Аналогия между физико-химическими и теплофизическими процессами при обезуглероживании отходов производства алюминия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН __________________________________2007, том 50, №4______________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 669.054-669.71

А.А.Сулейманов, член-корреспондент АН Республики Таджикистан Х.С.Сафиев, академик АН Республики Таджикистан У.М.Мирсаидов АНАЛОГИЯ МЕЖДУ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

АЛЮМИНИЯ

Очистка примесей отходов (углерода) алюминиевого производства методом выжига осуществляется в печи с вращающимся цилиндрическим барабаном [1-3].

Для установления связи между физико-химическими и теплотехническими показателями процесса обезуглероживания в печи выжига принимаем соответствие характера изменения степени обезуглероживания изменению константы химической реакции окисления углерода.

Степень обезуглероживания отходов в цилиндрическом барабане печи выжига зависит от теплофизических показателей твердых частиц в подвижном слое и окружающей газо-пылевоздушной среды и может быть представлена в виде:

С = С0 ехр

а

-т

(1)

с pH

где: С - начальная концентрация углерода в твердом отходе, в %;

С - концентрация углерода в момент времени т , ч, в %; с - теплоемкость материала, ккал\кг • гр ; р - насыпная плотность частиц твердых отходов, кг/м3 ;

Н - высота подвижного слоя, м; а - коэффициент теплоотдачи, ккал / мМ • ч • К .

Пусть началу времени поступления материала (отходов) в печь соответствует: т0 = 0, концентрация углерода С0 и температура сырья Г0 = 273 К. Процесс обезуглероживания в печи выжига производится при технологически допустимой температуре газо-пылевоздушной среды около ТГ =1073 К, так как превышение этой температуры приводит к нарушению технологического режима выжига.

Температура твердых частиц в подвижном слое, начиная с момента времени после поступления в рабочее пространство печи т0 = 0, повышается в направлении движения, и для

процесса нагрева справедлива зависимость изменения константы скорости химическом реакции Аррениуса [4]:

к = А ехр

.Е_

ят

(2)

где: Е - энергия активации, кал/моль, Я - газовая постоянная, кал/К ■ моль, Т - абсолютная температура, К, А - предэкспоненциальный множитель, имеющий ту же размерность, что и константа скорости, и для реакции первого порядка, выраженная в обратных минутах. Зависимости (1) и (2) в относительных величинах имеют вид:

и

г С

С = — = ехр

С

а

60 ■ ерИ

(3)

,Е_

ят

-1

(4)

где: кг - константа реакции при температуре Тг, мин

Графики, построенные по зависимостям (3) и (4), приведены на рис. 1.

Рис. 1. Изменение концентрации углерода по длине вращающейся печи выжига.

Как видно из графиков, приведенных на рис. 1, обезличенные зависимости (3) и (4) практически совпадают. Это позволяет сделать важный вывод: кинетика процесса обезуглероживания отхода, описанная теплофизическими параметрами, подобна изменению константы скорости химической реакции, то есть существует количественная связь между физико -химическими и теплофизическими параметрами в процессе окисления углерода.

Тогда справедливо уравнение:

1 - С

= 1

или

к = 1 - С. (5 )

Разделив правую и левую части уравнения (5) на безразмерную концентрацию С , по-

лучим

к 1 - С

С С

(6)

Рис.2. Изменение константы скорости реакции и концентрации углерода в относительных координатах.

После подстановки в уравнение (6) выражения (3) и (4) получим:

^ а

яг

1 - е

?рк

-рр

или:

(7)

Потребуем, чтобы степень левой части уравнения была равна нулю, т.е. условие, при котором термодинамическое состояние системы определялось бы теплофизическими параметрами, тогда справедливо

Е

а

+

КГ срИ

г = 0

или

Е

а

г

(8)

ЯГ срИ

Определим время г, при котором устанавливается связь между физико-химическими и теплофизическими процессами, для этого перепишем уравнение (7) с учетом (8):

е0 = есрИ -1

или

а

а --г*

есрИ = 2 . (9)

Прологарифмировав выражение (9) и решив относительно г», получим

срИ

или

а , „ -г, = 1п2

срИ тогда

0.693

г* =--------

а

срИ

Полученное уравнение (9) по записи совпадает с выражением периода полураспада Гу2, то есть временем, необходимым для того, чтобы прореагировала половина начального

количества. Из рассмотрения кинетики реакции первого порядка зависимость по определению периода полураспада имеет вид:

0.693

г1/2 = ~Т~ ’

тогда для периода полураспада справедливо равенство:

а

к = ■

60ерИ

Таким образом, при известных теплофизических параметрах процесса обезуглероживания можно определить константу скорости химической реакции.

Таджикский технический Поступило 03.09.2007 г.

университет им.акад.М.С.Осими,

Агентство по ядерной и радиационной безопасности АН Республики Таджикистан

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент № 005302 (Евразийский) Печь Сулейманова. Эрматов А.Г., Мирсаидов УМ., Сафиев Х.С., Сулейманов А.А. и др., 2004.

2. Мирсаидов УМ., Сафиев Х.С., Азизов Б.С., Сулейманов А.А. и др. - ДАН РТ, 2002, т. 45, № 1112, с.6-12.

3. Сулейманов А.А., Рузиев Д.Р., Сафиев А.Х., Азизов Б.С., Мирсаидов У.М. - ДАН РТ, 2005, т. 48, № 9-10, с. 68-71.

4. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. М.: Мир, 1978, 645 с.

А.А.Сулаймонов, Х,.С.Сафиев, У.Мирсаидов МОНАНДИИ БАЙНИ РАВАНД^ОИ ФИЗИКИ - КИМИЁВЙ ВА ГАРМИФИЗИКЙ ЗИМНИ АЗ КАРБОН ОЗОДКУНИИ ПАРТОВ^ОИ ИСТЕХ,СОЛИ АЛЮМИНИЙ

Дар мак;ола алокди байни протсесх,ои физикй-кимиёвй ва гармифизикии аз карбон озодкунии партовх,ои истех,соли алюминий дар нимаи давраи так;симшавй оварда шудааст.

A.A.Sulaimonov, Kh.S.Safiev, U.M.Mirsaidov ANALOGY OF PHYSICAL-CHEMICAL AND WARM PHYSICAL PROCESSES OFF-COAL OF WASTES OF PRODUCTION OF ALUMINUM

The article shows connection of physical-chemical and warm physical processes of coal-off of wastes of production of aluminum for period of semi fall.

З58