Взаимодействие частиц пылегазового потока с жидким реагентом Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 54-11(621.794+54-3+541.127)

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ ПЫЛЕГАЗОВОГО ПОТОКА С ЖИДКИМ РЕАГЕНТОМ

© 2006 г. В.Я. Хентов, А.Б. Слабинская, Л.Н. Великанова, В.В. Семченко

Многочисленные производственные процессы сопровождаются пылеобразованием. В результате создаются тяжелые условия в рабочей зоне и теряются ценные продукты. На практике применяются самые разнообразные методы обеспыливания. При этом весьма актуальна проблема утилизации ценных продуктов. В этом отношении перспективны методы бар-ботажной промывки запыленного воздуха. Из газового пузыря практически все пылевые частицы переходят на межфазную границу жидкость-газ. Это связано с электростатическим рассеиванием униполярно заряженных пылевых частиц [1]. Предельная эффективность процесса улавливания пыли при барботаже реализуется при глубине всплывания пузыря 0,25-0,30 м. С целью утилизации ценных продуктов, главным образом, металлов и их трудно растворимых в воде ко-валентных соединений представляется интересным организация химического взаимодействия пылевых частиц с жидким реагентом. В роли реагента могут выступать растворы кислот или органического лиган-да в апротонных растворителях. В последнем случае происходит образование комплексных соединений металла.

Представляется интересной разработка способа пылеулавливания, осложненного химической реакцией с одновременным переводом в растворенное состояние металлов и их ковалентных соединений. Для химической технологии весьма актуально повышение эффективности химического процесса. Это предопределяет повышение скорости процесса и увеличение выхода продукта реакции.

Целью работы явилась разработка способа активизации твердого химического реагента - пылевых частиц посредством их трибоэлектризации в пылега-зовом потоке.

Эффективность химического процесса определяется химическим потенциалом реагентов. Для гетерогенного химического процесса взаимодействия твердых пылевых частиц с жидким реагентом увеличения скорости можно добиться заряжением частиц пыли. В соответствии с уравнением Гюгенгейма химический потенциал заряженной частицы может быть записан в виде

д = До + 2¥у,

где д - химический потенциал частицы в газовом потоке; до - химический потенциал частицы; 2 - чис-

ло электронов присоединенных частицей; ¥ - постоянная Фарадея; у - электростатический потенциал частицы, приобретаемый в потоке. Для заряжения пылевых частиц создавали пылегазовый поток, который затем барботировал жидкий реагент.

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки.

1 3

' 5 —

4 ,

.■■•f.............. •

2

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - компрессор; 2 - стакан с пылевыми частицами; 3 - продуктопровод; 4 - отросток продуктопровода в котором создается разрежение;

5 - барботер с жидким реагентом

С помощью компрессора 1 воздух подавался в продуктопровод 3. В отростке продуктопровода 4 создавалось разрежение. Из стакана 2 пылевые частицы засасывались в продуктопровод и вместе с потоком воздуха поступали в барботер с жидким реагентом 5. Размер пылевых частиц не превышал 100 мкм.

Знак заряда частиц пылегазового потока определялся по налипанию частиц на одну из заряженных пластин конденсатора. Частицы пыли, взятые непосредственно из посуды, в которой они хранились, не налипают на заряженные пластины конденсатора. Знак заряда частиц, подвергнутых трибоэлектризации, определяется природой вещества. Пылевые частицы металлической меди имели положительный знак заряда, а частицы Си8, У203 и У02 - отрицательный знак.

О скорости химического взаимодействия судили по выделению газа (водорода или диоксида углерода) или по изменению оптической плотности раствора при образовании окрашенных продуктов реакции (комплексных соединений металлов).

Скорость реакции определялась по углу наклона кривых для зависимостей «объем газа в функции времени» или «оптическая плотность раствора в функции времени».

В табл. 1 и 2 приведены скорости выделения водорода при растворении карбонильного железа в серной кислоте, алюминия в соляной кислоте. На рис. 2 отражена зависимость скорости выделения диоксида углерода при разложении карбоната магния в растворах щавелевой кислоты.

