Кинетика восстановления в слое

В доменной печи восстановление происходит в условиях противотока газов и шихтовых материалов. Важнейшей особенностью такого процесса является накопление газообразных продуктов реакции в газовом потоке по его ходу.

К числу первых попыток математического описания противоточного процесса в слое можно отнести работу Стальхано. Получено уравнение для изотермического, одноступенчатого восстановления слоя из шариков окисла одинакового размера, описывающее распределение по высоте слоя концентрации С02 и степени восстановления окисла для случая, когда восстановление в слое завершается. Подобное решение вопроса дано исследованиях.

При восстановлении высших окислов даже в идеализированных условиях изотермического противотока достигается только квази стационарный режим. Левая часть равенства рассматривается как безразмерный критерий процесса. Произведение есть фактическое количество газа на единицу объема слоя материала; отношение время пребывания материала в реакторе, т. е. время контакта единицы объема слоя с количеством газа.

Следовательно, отношение равно объемной скорости газа w массе газа в единицу времени на единицу объема слоя. Константа скорости отнесена к единице поверхности сферических кусков, а отношение пропорционально константе скорости отнесенной к единице объема слоя восстанавливаемого материала. Необходимо подчеркнуть, что только для реакции первого порядка k и w имеют одинаковую размерность и получается безразмерной величиной. Дадим вывод уравнения для слоевого процесса несколько в ином виде, чем в работах.

Примем ту же упрощенную модель: одноступенчатое восстановление газом; обратимая реакция первого порядка (по концентрации восстановителя), которая протекает во всем объеме отдельных кусков руды; скорость реакции не зависит от степени восстановления окислов. Из этого уравнения следует, что фактическая концентрация окисла восстановителя N асимптотически приближается к равновесной. Вид кривой для N и конечная концентрация NK при выходе газа из слоя определяются величиной критерия и. По мере его уменьшения (смещения процесса к кинетическому режиму) кривая Л становится все более пологой.

Для неизотермического процесса, в котором равновесная концентрация N p растет при понижении температуры (по ходу газа), что отвечает экзотермической реакции восстановления, например FeO+CO=Fe+C02. В соответствии с классификацией Б. И. Китава ступеней теплообмена по высоте доменной печи уравнение описывает примерно ход накопления двуокиси углерода на средней ступени, а выражение на верхней и нижней ступенях теплообмена.

Из результатов производственных исследований делается важный вывод о том, что наиболее интенсивное накопление С02 в газе происходит в нижних частях доменной печи. Здесь с понижением температуры (по ходу газового потока) равновесная концентрация Н20 уменьшается. Вывод уравнений основан на допущении, что с понижением температуры (по ходу газа) изменяется только равновесная концентрация N , а константа скорости остается неизменной. На самом же деле константа скорости, а следовательно, и критерий и должны при этом уменьшаться.

Однако это уменьшение ослабляется в результате того, что газ встречает на своем пути все менее восстановленную руду и возрастающую реакционную поверхность ("концентрацию" окисла). Учет этих факторов приводит к значительным усложнениям математического описания процесса, что так же, как и усложнения, применяемые при выводе других уравнений, например, едва ли оправданы. Отсутствуют надежные данные о коэффициенте скорости восстановления, учитывающего не только химическую константу скорости, но и изменения в процессе восстановления диффузионного сопротивления в кусках и величины реакционной поверхности.

Авторы исходят из обычного двучленного кинетического уравнения типа с тем отличием, что .вместо константы скорости в нем фигурирует суммарный эмпирический коэффициент массообмена, отнесенный к единице наружной поверхности кусков руды в единице объема слоя. Из полученных соотношений следует, что характер распределения СОг по высоте слоя определяется тем же критерием м. Б лабораторных условиях найдены эмпирические зависимости Cs от разных факторов.

Это в известной мере можно обосновать, например, данными различных авторов по кажущейся энергии активации Е реакций восстановления окислов железа. Принадлежность процесса восстановления железорудных материалов к переходной области подтверждается макроскопическими исследованиями структуры частично восстановленных куашв. Для пористых окатышей и агломератов реакционная зона получается сильно размытой.

Итак, восстановление при умеренных температурах железорудных материалов, применяемых в современной практике (пористых агломератов и окатышей), протекает преимущественно в переходной области: их восстановимость определяется не только доступностью свободных окислов для взаимодействия с газами (характером пористости), но и адсорбционно-химической активностью таких окислов.

В частности, установлено, что существенно зависит от восстановимости материала и степени восстановления и очень мало от линейной скорости газового потока. Таким образом, тип процесса и изменение состава газа по высоте слоя определяется критерием и. Линейная скорость может влиять на величину критерия и на характер распределения концентрации по высоте слоя не непосредственно, а через коэффициент (константу) скорости.

Из большинства экспериментальных исследований вытекает, однако, что величина k слабо зависит от линейной скорости газового потока, поскольку восстановление контролируется преимущественно процессами внутри кусков. Следовательно, линейная скорость потока, в отличие от объемной (массовой), не может служить решающей характеристикой, определяющей тип процесса и распределение концентраций по высоте слоя. Причем принимают, что реакция имеет первый порядок по остаточной "концентрации" кислорода в окислах.

    Пока нет новостей