Способ определения удельной скорости реагирования пористого кускового материала с газообразным реагентом Советский патент 1992 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к изучению свойств пористого кускового материала, например кокса, и может быть использовано в технологии коксохимического и металлургического производств для выбора оптимальных восстановителей, а также в практике научно-исследовательских работ.

Известен способ определения реакционной способности кокса по отношению к диоксиду углерода, заключающийся в его газификации в реакторе при заданной температуре в течение определенного времени, определении степени превращения газообразного окислителя и последующем расчете константы скорости реакции.

Однако данный способ предназначен для измельченных образцов и не дает информации о скорости реагирования кускового материала

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения удельной скорости реагирования пористого кускового материала с газообразным реагентом за ключающийся в расчетном определении удельной скорости реагирования на основании экспериментально определенных значений константы скорости химической реакции и эффективной глубины проникно вения

vj

Јь

О J 00 О

Однако для вычисления эффективной глубины проникновения по известному способу требуется предварительное определение эффективного коэффициента диффузии либо изучение пористой структуры твердого материала, что требует применения сложного оборудования Дополнительно к аппаратуре для кинетических исследований.

Целью изобретения является упрощение и повышение достоверности определения.

Способ заключается в том, что в результате лабораторных исследований на одной установке определяются оба необходимых показателя; константа скорости химической реакции и эффективная глубина проникновения газообразного реагента в кусок. Таким образом, определение эффективного коэффициента диффузии становится ненужным.

Из исследуемого кускового пористого материала готовят две пробы узких классов крупности. Размер образцов мелкого класса должен обеспечивать протекание реакции в кинетической области, т. е. участие в реакции всей внутренней поверхности пор. Размер образцов кругшого клаТсЗ должен обеспечивать внутреннедиффузионный режим ре тгирования, при котором в реакции участвует только приповерхностный слой. Приготовленные образцы поочередно помещают в реактор, осуществляют их взаимодействие с газообразным реагентом, контролируют скорость реагирования и рассчитывают константу скорости реакции для маленьких образцов и удельную скорость для больших

Для определения величины эффективной глубины проникновения решают алгебраическое уравнение третьей степени, выведенное следующим образом, Считая, что в куске пористого материала в реакции участвует только приповерхностный слой толщиной f и пренебрегая реакцией на внешней поверхности образца, можно рассчитать реагирующий обьем. Если в качестве модельного тела принять шар диаметром D, то обьем составляет величину

I D3 - (D

2 О3

(1)

Умножив величину реагирующего объема на константу скорости химической реакции К и разделив на весь объем образца D3 можно рассчитать удельную скорость реагирования

J}l::il5 -:2J:)2

D(2)

Таким образом, из полученного уравнения следует, что. определив экспериментально в одном опыте, константу скорости реакции и в другом опыте удельную скорость реагирования кускового пористого материала с известным размером кусков, можно определить значение эффективной глубины проникновения реакции в образец и рассчитать удельную скорость реагирования для

0 образцов любого размера.

Пример. Пробы кокса, измельченные до размеров: 1-2; 2-3: 3-5:5-7: 7-10; 10-13: 13-16; 16-20; 20-25 и 25-40 мм, помещают в реактор и окисляют диоксидом углерода

5 при 950°С. Контроль скорости реакции осуществляют весовым методом. Для частиц с размерами 1-2; 2-3 и 3-5 мм крупность не влияет на удельную скорость реагирования (данные сведены в таблицу). Это свидетель0 ствует о том. что при таких условиях в реакции участвует весь внутренний объем образца и данное значение удельной скоро- . сти реагирования является константой скорости химической реакции. Для более

5 крупных образцов наблюдают систематическое снижение удельной скорости реагирования при увеличении их размеров.

Путем решения уравнения (2) с полученными в экспериментах значениями констан0 ты скорости химической реакции, удельной скорости реагирования для кусков размером 16-20 мм. соответствующего среднего диаметра и случайных значений эффективной глубины проникновения, получают зна5 чение Ј , которое составят 1,8 мм.

Затем по формуле (2) рассчитывают теоретические значения удельной скорости реагирования для кусков других классов крупности. Результаты экспериментальных

0 определений и расчетов приведены в таблице.

При расчете данных таблицы используют экспериментальные данные для классов 2-3 мм (константа скорости) и 16-20 мм

5 (удельная скорость реакции), поэтому для этих классов не приведены расчетные скорости Для класса 1 -2 мм формула (2) неприменима, так как в этом случае диаметр кусочка меньше двойной эффективной глу0 бины проникновения.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ определения согласуется с экспериментальными данными. Относительное расхождение не превышает 6%. что меньше

5 ошибки экспериментального определения, оцениваемой в 10 отн.%.

Таким образом предлагаемый способ находится в соответствии с экспериментальными данными и позволяет определять величину эффективной глубины проник -овения реакции в пористый кусковый материал и удельную скорость реагирования образцов любого размера без определения величины эффективного коэффициента диффузии или изучения пористой структуры твердого материала Способ может быть применен не только к коксу, но и к любому другому пористому твердому материалу, реагирующему с газообразным реагентом, если условия реакции и характер пористости материала позволяют пренебречь реакцией на внешней поверхности куска по сравнению с реакцией на внутренней поверхности пор.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключаются в применении одной экспериментальной установки для определения двух необходимых показателей, характеризующих удельную скорость реагирования пористого кускового материала.

Формула изобретения Способ определения удельной скорости реагирования пористого кускового ма- териала с газообразным реагентом, включающий проведение реакции в реакторе при заданной температуре, определение убыли массы твердого или степени конверсии газообразного реагента и по ним опре- деление константы скорости химической

реакции определение глубины проникноне ния реагента в материал и расчет удельной скорости реакции, отличающийся тем что. с целью упрощения и повышения досто верности определения, отбирают образцы материала со средними диаметрами D i и П из условия обеспечения протекания ре акции соответственно в кинетической и внутренне-диффузионной области реагирования, константу К скорости химической реакции определяют по образцу со средним диаметром DI, удельную скорость реакции Ууд .определяют для образца со средним диаметром D2 и рассчитывают глубину проникновения реагента в материал из уравнения

VJq2) ( )2 03

полученные значения К и г используют для определения удельной скорости реагирования образцов материалов с произвольными размерами по формуле

vvn-к °l-(PTAOL

D

где D - средний диаметр образца

Изобретение относится к изучению свойств пористого кускового материала и может найти применение в технологии коксохимического и металлургического производства для выбора оптимального восстановителя, а также в практике научно-исследовательских работ Для определения величины эффективной глубины проникновения окислителя в образец используются результаты кинетических экспериментов. В одном эксперименте на мелкораздробленном материале определяют константу скорости химической реакции , в другом на кусковом материале определяют удельную скорость реагирования. Для определения глубины проникновения реакции в образец решают уравнение, в которое входят экспериментально определяемые величины: константа скорости химической реакции удельная скорость реагирования кускового материала и средний размер кусков. Знание константы скорости химической реакции и глубины проникновения реакции в образец дает возможность рассчитать удельную скорость реагирования кускового материала любого размера 1 табл. (Л С

Отношение расчетных данных от эксперимента, отн. %

-0,4 3.8 -5,8 -3,3 -3,8

-3,6 +2,7