Таблица 1

Скорость выделения водорода V (см3/с) при растворении карбонильного железа в серной кислоте

Пылевые частицы V при концентрации кислоты С

С = 0,1 М С = 0,2 М С = 0,3 М

Активированный порошок железа 0,30 0,13 0,10

Неактивированный порошок железа 0,175 0,069 0,052

Кратность увеличения скорости 1,72 1,88 1,92

Таблица 2

Скорость выделения водорода V (см3/с) при растворении алюминиевой пыли в соляной кислоте

Пылевые частицы V при концентрации кислоты С

С = 0,1 М С = 0,2 М С = 0,3 М

Активированный порошок алюминия 0,90 0,66 0,54

Неактивированный порошок алюминия 0,47 0,31 0,23

Кратность увеличения скорости 1,92 2,20 2,35

Интересно, что для более активного металла кратность увеличения скорости принимает более высокие значения.

Для частиц карбоната магния, прошедших активацию трибозаряжением скорость растворения в растворах щавелевой кислоты любой концентрации всегда была выше, чем для неактивированных частиц.

Реакции донорно-акцепторного взаимодействия между ковалентными соединениями ^-элементов (оксиды, сульфиды, карбонаты, фосфаты) с органическим лигандом в неводных растворителях после активации в пылегазовом потоке частиц твердой фазы также протекают с высокой эффективностью. Скорость реакции увеличивается в несколько раз, выход продукта химической реакции достигает 96 % (табл. 3). Одновременно снижается энергия активации химической реакции. В этом случае размер пылевых частиц не превышал 160 мкм. Пылегазовый поток посредством барботажа вводился в раствор салицилальанилина в диметилформамиде (концентрация лиганда 0,1 моль/л). В случае пылевых частиц меди в реакцию вступала оксидная пленка.

Таблица 3

Скорости образования комплексного соединения (моль ч"1 см-2) при подаче мелкодисперсного порошка вместе с пылегазовым потоком V1 и степень извлечения а1, при подаче порошка непосредственно в реакционную ванну V2 и степень извлечения а2

Пылевые частицы Cu CuS V2Ü3 VO2

V1 5010-7 5,6-10"6 9,0-10"6 8,99-10"6

аь % 94,3 96,6 90,6 94,3

V2 5,57-10"7 2,59-10"7 4,6-10"6 4,28-10"6

а2, % 10,5 43,7 46,2 45,1

Время взаимодействия, с

Рис. 2. Зависимость объема диоксида углерода, выделившегося при взаимодействии карбоната магния с раствором щавелевой кислоты, от времени взаимодействия. Концентрация щавелевой кислоты: 1 - 0,1 М, 2 - 0,2 М, 3 - 0,3 М. Без активации частиц - 1, 2, 3, с активацией частиц в пылегазовом потоке - 1*, 2*, 3*

Необходимо отметить, что после трибозаряжения твердых частиц реагента их активность со временем падает, т.е. существует время релаксации, в течение которого заряд частиц приходит к первоначальной величине. В табл. 4 показано влияние времени релаксации на скорость образования комплексного соединения для пылевых частиц Си, Си8, У203 и У02.

Таблица 4

Влияние времени релаксации частиц (времени выдерживания заряженного порошка, перед растворением в растворе салицилальанилина в диметилформамиде) на скорость образования комплексного соединения

Время релаксации, мин Скорость образования комплексного соединения, моль/(см2-ч)

Cu CuS VA VO2

0 50,0 5,6 9,0 8,99

10 49,2 5,3 8,7 8,55

20 47,8 4,6 8,3 8,2

30 45,1 4,35 8,0 7,8

Таким образом, предлагается новый способ организации химической реакции, защищенный патентом РФ [2], позволяющий с высокой эффективностью производить пылеулавливание с одновременным извлечением ценных химических продуктов, главным образом, соединений ^элементов. Извлеченные химические элементы легко выделяются из жидкой фазы. Процесс выделения двухстадийный: 1) отгонка растворителя; 2) пиролиз сухого остатка.

