4. Расчет порядка реакции

По экспериментальным данным строим графики зависимости степени выщелачивания от времени при различных концентрациях. К каждой кривой проведем касательные, проходящие через начало координат.

Определяем тангенсы углов наклона касательных к оси абсцисс.

tg β = 0,1763

tg β = 0,4333

tg β = 0,7346

tg β = 1,0673

tg β = 1,4269

Данные тангенса углов является скоростями процесса выщелачивания при данных концентрациях (первая производная степени выщелачивания по времени ).

Рассчитаем десятичные логарифмы полученных значений tg β:

lg(tg β) = – 0,7538

lg(tg β) = – 0,3632

lg(tg β) = – 0,1339

lg(tg β) = 0,0283

lg(tg β) = 0,1544

Рассчитаем десятичные логарифмы концентраций:

По полученным данным построим график зависимости

Определяем тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс:

В уравнение обозначим все постоянные величины через константу и прологарифмируем данное выражение. Получим уравнение нашей прямой: , где – тангенс угла наклона графика к оси абсцисс, то есть .

5. Вывод о лимитирующей стадии процесса и путях его интенсификации

Из полученных данных ( и ) можно сделать вывод о том, что процесс протекает в кинетической области и лимитирующей стадией является химическое взаимодействие.

В этом случае скорость выщелачивания сильно зависит от температуры (Е_акт. = 40-300 кДж/моль) и не зависит от условий перемешивания. Вследствие этого обычный путь интенсификации выщелачивания состоит в проведении процесса про повышенных температурах, в том числе при повышенном давлении газообразного реагента.

При нормальном давлении температуру раствора нельзя поднять выше точки кипения (100-105 °С в зависимости от концентрации). Для достижения более высокой температуры раствора нужно исполь­зовать герметичные сосуды, выдерживающие давление насыщенного пара воды над раствором при требуемой температуре, а если в про­цессе участвуют газообразные вещества, то суммарное давление пара и газов. Такие сосуды называют автоклавами. Теоретически макси­мальная температура выщелачивания в автоклаве соответствует кри­тической точке воды (температура 547,3 К, давление 22,1 МПа). Ре­ально выщелачивание проводят при температуре до 200-250 °С (давление насыщенного пара до ~3 МПа), в последние годы разрабо­таны процессы, рассчитанные на 275-300 °С (давление до 6-7,5 МПа).

Повышение температуры дает настолько большой выигрыш в скоро­сти процесса, что это окупает существенное усложнение конструкции автоклава. Так, при разложении шеелита раствором соды увеличение температуры от 225 до 300 °С позволяет сократить продолжитель­ность выщелачивания от ~2 ч до 5-10 мин. В случае эндотермических реакций повышение температуры обеспечивает дополнительный эф­фект – сдвигает равновесие в благоприятную сторону, что уменьша­ет необходимый избыток реагентов.

В настоящее время автоклавное выщелачивание используют в производстве глинозема по способу Байера, при переработке вольф­рамовых концентратов, урановых руд, содержащих UO₂ (уранинит) или U₃O₈ (урановая смолка), сульфидных медно-никелевых материа­лов и т.д.

Типичные конструкции автоклавов приведены на рисунке. Авто­клавы первого типа с обогревом и перемешиванием острым паром ши­роко используют для выщелачивания бокситов (процесс Байера). Авто­клавы второго типа часто применяют для окислительного автоклавного выщелачивания с участием кислорода; перемешивающее устройство обеспечивает интенсивную аэрацию пульпы.