3.4.4. Расчет показателей процесса спекания соды с оксидом железа

Объем СО₂ при нормальных условиях рассчитывается по формуле

= V_в = 273,15  (Р_оп – Р_в) / (Т  101,325), (44)

где V_в – объем вытекшей из аспиратора воды, мл; Р_оп – атмосферное давление в момент опыта, кПа; Р_в – парциальное давление паров воды, кПа; Т – температура воды в аспираторе, К.

Выход феррита натрия рассчитывается по формуле

В = , (45)

где В – выход феррита натрия, %; – объем СО₂, который теоретически выделится из взятой навески, мл.

Скорость каустификации V, см3/с, рассчитывается по формуле

v = V / t, (46)

где V – объем СО₂, который выделился за промежуток времени t.

Выход NaOH , %, рассчитывается по формуле

В = N_NaOH  100 / N_NaOH(т), (47)

где N_NaOH – количество фактически полученного NaOH, моль; N_NaOH(т) – количество теоретически возможного NaOH, которое могло бы образоваться из взятой навески, моль.

Полученные экспериментальные и расчетные данные следует оформить в виде табл. 7.

Табл. 7. Условия опыта, экспериментальные и расчетные данные

Условия опыта, экспериментальные и расчетные данные	№ опыта
	1	2	3
Суммарная масса навески, г
Соотношение масс Fe2O3 и Na2CO3
Температура спекания, К
Масса флюса, г
Размер зерен Fe2O3, мм
Время спекания, с
Объем вытекшей воды, мл
Выход феррита натрия, %
Скорость каустификации, моль/ч
Выход NaOH, %

3.4.5. Задание к лабораторной работе

1. Исследовать влияние соотношения исходных компонентов на выход и скорость взаимодействия в изотермических условиях.

2. Исследовать влияние температуры на степень каустификации и выход феррита натрия.

3. Исследовать влияние наличия или отсутствия флюса (NaCl) на выход и скорость взаимодействия.

4. Исследовать влияние размера зерен Fe₂O₃ на выход и скорость взаимодействия.

5. На основании проведенных исследований сделать вывод о лимитирующей стадии процесса и дать рекомендации по интенсификации процесса.

4. Гетерогенные процессы в системе

газ – жидкость

4.1. Общие положения

Газожидкостные реакции – это гетерогенные процессы, включающие химическое взаимодействие между реагентами, один из которых находится в газовой фазе, а другой – в жидкой. Жидкость может представлять собой раствор вещества, химически взаимодействующего с газообразным реагентом; в ряде случаев происходит взаимодействие растворяющегося газа с самим растворителем.

Газожидкостные реакции широко используют в химической технологии. Примеры их применения:

• получение целевых продуктов: кислот (H₂SO₄, HNO₃ абсорбцией SO₃, NO₂ соответственно), удобрений (абсорбцией NH₃ растворами азотной кислоты в производстве аммонийной селитры или серной кислоты в производстве сульфата аммония), органических веществ (хлорирование жидких ароматических углеводородов;

• очистка газов от вредных примесей (абсорбция H₂S с целью очистки нефтяных и коксовых газов; абсорбция СО, СО₂ растворами моноэтаноламина или карбоната с целью очистки синтез-газа в производстве аммиака; абсорбция SO₂ растворами сульфита и гидросульфита аммония при санитарной очистке газов);

• разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси (абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа; абсорбция бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т. п.)

Газожидкостные реакции принято рассматривать как процессы абсорбции, сопровождающиеся химическим взаимодействием. Такой подход позволяет применить к этой группе химических процессов закономерности массопередачи. При этом считают, что протекание химической реакции на границе раздела газовой и жидкой фаз или в глубине жидкой фазы приводит к ускорению процесса абсорбции. Возможность таким образом ускорить процесс массопередачи широко используется в практике. При добавлении к растворителю реагентов, вступающих в быстрые химические реакции с компонентами, извлекаемыми из газовой фазы, удается существенно интенсифицировать процесс абсорбции. Например, диоксид углерода СО₂ можно извлечь из газовой смеси путем абсорбции водой под давлением. Применение вместо воды растворов этаноламинов или карбонатов, вступающих в химическое взаимодействие с СО₂, позволяет во много раз повысить интенсивность абсорбции.

Равновесие в системе газ – жидкость, как и для других гетерогенных систем, определяется с помощью правила фаз, закона распределения и константы равновесия химических реакций в жидкой фазе. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления. При абсорбции равновесие можно сместить в сторону увеличения растворимости газа, уменьшая температуру, что снижает равновесное давление газа над раствором (р_г^* или с_г^*), увеличивая начальную концентрацию поглощаемого компонента в газе (с_гн) или общее давление Р, что также увеличивает с_гн. Для понижения температуры охлаждают исходные газ и жидкость, отводят теплоту абсорбции с помощью встроенных или наружных теплообменников. Иногда отвод теплоты абсорбции осуществляют без охлаждения, используя эту теплоту для концентрирования раствора в самом абсорбере. При десорбции газов из жидкостей равновесие смещают обратными приемами, т. е. повышением температуры и понижением давления; для этого обогревают десорбер с помощью теплообменников или острого пара. Кинетика абсорбции (т. е. скорость процессов массопереноса) определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя и поглощаемых компонентов, устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы, а также способом контакта фаз:

• барботаж (диспергированный газ в виде пузырей поднимается в слое жидкости);

• орошение (диспергированная в виде капель жидкость пролетает через газ);

• пленочное течение (жидкость пленкой стекает по поверхности, поток газа проходит вдоль нее);

• контакт в насадочной колонне (близок к пленочному течению: жидкость стекает по насадке в виде нерегулярной, возмущенной пленки, газ проходит в свободном пространстве);

• газожидкостный поток (возмущенные потоки газа и жидкости движутся в одном направлении).