремих стадій. На їх основі здійснена оптимальна організація процесу, збільшена питома швидкість хлорування в три рази, спрощена апаратурно-технологічна схема підготовки твердих реагентів до хлорування. При переході до промислової реалізації процесу збільшиться в три рази продуктивність хлоратора (реактора) тих же розмірів, суттєво скоротяться капітальні витрати та знизиться собівартість одержуваного хлориду магнію і виробленого з нього магнію. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601