hamid96
عضو جدید
چکیده:
به هر واکنش تجزیه حرارتی که طی آن یک جامد به جامد جدید و یک گاز تبدیل شود تکلیس گویند.در این آزمایش روی سنگ آهک در دماهای 740،840،940و1040،زمان های10،20،30،45،60،90و120وبا دانه بندی های16،30و100 مش فرآیند تکلیس انجام شد.با توجه به نمودارهای به دست آمده برای دانه بندی های ذکر شده دمای مناسب cْ 1040 وزمان 10دقیقه بود که البته دمای بهینه را می توانc 940ْوزمان 20دقیقه در نظر گرفت.باقی نتایج در قسمت نتایج بیان شد.
کلمات کلیدی:
تکلیس، سنگ آهک، کربن دی اکسید، هیدرات ها وکربنات ها
مقدمه:
فرآیند تکلیس شامل جدا کردن آب،کربن دیوکسید یا گازهای دیگر است که با پیوند شیمیایی در ترکیب هایی مانند هیدرات ها یا کربنات ها وجود دارد . توجه داشته باشید که تشخیص بین آب آزاد و آب با پیوند شیمیایی چندان آشکار نیست . همین که آب آزاد از ماده ای جدا شد ، نوبت به آب جذب شده و سپس به آبی که پیوند ضعیفی دارد ونهایتا نوبت به آب با پیوندهای قوی می رسد . در مورد خاک رس ، هیدروکسیدهای آهن و آلومینیوم ، این روند صدق می کند. در این مواد ،فشار بخار آب به طور پیوسته، از آب آزاد در ماده مرطوب کاسته می شود تادر اکسید کاملا آب زدایی شده به صفر می رسد که طی فرآیند همراه با افزایش دمای لازم برای آب زدایی است . مثلا برای آن که آخرین ذرات آب از آلومینیوم اکسید گرفته شود دمایی بیش ازc 1000ْ لازم است. همچنین آنتالپی تبخیر با کاهش مقدار آب افزایش می یابد.
به نظر می رسد سرعت تکلیس عمدتا تحت تاثیر مقدار گرمای لازم برای تجزیه است. در این زمینه وارر(wuhrer) ودیگران کار کرده اند و مطابق با نظریه آن ها سرعت شیمیایی تجزیه سنگ آهک درc 900ْ نسبتا بالاست وسرعت تکلیس به تامین گرمای لازم از طریق هدایت از درون لایه آهک پخته بستگی دارد.در این مورد سرعت تجزیه از معادلات حالت واکنش های کنترل نفوذی پیروی می کند ،یعنی ، متناسب با عکس مربع قطر وزمان لازم برای کامل شدن تکلیس متناسب با مربع قطر است .
برای دستیابی به یک زمان تکلیس قابل قبول برای کلوخه های معمولی آهک ، باید با یک گاز گرم کننده در دمای اضافی نسبتا بالا کار کنیم . البته این بدان معنی است که لایه بیرونی بیش از حد پخته شده و موجب کاهش فعالیت شیمیایی ماده در کاربردهای بعدی می شود . فرآیند تکلیس در مقیاس صنعتی در کوره های مختلفی انجام می شود . برای سنگ آهک درشت کوره استوانه ای بهترین است . برای مواد با اندازه ذرات مخلوط یا کلوخه های خرد شده ،کوره چرخان به کار می رودونهایتا برای ذرات یکنواخت و ریز کوره بستر سیال به کار می رود. از سوخت هایی مثل گاز ، نفت ویا کک هر کدام که در دسترس است ، می توان استفاده کرد.
- ترمودینامیک تکلیس
شرط انجام واکنش:
در لحظه تعادل:
تابع شرایط سیستم است یعنی تابع فشار کل و درصد دی اکسید کرین است. ولی فقط تابع دماست. بنابراین اگر در رابطه به جای ، قرار داده شود و به صورت رابطه ای بر حسب دما موجود باشد (در مراجع موجود است) می توان با حل یک معادله و یک مجهول دمای شروع تجزیه کربنات ها را محاسبه نمود.
