锌氧化物的固体碳还原过程课件.ppt
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- 氧化物 固体 还原 过程 课件
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1、第三章第三章 还原过程还原过程 概述 一、研究还原过程的意义 l 金属元素在自然界很少以单质形态存在 l 有色金属矿物大多数是硫化物或氧化物 l 炼铁所用矿物及很多冶金中间产品主要是氧化物形态 l 钛、锆、铪等金属的冶金中间产品为氯化物 l 还原反应在从这些矿物提取金属的过程中起着重要作用 还原过程实例:高炉炼铁、锡冶金、铅冶金、火法炼锌、钨冶金、钛冶金 二、还原过程分类 l 气体还原剂还原 用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。 l 固体碳还原 用固体碳作还原剂还原金属氧化物。 l 金属热还原 用位于 GT 图下方的曲线所表示的金属作还原剂,还原位于GT 图上方曲线所表示的金属氧化物(氯化物、
2、氟化物)以制取金属。 l 真空还原 在真空条件下进行的还原过程 。三、还原剂的选择 1、对还原剂X的基本要求 X对A的亲和势大于Me对A的亲和势。对于氧化物 在氧势图上线应位于线之下; XO的分解压应小于MeO的分解压。 还原产物XA易与产出的金属分离; 还原剂不污染产品 不与金属产物形成合金或化合物 价廉易得 碳是MeO的良好还原剂。 2、碳还原剂的主要特点求 碳对氧的亲和势大,且随着温度升高而增加,能还原绝大多数金属氧化物。 Cu2O、PbO、NiO、CoO、SnO等在标准状态下,在不太高的温度下可被碳还原。 FeO、ZnO、Cr2O3、MnO、SiO2等氧化物在标准状态下,在线与线交点温
3、度以上可被碳还原。 V2O5、Ta2O5、Nb2O5等难还原氧化物在标准状态下不能被碳还原;但在高温真空条件下可被碳还原。 CaO等少数金属氧化物不能被碳还原。 反应生成物为气体,容易与产品Me分离。 价廉易得。 碳易与许多金属形成碳化物。 3、氢还原剂 l在标准状态下,H2可将Cu2O、PbO、NiO、CoO等还原成金属。 l 在较大的下,H2可将WO3、MoO3、FeO等还原成金属。 l 在适当的下,氢可还原钨、钼、铌、钽等的氯化物。 4、金属还原剂 l 铝、钙、镁等活性金属可作为绝大部分氧化物的还原剂。 l 钠、钙、镁是氯化物体系最强的还原剂。 3.1 燃烧反应 火法冶金常用的燃料 :1
4、. 固体燃料煤和焦碳,其可燃成分为C 2. 气体燃料煤气和天然气,其可燃成分主要为CO和H2 3. 液体燃料重油等,其可燃成分主要为CO和H2 火法冶金常用的还原剂 1. 固体还原剂 煤、焦碳等,其有效成分为C; 2. 气体还原剂 CO和H2等 3. 液体还原剂 Mg、Na等 C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能 C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂 一、碳-氧系燃烧反应的热力学 1、碳-氧系燃烧反应 碳氧系的主要反应 碳的气化反应 在高温下向正方向进行布多尔反应; 低温下反应向逆方向进行歧化反应(或碳素沉积反应)。 煤气燃烧反应:G随着温度升高而增大, 高温下CO氧化不完全。 碳的完全
5、燃烧反应: G 0 碳的不完全燃烧反应:G 0 2、C-O系优势区图 在影响反应平衡的变量(温度、总压、气相组成)中,有两个是独立变量。 碳汽化反应为吸热反应,随着温度升高,其平衡常数增大,有利于反应向生成CO的方向迁移。 在总压P总一定的条件下,气相CO%增加。 在C-O系优势区图中,平衡曲线将坐标平面划分为二个区域: CO部分分解区(即碳的稳定区) 碳的气化区(即CO稳定区)。 t 1000时,%CO100反应进行得很完全。 在高温下,有碳存在时,气相中几乎全部 为CO。 结结 论论 l 碳的高价氧化物(CO2)和低价氧化物(CO)的稳定性随温度而变。 l温度升高,CO稳定性增大,而CO2
6、稳定性减小。 l 在高温下,CO2能与碳反应生成CO,而在低温下,CO会发生歧化,生成CO2和沉积碳。 l 在高温下并有过剩碳存在时,燃烧的唯一产物是CO。 l 如存在过剩氧,燃烧产物将取决于温度;温度愈高,愈有利于 CO的生成。 二、氢-氧系燃烧反应的热力学 l 在通常的冶炼温度范围内,氢的燃烧反应进行得十分完全,平衡时氧的分压可忽略不计。 l 氢燃烧反应的rG-T线与CO燃烧反应的rG-T线相交于一点,交点温度:-503921+117. 36T = -564840+173. 64TT = 1083K l温度高于1083K,H2对氧的亲和势大于CO对氧的亲和势 H2的还原能力大于CO的还原能
7、力。l温度低于1083K,则相反。 三、燃烧反应气相平衡成分计算 l多组份同时平衡气相成分计算的一般途径 l 平衡组分的分压之和等于总压,即Pi=P总。 l 根据同时平衡原理,各组分都处于平衡状态。l 根据反应的平衡方程式和平衡常数建立相应的方程式。 l 根据物料平衡,反应前后物质的摩尔数及摩尔数之比不变。 3.2 金属氧化物的碳还原与氢还原 5.2 1 简单金属氧化物的CO还原 一、金属氧化物CO还原反应热力学 l 金属氧化物的CO还原反应:MeO + CO = Me + CO2 l对于大多数金属(Fe、Cu、Pb、Ni、Co),在还原温度下MeO和Me均为凝聚态,系统的自由度为:f = c
8、 p + 2 = 3 3 +2 = 2 l 忽略总压力对反应的影响,系统的平衡状态可用%CO-T曲线描述。 二、铁氧化物的CO还原 l 铁氧化物的还原是逐级进行的 l 当温度高于843 K时,分三阶段完成: Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe l 温度低于843 K时,FeO不能存在,还原分两阶段完成: Fe2O3 Fe3O4 Fe l 用CO还原铁氧化物的反应: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 (1) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 (2) FeO + CO = Fe + CO2 (3) 1/4Fe3O4 + CO = 3/4Fe + CO2 (4)
9、l反应(1)微放热反应KP为较大的正值,平衡气相中%CO远低于%CO2 在通常的CO-CO2气氛中,Fe2O3会被CO还原为 Fe3O4。 l 反应(2)吸热反应随温度升高, Kp值增加,平衡气相%CO减小。 l 反应(3)放热反应随温度升高, Kp值减小,平衡气相%CO增大。 l反应(4)放热反应随温度升高, KP值减小,平衡气相%CO增大。三、氢-氧系燃烧反应的热力学 在通常的冶炼温度范围内,氢的燃烧反应进行得十分完全,平衡时氧的分压可忽略不计。 氢燃烧反应的rG-T线与CO燃烧反应的rG-T线相交于一点,交点温度:-503921+117. 36T = -564840+173. 64TT
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