Литература

1. Чайковский С.А., Хентов В.Я. // Безопасность жизнедеятельности, охрана труда и окружающей среды: Межвуз. сб. Ростов-н/Д., 1999. Вып. 3. С. 86-87.

2. Хентов В.Я., Великанова Л.Н., Новиков Е.И., Лаврентьев И.П.,

Таланов В.М., Семченко В.В., Чайковский С.А., Антонце-ва А.Б., Липкин М.С. Способ извлечения металлов. Патент 2170275 РФ. Кл. 7 С 22В 3/00. Заявл. 27.06.00; Опубл. 10.07.01, Бюл. № 19.

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 10 февраля 2006 г.

УДК 519.8:678

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА ФИШЕРА-ТРОПША НА КОБАЛЬТОВЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ

© 2006 г. А. О Котенко, Н. С. Лукьянова, Н.В. Высочин, А.П. Савостьянов

Математическое моделирование синтеза Фишера-Тропша (ФТ-синтеза) в последнее время привлекает большое количество ученых, технологов, инженеров и др. в силу возросшей актуальности этого процесса как альтернативного нефтепереработке. Общей проблемой для разработанных моделей процесса является иерархический уровень кинетики. Это обусловлено отсутствием четкого представления о механизме образования углеводородов. Предлагаемые модели кинетики отличаются большим числом уравнений и коэффициентов, определяемых экспериментальным путем, что не позволяет или значительно затрудняет их использование, например, при моделировании синтеза в реакторе промышленного типа с возможно -стью расчета материального, теплового балансов и распределения углеводородов в продукте. Поэтому актуальной является разработка кинетической модели, отличающейся простотой расчета и содержащей минимум экспериментальных коэффициентов.

Целью данной работы является определение математического выражения, адекватно описывающего кинетику синтеза Фишера-Тропша на кобальтовых катализаторах в рабочем интервале температур (420 - 520 К).

Одним из перспективных процессов получения искусственного жидкого топлива и ценных химических соединений на базе не нефтяного сырья (угля, природного газа, биомассы) является синтез углеводородов из СО и Н2, протекающий с участием катализаторов, содержащих переходные металлы VIII группы, известный как синтез Фишера-Тропша [1].

Образование углеводородов из СО и Н2 (синтез-газ) является сложным каталитическим процессом, включающим в себя большое число последовательных и параллельных превращений. Процесс осуществляет-

ся при нормальном и повышенном давлениях (до 2 МПа) в диапазоне температур 420 - 520 К в присутствии катализаторов на основе переходных металлов VIII группы (в основном Бе, Со, Яи) [1].

Основными продуктами процесса на кобальтовых катализаторах являются п-алканы (до 80 %) [2, 3]. При этом основным уравнением, описывающим процесс ФТ-синтеза на кобальтовом катализаторе, является

пСО + (2п+1) Н2 ^ СпН2п+2 + пН20. (1)

Механизм процесса изучается на протяжении более чем 80 лет. Но из-за большого числа продуктов реакции и количества превращений, происходящих как с исходными веществами, так и с промежуточными продуктами синтеза, механизм процесса точно не определен и существует в виде ряда гипотез [4, 5]. Поскольку нет точного представления о механизме синтеза, невозможно построить математическую модель кинетики на его основе. В этом случае обычно механизм представляется в упрощенном виде, адекватном области исследования ФТ-синтеза, и на его основе составляются кинетические уравнения.

При моделировании процесса по формуле (1) необходимо составить п выражений для констант скорости реакций. Учитывая тот факт, что п изменяется в пределах от 1 до -100, такие действия существенно усложняют процесс создания модели.

Предлагается следующий подход к моделированию кинетики ФТ-синтеза на кобальтовых катализаторах, заключающийся в том, что определяется не скорость образования каждого углеводорода, а скорость суммарного превращения СО; состав продуктов синтеза находят по уравнению распределения Андер-сона-Шульца-Флори (АШФ).