Реакция взаимодействия оксида цинка и углерода
Реакция взаимодействия оксида цинка и углерода
Уравнение реакции взаимодействия оксида цинка и углерода:
Реакция взаимодействия оксида цинка и углерода.
В результате реакции образуются цинк и оксида углерод (II).
Реакция представляет собой восстановление цинка коксом или углем при температуре 1200-1300 °C.
Формула поиска по сайту: ZnO + C → Zn + CO.
Реакция взаимодействия галлия и серной кислоты
Реакция взаимодействия бромноватой кислоты и гидроксида натрия
Реакция взаимодействия карбида кремния и алюминия
Выбрать язык
Популярные записи
Предупреждение.
Все химические реакции и вся информация на сайте предназначены для использования исключительно в учебных целях — только для решения письменных, учебных задач. Мы не несем ответственность за проведение вами химических реакций.
Химические реакции и информация на сайте
не предназначены для проведения химических и лабораторных опытов и работ.
Оксид цинка
Оксид цинка
Способы получения
Оксид цинка можно получить различными методами :
1. Окислением цинка кислородом:
2Zn + O2 → 2ZnO
2. Разложением гидроксида цинка при нагревании:
3. Оксид цинка можно получить разложением нитрата цинка :
Химические свойства
Оксид цинка — типичный амфотерный оксид . Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.
1. При взаимодействии оксида цинка с основными оксидами образуются соли-цинкаты.
Например , оксид цинка взаимодействует с оксидом натрия:
2. Оксид цинка взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—цинкаты, а в растворе – комплексные соли . При этом оксид цинка проявляет кислотные свойства.
Например , оксид цинка взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием цинката натрия и воды:
Оксид цинка растворяется в избытке раствора щелочи с образованием тетрагидроксоцинката:
3. Оксид цинка не взаимодействует с водой.
ZnO + H2O ≠
4. Оксид цинка взаимодействует с кислотными оксидами . При этом образуются соли цинка. В этих реакциях оксид цинка проявляет основные свойства.
Например , оксид цинка взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата цинка:
5. Оксид цинка взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием солей.
Например , оксид цинка реагирует с соляной кислотой:
ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O
6. Оксид цинка проявляет слабые окислительные свойства .
Например , оксид цинка при нагревании реагирует с водородом и угарным газом:
ZnO + С(кокс) → Zn + СО
ZnO + СО → Zn + СО2
7. Оксид цинка — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.
Например , из карбоната бария:
Динамика и кинетика восстановления оксида цинка в среде монооксида углерода
Как правило металлургические восстановительные процессы оксидов металлов происходят в газах таких как водород (прямое восстановление железа из руд), моноксид углерода (доменный процесс), метан, и легкие углеводороды (технология Ausmelt).
В данной работе будет рассмотрена реакция взаимодействия оксида цинка и монооксида углерода.
ZnO+CO=CO2+Zn (1)
Процесс восстановления оксида цинка монооксидом углерода сопровождается возгонкой металлического цинка и образованием двуокиси углерода.
Экспериментальные исследования данного процесса освещались в [Guger, 1971; Grunze, 1978; Kagramanov, 2019]. Кинетические константы для температур 1000 -1200 °С определялись в [Guger, 1971] в ходе ряда изотермических экспериментов. В работе [Kagramanov, 2019] использовался один нестационарный эксперимент для охвата широкого диапазона температур 300 – 1000 °С. Кинетические константы определялись при помощи зернистой модели [Szekely, 1970].
Поверочный расчет термогравиметрического реактора проводится для верификации математических моделей и кинетических констант. Средствами ANSYS Fluent возможно решение подобной задачи как минимум двумя способами: с использованием лагранжевых и эйлеровых постановок.
Дискретная модель DPM для подобного рода задач применялась в [Kumar, 2010; Madanayake, 2018]. В библиотеке материалов ANSYS Fluent имеется набор дискретных материалов типа: massless, inert, droplet, combusting и multicomponent. При помощи двух последних можно описывать поверхностные гетерогенные реакции и связывать результаты моделирования химии с параметрами гидродинамики.
Более популярным подходом в решении задач концентрационных потоков (когда порозность слоя близка нулю) является эйлеров, поток частиц рассматривается как сплошная среда. В работе [Kagramanov, 2018] проводился поверочный расчет термогравиметрического реактора для численного описания процесса сульфидирования оксида цинка в среде сероводорода. В отличие от дискретной постановки, эйлеров подход предполагает применение объемной модели для описания гетерогенной реакции.
Задачи прогнозирования работы промышленных аппаратов, и их оптимизации сопряжены с детальным пониманием процесса, который может быть достигнут методами компьютерной гидродинамики. ANSYS Fluent представляет собой уникальный набор инструментов для решения фундаментальных уравнений в частных производных, постоянно совершенствующийся специалистами со всего мира.
Целью данной работы является изучение особенностей методов компьютерной гидродинамики в решении задачах параллельных гетерогенных реакций.
1) составление математической модели из стандартного функционала программы ANSYS Fluent
2) верификация модели на основе ранее опубликованных экспериментальных данных
3) прогнозирование процесса с использованием внешней математической модели
Методика расчета и характеристики материалов
Рассматривался участок вокруг навески термогравиметрического реактора размером 2х1 см. Задача решалась в осесимметричной постановке. Размер расчетной сетки 224 элемента (гексагональные).