فرض کنید یک ذره کربنات کلسیم موجود است که وقتی این ذره حرارت ببیند واکنشی از سطح شروع می شود و بلافاصله پس از شروع واکنش لایه بسیار نازکی از CaO روی سطح وجود داشته باشد.
پس گازبرای خروج از واکنش باید فشاری معادل 1 اتمسفر داشته باشد لذا برای محاسبه دمای تکلیس
را 1 اتمسفر در نظر می گیرند.
در عمل دمای تجزیه کربنات ها را بالاتر از دمای تئوری در نظر می گیرند.
همان طور که قبلا ذکر شد تابع دماست و لذا می توان با استفاده از نمودار بر حسب دما فهمید که دما چقدر افزایش یابد تا زیاد شود که از بیشتر شود تا واکنش انجام گیرد.
واکنش های تکلیس دارای دو عیب عمده هستند:
1- گرماگیر هستند و به همین دلیل باید نوع سوخت مصرفی را تغییر داد تا هزینه تولید کاهش یابد.
2- تولید گاز می کند که باعث افزایش حجم گاز و افزایش سرعت گاز و افزایش گرد و غبار خواهد شد و نیز این گاز یک عامل اکسیدی است و افزایش آن باعث افزایش پتانسیل احیاکنندگی گاز می شود و حجم گاز مورد نیاز افزایش یافته و بالطبع مصرف کک نیز افزایش می یابد.
- سینتیک تکلیس:
عوامل موثر بر سینتیک تکلیس عبارتند از:
1- دما: هرچه دما افزایش یابد سرعت تکلیس هم افزایش می یابد.
2- فشار کل: با کاهش فشار کل سیستم طبق اصل لوشاتلیه واکنش به سمتی پیش می رود که فشار بیشتری تولید کند و لذا واکنش تکلیس بهتر انجام می شود و سرعت تجزیه کربنات ها افزایش می یابد.
3- اندازه دانه: هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد ، سرعت تکلیس بیشتر می شود.
4- تخلخل: در شرایطی که اندازه دانه ثابت باشد ، با افزایش تخلخل ، سرعت تکلیس نیز افزایش می یابد.
5- تلاطم: هرچه تلاطم بیشتر باشد ،سرعت واکنش بیشتر می شود زیرا تولیدی از اطراف ذره دور می شود و بنابراین امکان انجام واکنش در سطح ذره فراهم خواهد شد.
با توجه به عوامل بالا، در صنعت برای بهتر انجام شدن تکلیس ، اصولا دما، اندازه دانه و تلاطم را تغییر می دهند ولی فشار در سیستم های متالورژیکی اصولا همان 1 اتمسفر است. ( معمولا در اکثر موارد تخلخل نیز تغییر نمی یابد.)
برای بررسی عوامل فوق از آنالیز حرارتی استفاده می شود.
- انواع آنالیز حرارتی:
1- TGA : این نوع آنالییز وقتی به کار می رود که تغییر وزن نمونه نسبت به تغییر دما یا تغییر زمان قابل محاسبه باشد.
2- DTA : این نوع آنالیز برای نمونه هایی به کار می رود که ممکن است تغییر وزن نداشته باشند و یا تغییر وزن مد نظر نباشد. در این روش تغییر دما را بر حسب تغییرات زمان به صورت نمودار نشان می دهد وبا محاسبه سطح زیر منحنی محاسبات سینتیکی انجام می شود.
اگر DTA و TGA توامان باشند ، سیستم STA خواهد بود.
3- DSC : در این روش مقدار گرمایی که به نمونه داده و یا از آن گرفته می شود تا دما ثابت بماند را حساب کرده و از روی آن می توان پارامترهایی مانند را محاسبه نمود.
