ТОП 10:

Восстановление оксидов железа СО



 

По степени убывания кислорода оксиды железа располагаются в ряд: Fe2О3, Fe3O4 и FeO, содержащие соответственно 30,06; 27,64 и 22,28% кислорода. В этом же направлении возрастает и химическое сродство к кислороду, т. е. из трех оксидов железа наиболее прочным в условиях рабочего пространства доменной печи является FeO. Восстановление железа из его оксидов протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода ив зависимости от температуры может быть изображено двумя схемами:

при температуре >570°С

 

Fe2О3 → Fe3О4 → FeO → Fe,

 

при температуре <570°С

 

Fe203 → Fe304 → Fe.

 

В доменной печи восстановление железа из его оксидов протекает в основном по первой схеме, так как уже через несколько минут после загрузки материалов на колошник они нагреваются до температуры выше 570° С. Большая половина кислорода, связанного в окислах железа, отбирается оксидом углерода, поэтому основным восстановителем в доменной печи является оксид углерода.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода при температуре ниже 570 С идет по реакциям

 

3Fe2О3 + CO → 2Fe3О4 + CО2 + 8870 ккал, (52)

Fe3О4 + kCO = 3Fe + (k-4)CO + 4CO2 +4100 ккал. (53)

 

При температуре выше 570° С восстановление идет по реакциям

 

3Fe2О3 + CO → 2Fe3О4 + CО2 + 8870 ккал, (54)

Fe3О4 + m CO = 3FeО + (m-1) CO + CО2 – 4490 ккал, (55)

FeО + n CO = Fe + (n - 1) CO + CО2 + 3250 ккал. (56)

 

Суммарный тепловой эффект реакций непрямого восстановления оксидом углерода положительный. Наиболее легковосстановимым окислом является Fe2О3. Упругость диссоциации ее настолько велика, что реакция (54) идет необратимо в сторону образования Fe3О4 при любом соотношении окиси и двуокиси углерода в газовой фазе почти до полного превращения СО в СО2 или Fe2О3 в Fe3О4. Остальные реакции могут протекать в обоих направлениях в зависимости от температуры и соотношения СО и СО2 в газовой фазе, так как оксиды Fe3О4 и FeO намного прочнее, чем оксид Fe2О3. Для их восстановления необходимо, чтобы отношение СО к СО2 в газовой фазе всегда было больше определенного значения, при котором возможно протекание реакций слева направо. В уравнениях реакций (53, 55, 56) это условие отражается коэффициентами k, m и n при СО.

Для каждой температуры при определенном соотношении СО и СО2 в газовой смеси в реакциях (53, 55, 56) устанавливается равновесие. Газовые смеси, находящиеся в равновесии с восстанавливаемыми оксидами, называются равновесными или нейтральными смесями.

На рисунке 25 приведена диаграмма равновесий газовых смесей СО и СО2 с оксидами железа и железом. На горизонтальной оси абсцисс: температура, на вертикальной отношение СО/СО2 т. е. газовая фаза состоит только из СО и СО2, причем сумма их всегда равна 100.

 

Рисунок 25 - Кривые равновесия газовых смесей СО и СО2 с оксидами железа и железом

 

Равновесная линяя 1 реакции (54) сливается с осью абсцисс, т.к. равновесие реакции достигается при очень низкой концентрации СО в газовой смеси.

Равновесие реакций (53) и (56) с повышением температуры характеризуется восходящими кривыми 2 и 3, а равновесие реакции (55) – нисходящей кривой 4. Следовательно, при восстановлении Fe3О4 до Fe и FeO до Fe содержание СО в равновесной смеси с увеличением температуры возрастает – возрастают значения k и n в реакциях (53) и (56), а при восстановлении Fe3О4 до FeO с повышением температуры содержание СО убывает - уменьшается значение m в реакции (55).

Равновесное изменение состава газовой смеси при изменении температуры, а следовательно, конфигурация кривых равновесия на диаграмме зависят от знака теплового эффекта реакций в соответствием с принципом подвижного равновесия Ле-Шателье.

Равновесные линии делят диаграмму на три поля: Fe, FeO и Fe3О4. Четвертое поле Fe2О3 на диаграмме отсутствует, так как равновесная линия 1 сливается с осью абсцисс.

Любая точка на кривых характеризует положение равновесия той или иной реакции, а каждая точка вне кривых – нейтральный состав газовой смеси только для того вещества, в поле которого находится точка. Например, если в поле устойчивого существования FeO поместить Fe, FeO и Fe3О4 то железо окислится до FeO, Fe3О4 восстановится до FeO, a FeO останется без изменения. Реакции будут протекать до тех пор, пока не израсходуется тот или иной реагент или пока газовая смесь не станет равновесной.

Пользуюсь условиями равновесия и принципом Ле-Шателье, можно анализировать возможность протекания реакций в любой области диаграммы, а также определять численные значения коэффициентов к, m и n в реакциях (53, 55, 56). Определим, например, значение n в реакции (55) при температуре 1000° С. Равновесная газовая смесь для этой реакции при 1000° С состоит из 72% СО и 28% СО2. Определим отношение компонентов равновесной газовой смеси:

 

 

Подставим вместо СО и СО2 коэффициенты (n – 1) и 1, стоящие при СО и СО2 в правой части реакции (55). Тогда n – 1/1=2,57, а n = 3,57.

Это значит, что при 1000° С и n, равном 3,57, реакция (55) будет находиться в равновесии. При n >3,57 FeO будет восстанавливаться до Fe, а при n < 3,57 железо будет окисляться до FeO. Аналогично для каждой температуры можно определить значения k и m.







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-17; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 100.24.125.162 (0.008 с.)