книги / Расчеты химико-технологических процессов

После поглощения паров хлорида алюминия газообразные продукты хлори­ рования состоят из диоксида углерода н непрореагировавшего хлора. Из урав­ нения реакции хлорирования следует, что на каждые б моль прореагировавшего хлора образуется 3 моль диоксида углерода. Следовательно, хлорирование про­ текает с уменьшением объема неконденсируемои газовой фазы в 2 раза. Отсюда следует, что исходный объем хлора можно определить из выражения:

разных продуктах хлорирования.

Отношение объемов С12 и С 02 равно отношению их объемных концентраций

Решая совместно выражения (VII. 94) и (VII. 95), определяем объем хлора в газообразных продуктах хлорирования, после чего по формуле

хлоридов происходит абсорбция хлора расплавом, сопровождаю­ щаяся взаимодействием растворенного хлора с оксидом алюми­

(VII. 93) следует, что при взаимодействии 6 моль хлора образуется 7 моль хло­ рида алюминия и диоксида углерода. Учитывая это обстоятельство, для упро­ щения расчета полагаем, что хлорирование протекает практически без измене­ ния объема газовой фазы.

Объем пузырьков газа в реакторе

и-= *0,62 -0,113 - 33,2 • 10“ 4 « 2,3 • Ю"4 м3 (VII. 9S)

Поверхность пузырьков в реакторе:

F « vSa/Va = 6о/Д„ * 6,23 • 10“4/0,005 * 0,278 и2 (VII.99)

191

Пример 26. Рассчитать размеры аппарата для хлорирования титановых шлаков в расплаве хлоридов. Производительность реактора GP= 170 т Cfo в сутки, содержание хлора в исходном газе 70% (об.), давление газа на входе в расплав 0,15 МПа. Температура расплава * = 800°С. Давление парогазовой смеси на выходе из расплава 0,1 МПа; парциальное давление хлора в отходящем газе 0,0002 МПа; равновесное давление в газе над расплавом 0,00015 МПа. Усредненный диаметр пузырька газа в расплаве 5 мм. Коэффициент массопередачи при абсорбции хлора расплавом NaCl, MgCb, содержащим хлориды железа, составляет по экспериментальным данным* £г = 1,0 кмоль/(м2*ч*МПа).

Р е ш е н и е . Хлорирование диоксида титана, входящего в состав титанового шлака (85% ТЮ*), протекает по реакции:

ТЮа (тв.) + 2СЬ(г.) + С(тв.) =*=fc Т1С1« (г.) + СО* (г.) (VII. 101)

Из уравнения реакции следует, что на 2 моль хлора приходится 2 моль газообразных продуктов реакции. Следовательно, хлорирование протекает без изменения объема газовой фазы.

Время (с) пребывания пузырька хлорц в расплаве, необходи­ мое для абсорбции хлора

192

по рис. 34 определим вертикальную скорость подъема пузырька относительно стенки хлоратора: дов = 1,67 м/с.

Высота (м) слоя расплава в хлораторе:

Я = тдав = 2,12 * 1,67 = 3,4 и

В целях полного исключения проскоков хлора через расплав

Определим поперечное сечение хлорирующих отделений хло­ ратора. При скорости движения хлора в пересчете на свободное

Из условий лучшего распределения хлора в расплаве хлора­ тора с учетом практических данных принимаем ширину хлори­ рующего отделения 0,9 м. Тогда длина хлорирующего отделения 4/0,9 = 4,4 м.

РАСЧЕТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ Ж-Ж, Г -Т И Ж -Т

Пример 27. Смешано 300 мл воды, 200 мл бензола и 0,2 моль пикриновой кислоты. Подсчитать, сколько пикриновой кислоты будет растворено в воде и сколько в бензоле, если коэффицкент распределения ее между водой и бензолом равен 0,005.

Р е ш е н и е . Согласно закону распределения, отношение концентрации ве­ щества в каждой жидкости, состоящей из смеси двух взаимно нерастворимы* жидкостей, есть величина постоянная

193

где Сд— концентрация вещества в жидкости А, моль/л; Св — то же для жид­ кости В; К — коэффициент распределения.

Если одной из жидкостей (например, А) служит вода, а третье вещество С является электролитом и распадается при растворении его в воде на ионы, то уравнение (VII. 104) имеет следующий вид

с 2 /с а = * '

где т — поправка на электролитическую диссоциацию растворенного вещества.

Обозначим концентрацию пикриновой кислоты после распре­

= 0,067 моль/л.

Таким образом, количество пикриновой кислоты в 0,3 л воды равно: 0,067-0,3 « 0,02 моль. Остальные 0,2 — 0,02 = 0,18 моль кислоты будут растворены в бензоле, т. е.. в бензоле будет со­ держаться 0,18-100/0,2 = 90% всей пикриновой кислоты.