در بین کربنات ها ، کربنات کلسیم مهمترین کربناتی است که در صنعت استفاده می شود. از مهمترین موارد مصرف این ماده می توان به استفاده در ساخت مواد نسوز و استفاده در کوره بلند و فولاد سازی اشاره کرد.
اگر فرض شود مقدار وزن اولیه نمونه باشد و نیز وزن نمونه در هر لحظه و نیز وزن نمونه بعد از پایان واکنش باشد ، آن گاه می توان روابط زیر را برای آن بیان کرد:
بیانگر مکانیزم حاکم بر واکنش است . برای چنین واکنشی می توان کسر پیشرفت واکنش را تعریف کرد. کسر پیشرفت واکنش عبارتست از میزان واکنش انجام شده در هر لحظه:
اگر از معادله فوق نسبت به t مشتق گرفته شود رابطه ای به صورت زیر پدیدار می شود:
و اگر از این رابطه انتگرال گرفته شود ، رابطه زیر به دست می آید:
در اینجا بین صفر و 1 تغییر می کند.
بیانگر مدل حاکم بر واکنش در حالت انتگرالی خواهد بود.
برای واکنش تکلیس کربنات کلسیم ، درجه تکلیس را با C.D (Calcination Degree ) نشان می دهند.
در شرایط استاندارد اگر 1000 گرم تجزیه شود ، روابط زیر صادق خواهد بود:
در شرایطی که نمونه خالص نباشد باید درصد خلوص را نیز در رابطه ضرب کرد.
برای بررسی اثرات دما ، زمان و اندازه دانه بر روی واکنش تکلیس کربنات کلسیم آزمایش زیر انجام می گیرد:
آزمایش:
-مواد و وسایل مورد نیاز:
سنگ آهک با دانه بندی های 16،30و100 مش
کروزه
ترازوی sartorius با دقت اندازه گیری 0.01گرم
کوره exition مدل atash 1500
انبر
به هر واکنش تجزیه حرارتی که طی آن یک جامد به جامد جدید و یک گاز تبدیل شود تکلیس گویند.در این آزمایش روی سنگ آهک در دماهای 740،840،940و1040،زمان های10،20،30،45،60،90و120وبا دانه بندی های16،30و100 مش فرآیند تکلیس انجام شد.با توجه به نمودارهای به دست آمده برای دانه بندی های ذکر شده دمای مناسب cْ 1040 وزمان 10دقیقه بود که البته دمای بهینه را می توانc 940ْوزمان 20دقیقه در نظر گرفت.باقی نتایج در قسمت نتایج بیان شد.
کلمات کلیدی:
تکلیس، سنگ آهک، کربن دی اکسید، هیدرات ها وکربنات ها
مقدمه:
فرآیند تکلیس شامل جدا کردن آب،کربن دیوکسید یا گازهای دیگر است که با پیوند شیمیایی در ترکیب هایی مانند هیدرات ها یا کربنات ها وجود دارد . توجه داشته باشید که تشخیص بین آب آزاد و آب با پیوند شیمیایی چندان آشکار نیست . همین که آب آزاد از ماده ای جدا شد ، نوبت به آب جذب شده و سپس به آبی که پیوند ضعیفی دارد ونهایتا نوبت به آب با پیوندهای قوی می رسد . در مورد خاک رس ، هیدروکسیدهای آهن و آلومینیوم ، این روند صدق می کند. در این مواد ،فشار بخار آب به طور پیوسته، از آب آزاد در ماده مرطوب کاسته می شود تادر اکسید کاملا آب زدایی شده به صفر می رسد که طی فرآیند همراه با افزایش دمای لازم برای آب زدایی است . مثلا برای آن که آخرین ذرات آب از آلومینیوم اکسید گرفته شود دمایی بیش ازc 1000ْ لازم است. همچنین آنتالپی تبخیر با کاهش مقدار آب افزایش می یابد.