Рисунок 1 – Схема внешней модели [Kagramanov, 2020]
Решение производилось в pressure-based solver, в нестационарном режиме в поле действия сил гравитации. Подключалась многофазная модель Эйлера. В качестве основной фазы фигурировала смесь идеальных газов (азот, монооксид углерода, двуокись углерода и металлический цинк). Вторая фаза состояла из смеси твердых компонентов (оксид цинка и инертный связующий материал). Межфазное трение и теплообмен описывались законами Шиллера-Ньюмана и Ранца-Маршалла. Гетерогенная химическая реакция описывалась объемной моделью (ур. 2). Турбулентность разрешалась моделью стандартной k-epsilon Scalable Wall Functions, модель применялась к каждой фазе по отдельности (per phase). Решались уравнения: неразрывности для каждого компонента, Навье-Стокса, турбулентности, сохранения энергии, теплопроводности, действующих масс (в постановке объемной модели). Скорость газа на входе в участок составляла 0.015 м/с. Состав газа (N2:CO = 0.3:0.7). Температура менялась в соответствии с функцией (ур. 3).
T τ =0.25∙ τ +300 (3)
Масса навески составляла 20 мг, массовая доля оксида цинка в сорбенте 0,9. Размер гранул 80 мкм. Удельная площадь поверхности сорбента 0,68 г/кв.м. Размер пор 9е-9 м. Сорбент был предварительно отожжен, термически неустойчивые связующие были удалены из структуры.
Для уточнения изменения параметров сорбента (размер пор, размер зерен, удельная площадь поверхности, диффузионное и кинетическое сопротивления) применялась внешняя математическая модель, описанная в [Kagramanov, 2020].
Кинетические константы из [Kagramanov, 2020] при использовании внешней модели предсказывают динамику изменения массы навески.
Рисунок 2 – Восстановление в CO. a) расчет b) эксперимент
При температурах до 600 °С масса неизменна и сорбент термически устойчив в атмосфере моноокида углерода (рис. 2). После 600 °С начинается быстрый спад массы навески. Сопровождающийся экспоненциальным ростом скорости реакции (рис. 3).
Рисунок 3 – Изменение скорости реакции
Наивысшей скорости при данных граничных условиях процесс достигает при температуре близкой 900 °С. Далее, в виду уменьшения твердого реагента (рис. 4) фактор температуры перестает преобладать и скорость реакции спадает.
Рисунок 4 – Изменение состава твердой фазы. а) оксид цинка б) металлический цинк
При температурах 400 – 900 °С часть металлического цинка находится в жидкой фазе и не покидает сорбента, поэтому падение массы навески несколько запаздывает, в то время, как процесс восстановления начинается уже при 500 °С (рис. 3).
Реакция происходит на поверхности всего пористого тела оксида. Проникновение газа во внутренние слои частиц сопровождаются преодолением диффузионного сопротивления частиц (гидравлическое сопротивление пор, макрокинетика), описываемое моделью [Kagramanov, 2020]. Сама же реакция протекает на поверхности и ограничивается скоростью химического взаимодействия молекул (рис. 5).
Рисунок 5 – Сопротивления. а) диффузионное б) кинетическое
Расчеты показывают, что лимитирующим фактором в процессе восстановления данного оксида является диффузия. Диффузионное сопротивление на порядки превосходит кинетику процесса.
В ходе данной работы была сформулирована расчетная модель для поверочного расчета процесса восстановления оксида цинка в среде монооксида углерода в термогравиметрическом реакторе. Для новой модели был скорректирован частотный фактор (см. табл. 1). Модель ANSYS Fluent была дополнена пользовательскими параметрами, описывающими пористую структуру образца, макрокинетику и скорректированную скорость реакции.
Таблица 1 – Кинетические константы для разных моделей
C gas , моль/куб.м – концентрация реагирующего газа за пределами пористого образца
k – константа скорости реакции
n – порядок реакции
R , моль/с – абсолютная скорость реакции
R s , моль/(кв.м*с) – скорость реакции приведенная к единице площади поверхности раздела фаз
(1) Guger, C. E.; Manning F. S. Kinetics of Zinc Oxide Reduction with Carbon Monoxide. Metallurgical Transactions, 1971, (2), 3083 – 3090.
(2) Grunze, M.; Hirschwald, W. Vacuum Microbalance Investigations on Heterogeneous Surface Reaction Mechanisms. Journal of Vacuum Science & Technology. 1974, (11), 424 – 428.
(3) Kagramanov, Y., Tuponogov, V. Syngas Clean-Up Kinetics Investigation. 2018, Vol. 22, No. 1B, pp. 699-707.
(4) Szekely, J.; Evans, J. W. A Structural Model for Gas-Solid Reactions with a Moving Boundary. Chemical Engineering Science, 1970, (25), 1091 – 1107.
(5) Kumar, P. Numerical And Experimental Studies On LPG-Assisted Gasification Of Pulvirized High- Ash Indian Coal. Indian Institute of Technology Madras. 2010, 91.
(6) Madanayake B., Gan S., Eastwick C., Ng H. An investigation into the use of CFD to model the
co-firing of Jatropha curcas seed cake with coal. International Journal of Green Energy. 2018, 1 – 17.
(7) Kagramanov, Y., Tuponogov, V., Ryzhkov A., Nikitin, A. Multiple Gas-Solid Reactions in a Porous Sorbent Application to the Warm Gas Desulfurization Process. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020. 1 -41
http://chemege.ru/oksid-zinka/
http://cae-club.ru/publications/dinamika-i-kinetika-vosstanovleniya-oksida-cinka-v-srede