مقاله 38 : تکلیس

[hamid96]

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.

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

 

[hamid96]

تکلیس

تکلیس

-روش انجام آزمایش:
ابتدا کروزه ها توسط ترازو با دقت 0.01 گرم وزن شدندو سپس مقدار 2.00گرم از هر یک از سنگ آهکها با دانه بندی های 16،30و100مش با دقت 0.01گرم از هر دانه بندی چهار نمونه وزن ودر کروزه ها ریخته شدو سپس نمونه های آماده شده در کوره هایی با دماهای 740، 840، 940و1040 درجه سانتیگراد قرار داده شدندو پس از گذشت 10 ،20 ،30، 45، 60، 90و120 دقیقه از کوره خارج وبا دقت 0.01 گرم وزن شدند ومجددا تا 120 دقیقه در کوره برگردانده شدند . سپس با توجه به داده های به دست آمده نمودارهای ، و رسم شدند واز روی نمودار آخر مقدار (-e/R) نیز به دست آورده شد.

-محاسبات:
برای محاسبه درجه تکلیس از فرمول زیر استفاده شد
a= (w.-wt)/ (w. ×0.44×0.95)
w.: وزن اولیه نمونه که برابر با2.00گرم بود
wt: وزن لحظه ای نمونه
مقدار kاز روی شیب خط g3 د نموداهایg-tمحاسبه شد و مقادیر Eنیز از محاسبه شیب نمودارهای lnk-tمحاسبه شد اعداد به دست آمده در قسمت نتایج بیان شد.
برای محاسبهg1،g2،g3وg4از فرمول های زیر استفاده شد:


-عوامل خطا:
1-کاهش دمای کوره در اثر باز و بسته شدن مکرر در زمان توزین نمونه ها
2-ترازو به علت مناسب نبودن محل ترازو و وزش باد عدد دقیقی را نشان نمی داد
3-در این آزمایش از کوره مناسب برای تکلیس استفاده نشد
-نتایج:
به دلیل زیاد بودن جداول از آوردن جداول خوداری شد ونمودارها به طور کامل ارایه شد.

نمودار1​

نمودار2​

نمودار3​

با توجه به نمودار های 1،2و3مشاهده شد که دمای مناسب برای انجام فرآیند تکلیس دمای 1040درجه سانتیگراد و زمان 10دقیقه بودکه برای هر سه دانه بندی صدق می کرد اما می شد دمای 940درجه سانتیگراد که دمای پایین تری بود وزمان 20دقیقه را به عنوان دماو رمان مناسب منظور کرد.

نمودار4 ​

با توجه به نمودار 4 استنباط شد که در دمای ثابت940با افزایش زمان درجه تکلیس افزایش یافته بود تا به
درجه نهایی یعنی 1 که با شرط اتمام تکلیس بود رسیده بود.که این فرآیند در دماهای دیگر نیز به همین شکل تکرار شد وتفاوت در زمان رسیدن به درجه تکلیس 1 بود.

نمودار5​

با توجه به نمودار 5 نتیجه گیری شد که در یک زمان ثابت برای دانه بندی های 16،30و100 مش با افزایش دما درجه تکلیس افزایش یافت ودر نتیجه افزایش دما تاثیر مستقیم بر درجه تکلیس وسرعت فرآیند داشت.

نمودار6 نمودار7

نمودار8


نمودار9 نمودار10

نمودار11 نمودار12


نمودار13 نمودار14


نمودار15 نمودار16

نمودار17
با توجه به نمودارهای6 تا 17 مشاهده شد که خطی ترین نمودار a-tمربوط به مکانیزم سوم یعنیg3بود درنتیجه g3 به عنوان مکانیزم این واکنش انتخاب شد که یعنی مکانیزم حاکم کنترل نفوذی و مدل آن کروی بود..همان طور که مشاهده شد با تغییر دما ودانه بندی مکانیزم تغییر نکرد پس بیان شد که مکانیزم به دانه بندی ودما وابسته نیست.

نمودار18​

باتوجه به نمودار 18 ورابطه زیر انرزی اکتیواسیون برای دانه بندی 16مش محاسبه شد :

Lnk=Lnk'-(E/RT)


- (E/R) = -21111.11 =› E=175517.77J​

معادله خط نمودار 18نیز به شکل زیر شد:

y = -21111.11x + 12.73​

نمودار19​

- (E/R) = -21111.11 =› E= 175517.77 J


y = -21111.11x + 12.73​

نمودار20​

- (E/R) = -33333.33 =› E=277133.30 J


y=-33333.33x +23.69​

با توجه به نمودارهای 18تا20 ومحاسبه انرزی اکتیواسیون (فعالسازی) برای دانه بندی های 16،30و100 مش مشخص شد که با تغییر دانه بندی انرژی اکتیواسیون تغییر کرده . انرژی اکتیواسیون حداقل انرژی است که لازم است تا یک واکنش انجام پذیرد.و لذا با افزایش دانه بندی انرژی اکتیواسیون نیز افزایش می یابد و این بدین معنی است که هرچه عدد اندازه دانه افزایش یابد احتمال انجام واکنش کمتر می شود.
نتیجه گیری کلی:
1) با توجه به گرماگیر بودن واکنش تکلیس با افزایش دما واکنش بهتر انجام می پذیرد ولی چون افزایش دما هزینه بر است باید توجیح اقتصادی داشته باشد.
2) با توجه به نمودارهای بررسی شده با گذشت زمان واکنش به سمت کامل شدن می رفت که البته در دماهای بالا این موضوع سریع تر انجام می شد.
3) با تغییر دانه بندی انرژی فعال سازی واکنش نیر تغییر می کند. و لذا باید در انتخاب دانه بندی مناسب دقت شود تا از هدر رفتن انرژی و سرمایه جلوگیری نمود.

 

[وطنم ایران]

سلام؛ مقاله خوبی است . ولی متاسفانه نمودارها قابل رویت نیست. لطفا نمودارها را نمایان کنید.

 

[amir_65_b]

با تشکر فراوان، لطفا نمودارها و جداول مربوطه را برای دانلود بزارید ...

 

[salman_65]

سلام

سلام

سلام

از گزارش آزتكليس ممنون....

خواهش ميكنم اگه زحمتي نيست نمودار هاي گزارش و بذارين...