Теоретическое введение

Н.Н.Зобнин, В.М. Шевко, А.С. Колесников,

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО КУРСУ

«Теория металлургических процессов»

Для студентов специальности 5В070900(050709) - Металлургия

Шымкент 2012

УДК 669

Составители: Зобнин Н.Н., Шевко В.М., Колесников А.С., Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория металлургических процессов». - Шымкент: ЮКГУ им. М.Ауэзова, 2012.- 112 с.

Методические указания составлены в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Теория металлургических процессов» и включают все необходимые сведения по выполнению тем лабораторных работ курса.

В методических указаниях изложен порядок выполнения лабораторных работ по курсу «Теория металлургических процессов», описание использованных экспериментальных установок и последовательность обработки экспериментальных данных. Изложены краткие теоретические основы изучаемых процессов. Работы представлены по разделам дисциплины - теория пирометаллургических, электрометаллургических и гидрометаллургических процессов.

Методические указания предназначены для студентов специальности 5В070900 (050709) - Металлургия.

Рецензенты:

Жукенов М.Д. – технический директор, (инженер-металлург) ТОО «Нуран»

Каратаева Г.Е. – к.т.н., доцент каф. «ПТЭиМ», ЮКГУ им.М.Ауэзова

Рассмотрено и рекомендовано к печати заседанием кафедры _________

(протокол № __ от «___» _______ 201___ г.) и

методической комиссией факультета ________________________________

(протокол № ___от «__» _____201__ г. )

Рекомендовано к изданию Учебно-методическим советом ЮКГУ им. М.Ауезова, протокол № ___ от «____» ______________ 201_ г.

© Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауэзова, 201_г.

Ответственный за выпуск: Зобнин Н.Н.

СОДЕРЖАНИЕ

Наименование работы	стр.
Лабораторная работа №1. Исследование влияния температуры, давления, соотношения компонентов на равновесие газификации твердого углерода углекислым газом.
Лабораторная работа №2. Изучение кинетики прямого восстановления оксидов металлов.
Лабораторная работа №3. Изучение термодинамических характеристик реакции диссоциации карбонатов методом вакууметрии.
Лабораторная работа №4. Изучение термодинамических характеристик реакции окисления сульфидов.
Лабораторная работа №5. Измерения поверхностного натяжения и плотности расплавов методом максимального давления в пузырьке газа.
Лабораторная работа №6. Изучение распределения компонентов между двумя фазами на примере экстракции молибдена трибутилфосфатом.
Лабораторная работа №7. Определение коэффициентов активности ионов в водных растворах и металлических расплавах методом ЭДС гальванических элементов.
Лабораторная работа №8. Исследование вольт-амперных характеристик электролита на примере водных растворов солей в зависимости от концентрации основных и примесных ионов
Лабораторная работа №9. Исследование зависимости выхода по току от параметров электролиза водных растворов солей
Лабораторная работа №10 Исследование вольт-амперных характеристик электрического дугового разряда в газовых средах
Лабораторная работа №11. Исследование влияния состава шихты на удельное электрическое сопротивление шихты при электрометаллургическом производстве ферросплавов
Лабораторная работа №12. Исследование закономерностей в процессах осаждения ионов металлов из растворов
Лабораторная работа №13 Исследование закономерностей в процессах концентрирования методом ионообменной адсорбции на катионитах и ионообменных смолах
Лабораторная работа №14 Изучение влияния одноименных ионов и ионной силы раствора на растворимость солей при высаливании растворов
Лабораторная работа №15 Изучение закономерностей гидролиза солей в процессах декомпозиции солевых растворов

Лабораторная работа №1. Исследование влияния температуры, давления, соотношения компонентов на равновесие газификации твердого углерода углекислым газом.

Теоретическое введение.

Газификация твердого углерода протекает в ряде металлургических процессов (доменном, прямого получения железа и др.). Взаимодействие твердого углерода с диоксидом СО₂ осуществляется по обратимой реакции:

С+СО₂↔2СО; DНº>0, (1)

Константа равновесия реакции выражается соотношением:

К_Р=p²_СО/ p_СО2·α_С, (2)

где: p²_СО/ p_СО2-равновесные давления соответствующих газов;

α_С- активность углерода.

Константу равновесия изучаемой реакции можно рассчитать, зная состав равновесной газовой смеси СО-СО₂:

К_Р=[100-(% СО₂)]²·p_об/100·(% СО₂), (3)

где: p_об- общее давление в системе.

1-1,013·10⁵Па; 2- 0,304·10⁵Па

Рисунок 1-Равновесные содержания монооксида углерода для реакции С+СО₂↔2СО в зависимости от температуры и давления

Реакция газификации углерода протекает с поглощением тепла и увеличением числа молей газообразных продуктов. В соответствии с принципом смещения равновесия повышение температуры и уменьшение давления в системе способствуют обогащению газовой фазы монооксидом СО (рисунок 1). Величина теплового эффекта реакции и состав газовой фазы изменяются в зависимости от разновидностей углерода, имеющих различную активность α_С. Стабильной модификацией углерода является графит, для которого активность углерода принята равной единице. Так называемый аморфный углерод (кокс, деревянный кокс, сажа), представляющий собой высокодисперсный графит, обеспечивает получение газовой фазы, более богатой монооксидом СО. Повышенная активность аморфного углерода (α_С>1) обусловлена добавочной величиной его поверхностной энергии.

В соответствии с правилом фаз равновесие системы, состоящей из двух фаз (при двух компонентах), определяется двумя независимыми переменными С=К+2-Ф=2.

Независимые переменные (температура и давление) однозначно определяют зависимую величину- равновесную концентрацию монооксида углерода (см. рисунок 1) в газовой фазе, т.е. % СО=f(T,p).

Температурная зависимость константы равновесия реакции газификации углерода в сравнительно небольшом температурном интервале выражается уравнением:

lg К_Р=-А/Т+В. (4)

По константам равновесия при различных температурах можно определить стандартное изменение энергии Гиббса DGº_T:

DGº_T=-RT ln К_Р=DНº-TDSº, (5)

Взаимодействие углерода с диоксидом СО₂ слагается из нескольких стадий и в зависимости от лимитирующего звена может протекать в кинетическом, диффузионном или диффузионно-кинетическом режимах. Кинетический режим взаимодействия характерен для сравнительно низких температур, высоких скоростей газового потока и малых размеров частиц углерода. При этом скорость процесса можно выразить простейшим кинетическим уравнением:

v=k·pⁿ_СО2 (6)

где k=k₀exp(-E/RT)- константа скорости реакции; Е- кажущаяся энергия активации, Дж/моль; p_СО2-парциальное давление диоксида углерода; n- порядок реакций.

Порядок этой реакции в зависимости от условий изменяется от 0 до 1. Диффузионный режим взаимодействия характерен для высоких температур, малых скоростей газового потока и значительных размеров частиц углерода. В диффузионно-кинетическом режиме взаимодействия скорость химической реакции сопоставима со скоростью массопереноса. Скорость реакции газификации углерода при высоких температурах зависит как от поверхностного, так и от внутреннего взаимодействия, т.е. от взаимодействия СО₂ в объеме пор, трещин и других внутренних дефектов кусочков углерода. Установлено активирующие действие оксидов и солей некоторых металлов на реакцию газификации углерода. Оксиды и карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, а также оксиды железа, никеля и марганца ускоряют процесс газификации углерода.

Задачи исследования.

Изучить термодинамические характеристики реакции газификации углерода: установить температурные зависимости константы равновесия lg К_Р=f(1/Т), изменения энергии Гиббса DGº=φ(Т) а также равновесного распределения кислорода и углерода.