Курсовая работа: Методи експериментальних досліджень і розрахунків кінетики хіміко-технологічних процесів

Для дослідження рівноваги в гетерогенних системах використовують дві групи базових методів: статичні і динамічні. В статичних методах завантажені в реактор реагенти витримують до встановлення рівноваги, не обновлюючи. Динамічні методи, або проточні - це методи з реагентами, які в ході досліду вводять в реактор і виводять з нього, замінюючи свіжими. Широке поширення набули також комбіновані методи: статичні по одній фазі (наприклад, по рідкій) і динамічні по іншій (наприклад, по газу). В циркуляційних методах динамічний принцип роботи поєднується з відсутністю введення свіжих реагентів, що характерне для методів статичних. Вони, отже, є варіантом статичного методу. Схемне зображення методів, вживаних при вивченні гетерогенної рівноваги, приведено на рис.1.

Рис. 1. Схематичне зображення методів:

а – статичний метод;

б – метод статичний з зовнішньою циркуляцією однієї з фаз (циркуляційний); в – динамічний метод;

г – комбінований метод (проток однієї з фаз відсутній)

Збільшенню швидкості перебігу процесу сприяє диспергування і перемішування фаз. Обидва прийоми підвищують швидкість перенесення компонентів системи до поверхні розділу фаз. Диспергування припускає попереднє подрібнення частинок твердої фази і введення газу в рідину через дисперсійні перегородки (наприклад, фільтр Шотта). Можливості диспергування небезмежні, і в лабораторних умовах одержати пил або міхур газу розміром істотно нижче 0,1 мм важко. Принципи перемішування очевидні з рис.1: мішалка (а), циркуляція (б), протока (в, г).

Диспергування і перемішування – це, у відомому значенні, турбування експериментатора про самого себе: чим вище швидкість встановлення рівноваги, тим швидше буде завершений дослід. Контроль перебігу процесу в часі - це борг експериментатора. Але, без "виплати" його немає, і не може, бути вивчення рівноваги, оскільки не яке окреме вимірювання виконане через будь-який, навіть дуже значний, проміжок часу після початку досліду, не має в собі самому ознаки рівноваги. Воно одержує це через зіставлення з іншими вимірюваннями, у тому числі, з вимірюваннями, що здійснені через інші (і великі, і менші) проміжки часу.

У багатофазній системі число ступенів свободи, що визначають стан рівноваги, дається рівнянням Гиббса - Дюгема:

У = К - Ф+2

де: У - число ступенів свободи

К - кількість компонентів

Ф - число фаз

2 – ступені свободи, що доводяться на "постійні" термодинамічні параметри: температуру і тиск.

Це ж рівняння, по суті, визначає кількість незалежних змінних в дослідах по вивченню рівноваги. Наприклад, для чотирьох компонентів, що відповідає реакції:

А + В « С + Д

і двох фаз кількість незалежних змінних рівна чотирьом. До них слід віднести температуру, тиск і концентрації двох будь – яких компонентів. Цю сукупність змінних позначають через Т , Р і Сij (i - номер компоненту, j - номер фази) і називають термодинамічними параметрами системи. Кожний дослід по вивченню рівноваги здійснюють в деякій точці багатовимірного простору, утвореного цими параметрами. Рухаючись по ньому з вибраною стратегією (наприклад, відповідно до правил статистичного планування, які розглядаються в курсі “Математичне моделювання і застосування ЕОМ”), дослідник здійснює більш менш повне вивчення об'єкту. Нижче розглядається техніка вивчення гетерогенної рівноваги в системах, що найбільш часто зустрічаються в неорганічній технології. Фази систем позначені заголовними буквами: Г - газ, Р - рідина, Т - тверде тіло.

1.1.2 Система Р – Т

Набір термодинамічних параметрів в цій системі рівний двом найменуванням: Т і Cij (оскільки Сij – може бути набагато більше ніж 1, то говорити про два параметри не можна). Тиск виключений. Він пов'язаний з газовою фазою, яка за умов задачі неістотна. Область зміни температур в технології неорганічних речовин практично обмежується температурами замерзання і кипіння води (або іншого розчинника). Область зміни концентрацій речовини, що розчиняється, обмежується з одного боку нулем (немає речовини в розчині) з другого боку – концентрацією насиченого розчину при заданій температурі (речовина перестає розчинятися). Отже,

Т, Р, Cij ® Т (0 ÷ 100 ⁰ С), Cij (0 ÷ Снас).

Транспорт твердого матеріалу, як правило, ускладнений. В лабораторних умовах використання великих кількостей рідкої фази (водні розчини кислот, солей і лугів) небажане. Сукупність всіх цих обставин призводить до того, що найпереважнішим типом реактора є статичний, схема якого була приведена на рис.1. Він є термостатованою відкритою колбою або стаканом. Реактор обов'язково обладнають мішалками.

У реактор послідовно завантажують твердий матеріал і рідину, включають мішалку і ведуть відлік часу, періодично відбираючи на аналіз рідку фазу. В ході проміжних аналізів звичайно визначають зміст тільки ключового компоненту. Як ключовий компонент, непридатна речовина, що знаходиться в системі у великому надлишку - його концентрація змінюється мало. В цій же якості незручна речовина, концентрація якої дуже низька, оскільки її визначення звичайно ускладнене. Як ключову слід вибирати речовину, для якої зміни концентрації визначаються легко і точно.

Якщо передбачений фізико–хімічний аналіз, то пробу після визначення в ній ключового компоненту повертають в реактор. При хімічному аналізі пробу в реактор не повертають, а спад речовин, звичайно, враховують шляхом складання по-компонентних матеріальних балансів.

Після досягнення рівноваги фази розділяють. Це одна з найважчих операцій методу, особливо якщо вивчення рівноваги проводять при температурі, яка суттєво відрізняється від кімнатної. В ході фільтрації і декантації відбувається зміна температури розчину, що міняє рівноважні співвідношення. Тому ці операції проводять на фільтрах, що обігріваються (охолоджуються), і по можливості швидко. Повне розділення фаз вимагає, крім того, промивки осаду на фільтрі, що може супроводжуватися його частковим розчиненням. Підбору промивної рідини, її кількості, температурі і доцільності її приєднання до основної маси фільтрату надається особлива увага.

Фільтрат аналізують на всі компоненти системи. Аналіз твердої фази, якщо він представляє значні труднощі, в технологічних дослідах часто не проводять. Склад її розраховують на підставі матеріальних балансів компонентів в рідкій фазі.

У неорганічній технології описану вище техніку експериментатор використовує при вивченні сольової рівноваги і процесів екстракції речовин з природної сировини (наприклад, фосфорної кислоти з фосфоритів).