Пример 28*. Из. насыщенного водного раствора экстрагируют иод сероуглеродом при 20 °С. Удельный коэффициент распределе­ ния иода между водой и сероуглеродом Луд = 0,0017. Опреде­ лить: 1) оставшуюся концентрацию иода в водном растворе после взбалтывания 2 л последнего с 100 мл сероуглерода и 2) сколь­ ко раз необходимо подвергать экстрагированию иод из насыщен­

Таким образом, при экстракции 2 л насыщенного водного раствора иода с помощью 100 мл сероуглерода концентрация иода в воде понизится до 0,01 г/л.

*Бесков С. Д. Техно-химические расчеты. 3*е изд. М., Высшая школа, 1950,

с.337,

194

2. Определяя аналогичным образом концентрацию^ иода в разбавленном водном растворе после второй, третьей и я-й экстракции, получим

где Сп — концентрация иода в воде после я-го экстрагирования, равная по условию задачи 10“6 г/л; я — число экстракций.

Решим уравнение (VII. 105) относительно я

диаграммы фазового равновесия в координатах: а) треугольной диаграммы; б) Я”— У; в) X — Z, У — Z'.

вичного растворителя А, экстрагируемого вещества В и экстра­

Напомним, что экстракт Е — это раствор экстрагируемого компонента В в экстрагенте С, содержащий небольшое количе­ ство компонента А; рафинат R — раствор небольших количеств компонентов В и С в первичном растворителе А.

Р е ш е н и е . Метод построения треугольной диаграммы рас­ смотрим на примере точек 6 и 6 * (рис. 35). Сначала на стороне АС откладываем значение ха « 46,28 к проводим через эту точ­ ку прямую MN, параллельную’ стороне ВС. Откладываем на сто­ роне ВС значение Хс « 3,72 и проводим через эту точку прямую PQ, параллельную стороне АВ. Пересечение прямых MN и PQ однозначно определяет точку 6.

195

Рве. К . Треугольная диаграмма фа* аового равновесия в системе вода — ацетон — хлорбензол.

грамму фазового равновесия в исследуемой системе. Соединяя точ­ ки / и г , 2 и 2' . . . . получаем хорды равновесия / ,/ ' и 2,2' и т. д. Точка 8 на этой диаграмме является критической для исследуемой системы.

Для построения диаграммы фазового равновесия в других си­ стемах координат сделаем предварительные вычисления, резуль­ таты которых сведем в таблицу:

При этом значения X и Z для определенной хорды соответствуют составу, рафината, а У и Z' для той же хорды — составу экстрак­ та. Поскольку отклонение равновесной кривой от биссектрисы, проходящей через начало координат, характеризует способность хлорбензола экстрагировать ацетон из смеси его с водой, то можно доказать, что хлорбензол обладает хорошей экстракцион­ ной селективностью для этой системы.

196

Рис. as. График построения хорды раоаооесня (коаноды) снеси.

Рис. 39. Диаграмма фааооого равновесия (к примеру 31).

смеси точки М, а точки R и Е характеризуют составы равновес­

хлорбензолом (С). Определить количество хлорбензола, необхо­ димое для получения на выходе рафината, содержащего 3,5% ацетона.

Р е ш е н и е . Для расчета воспользуемся известной диаграммой фазового равновесия в исследуемой системе (рис. 39) и уравне­ нием материального баланса процесса

Gp+ GQSSICg ■+■G^= Gg

где GF, Gc, GE, GR, GS соответственно массы исходного раствора, экстрагента, экстракта, рафината и смеси, кг. Индексы относят указанные массы к соответствующей точке диаграммы.

Согласно этому уравнению, точка S лежит на пересечении прямых FC и ER. Прямую FC проводим через точку С, характери­ зующую состав экстрагента (хс = 100%), и точку F, соответствую­ щую исходной смеси (хв == 55 % х%= 45%),

№

Хорду равновесия ER проводим через точку Е на пограничной

щего 55% ацетона, подвергают экстракции хлорбензолом (С) для получения рафината, содержащего 3,5% ацетона. Определить не­ обходимое число теоретических ступеней, составы и массы полу­ ченных на каладой ступени продуктов, если экстракция прово­ дится:

1)при перекрестной подаче в каждую ступень 200 кг чистого хлорбензола;

2)при противоточной подаче экстрагента, причем в последнюю

ступень подается 664 кг чистого хлорбензола.

Р е ш е н и е . Схема многоступенчатой экстракции с перекрест­ ной и противоточной подачей реагента показана на рис. 40. Рас­ чет этих процессов основан на диаграмме фазового равновесия в исследуемой системе и на уравнениях материального баланса про­

где Gc— масса экстрагента, кг; GR,1, GE, «, Gs,*-—соответственно массы рафината, экстракта и смеси на выходе t-й ступени; я — число теоретических ступеней экстракции.

рис. 40. Многоступенчатые процессы жидкостной экстракции с перекрестной (а) а проткао» точной {(f) подачей «кстрагента.

199