به نظر می رسد سرعت تکلیس عمدتا تحت تاثیر مقدار گرمای لازم برای تجزیه است. در این زمینه وارر(wuhrer) ودیگران کار کرده اند و مطابق با نظریه آن ها سرعت شیمیایی تجزیه سنگ آهک درc 900ْ نسبتا بالاست وسرعت تکلیس به تامین گرمای لازم از طریق هدایت از درون لایه آهک پخته بستگی دارد.در این مورد سرعت تجزیه از معادلات حالت واکنش های کنترل نفوذی پیروی می کند ،یعنی ، متناسب با عکس مربع قطر وزمان لازم برای کامل شدن تکلیس متناسب با مربع قطر است .
برای دستیابی به یک زمان تکلیس قابل قبول برای کلوخه های معمولی آهک ، باید با یک گاز گرم کننده در دمای اضافی نسبتا بالا کار کنیم . البته این بدان معنی است که لایه بیرونی بیش از حد پخته شده و موجب کاهش فعالیت شیمیایی ماده در کاربردهای بعدی می شود . فرآیند تکلیس در مقیاس صنعتی در کوره های مختلفی انجام می شود . برای سنگ آهک درشت کوره استوانه ای بهترین است . برای مواد با اندازه ذرات مخلوط یا کلوخه های خرد شده ،کوره چرخان به کار می رودونهایتا برای ذرات یکنواخت و ریز کوره بستر سیال به کار می رود. از سوخت هایی مثل گاز ، نفت ویا کک هر کدام که در دسترس است ، می توان استفاده کرد.
- ترمودینامیک تکلیس
شرط انجام واکنش:
در لحظه تعادل:
تابع شرایط سیستم است یعنی تابع فشار کل و درصد دی اکسید کرین است. ولی فقط تابع دماست. بنابراین اگر در رابطه به جای ، قرار داده شود و به صورت رابطه ای بر حسب دما موجود باشد (در مراجع موجود است) می توان با حل یک معادله و یک مجهول دمای شروع تجزیه کربنات ها را محاسبه نمود.
فرض کنید یک ذره کربنات کلسیم موجود است که وقتی این ذره حرارت ببیند واکنشی از سطح شروع می شود و بلافاصله پس از شروع واکنش لایه بسیار نازکی از CaO روی سطح وجود داشته باشد.
پس گازبرای خروج از واکنش باید فشاری معادل 1 اتمسفر داشته باشد لذا برای محاسبه دمای تکلیس
را 1 اتمسفر در نظر می گیرند.
دمای تجزیه کربنات('C)
نوع کربنات
495.28
کربنات منیزیوم
788
کربنات کلسیم
در عمل دمای تجزیه کربنات ها را بالاتر از دمای تئوری در نظر می گیرند.
همان طور که قبلا ذکر شد تابع دماست و لذا می توان با استفاده از نمودار بر حسب دما فهمید که دما چقدر افزایش یابد تا زیاد شود که از بیشتر شود تا واکنش انجام گیرد.
واکنش های تکلیس دارای دو عیب عمده هستند:
1- گرماگیر هستند و به همین دلیل باید نوع سوخت مصرفی را تغییر داد تا هزینه تولید کاهش یابد.
2- تولید گاز می کند که باعث افزایش حجم گاز و افزایش سرعت گاز و افزایش گرد و غبار خواهد شد و نیز این گاز یک عامل اکسیدی است و افزایش آن باعث افزایش پتانسیل احیاکنندگی گاز می شود و حجم گاز مورد نیاز افزایش یافته و بالطبع مصرف کک نیز افزایش می یابد.
- سینتیک تکلیس:
عوامل موثر بر سینتیک تکلیس عبارتند از:
1- دما: هرچه دما افزایش یابد سرعت تکلیس هم افزایش می یابد.
2- فشار کل: با کاهش فشار کل سیستم طبق اصل لوشاتلیه واکنش به سمتی پیش می رود که فشار بیشتری تولید کند و لذا واکنش تکلیس بهتر انجام می شود و سرعت تجزیه کربنات ها افزایش می یابد.
3- اندازه دانه: هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد ، سرعت تکلیس بیشتر می شود.
4- تخلخل: در شرایطی که اندازه دانه ثابت باشد ، با افزایش تخلخل ، سرعت تکلیس نیز افزایش می یابد.
5- تلاطم: هرچه تلاطم بیشتر باشد ،سرعت واکنش بیشتر می شود زیرا تولیدی از اطراف ذره دور می شود و بنابراین امکان انجام واکنش در سطح ذره فراهم خواهد شد.
با توجه به عوامل بالا، در صنعت برای بهتر انجام شدن تکلیس ، اصولا دما، اندازه دانه و تلاطم را تغییر می دهند ولی فشار در سیستم های متالورژیکی اصولا همان 1 اتمسفر است. ( معمولا در اکثر موارد تخلخل نیز تغییر نمی یابد.)
برای بررسی عوامل فوق از آنالیز حرارتی استفاده می شود.
- انواع آنالیز حرارتی:
1- TGA : این نوع آنالییز وقتی به کار می رود که تغییر وزن نمونه نسبت به تغییر دما یا تغییر زمان قابل محاسبه باشد.
2- DTA : این نوع آنالیز برای نمونه هایی به کار می رود که ممکن است تغییر وزن نداشته باشند و یا تغییر وزن مد نظر نباشد. در این روش تغییر دما را بر حسب تغییرات زمان به صورت نمودار نشان می دهد وبا محاسبه سطح زیر منحنی محاسبات سینتیکی انجام می شود.
اگر DTA و TGA توامان باشند ، سیستم STA خواهد بود.
3- DSC : در این روش مقدار گرمایی که به نمونه داده و یا از آن گرفته می شود تا دما ثابت بماند را حساب کرده و از روی آن می توان پارامترهایی مانند را محاسبه نمود.
در بین کربنات ها ، کربنات کلسیم مهمترین کربناتی است که در صنعت استفاده می شود. از مهمترین موارد مصرف این ماده می توان به استفاده در ساخت مواد نسوز و استفاده در کوره بلند و فولاد سازی اشاره کرد.
اگر فرض شود مقدار وزن اولیه نمونه باشد و نیز وزن نمونه در هر لحظه و نیز وزن نمونه بعد از پایان واکنش باشد ، آن گاه می توان روابط زیر را برای آن بیان کرد:
: برای واکنش ناهمگن
بیانگر مکانیزم حاکم بر واکنش است . برای چنین واکنشی می توان کسر پیشرفت واکنش را تعریف کرد. کسر پیشرفت واکنش عبارتست از میزان واکنش انجام شده در هر لحظه:
اگر از معادله فوق نسبت به t مشتق گرفته شود رابطه ای به صورت زیر پدیدار می شود:
و اگر از این رابطه انتگرال گرفته شود ، رابطه زیر به دست می آید:
در اینجا بین صفر و 1 تغییر می کند.
بیانگر مدل حاکم بر واکنش در حالت انتگرالی خواهد بود.
برای واکنش تکلیس کربنات کلسیم ، درجه تکلیس را با C.D (Calcination Degree ) نشان می دهند.
در شرایط استاندارد اگر 1000 گرم تجزیه شود ، روابط زیر صادق خواهد بود:
1000 gr 56gr 44 gr
در شرایطی که نمونه خالص نباشد باید درصد خلوص را نیز در رابطه ضرب کرد.
برای بررسی اثرات دما ، زمان و اندازه دانه بر روی واکنش تکلیس کربنات کلسیم آزمایش زیر انجام می گیرد:
آزمایش:
-مواد و وسایل مورد نیاز:
سنگ آهک با دانه بندی های 16،30و100 مش
کروزه
ترازوی sartorius با دقت اندازه گیری 0.01گرم
کوره exition مدل atash 1500
انبر